FPGA的光纖通道接口控制芯片設(shè)計

圖2左邊的PowerPC和存儲器控制器通過PLB總線互聯(lián)在一起，構(gòu)建了Linux操作系統(tǒng)和接口控制芯片的軟件部分的運行平臺。
PowerPC架構(gòu)中還包含了通用的OPB總線，用來進行外部設(shè)備的互聯(lián)。OPB總線通過一個PLB-OPB橋連接到PLB總線，如圖2右邊所示。連接到OPB總線的外部設(shè)備只有一個，也就是光纖通道傳輸核。
用戶接口定義了接口控制芯片的用戶接口。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，這個模塊有不同的實現(xiàn)方法，如PCI或USB。
當用戶有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，通過接口控制芯片的用戶接口將數(shù)據(jù)按標準格式存人芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器，并通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器請求接口控制芯片的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。然后，軟件代碼將數(shù)據(jù)接管過來，先為這次數(shù)據(jù)(IU)傳輸分配相應(yīng)的軟件資源(交換狀態(tài)塊、序列狀態(tài)塊等)用以記錄數(shù)據(jù)的發(fā)送狀態(tài)。等完成相應(yīng)的處理后，PowerPC通過光纖通道傳輸核提供的接口通知傳輸核對數(shù)據(jù)進行處理，包括分片、成幀、CRC計算和8B／10B編碼等任務(wù)。最后，傳輸核通過輸出引腳輸出高速串行數(shù)據(jù)去調(diào)制光發(fā)射機并發(fā)送到光纖鏈路。
當從輸入鏈路上接收到數(shù)據(jù)時，傳輸核首先對數(shù)據(jù)進行處理，包括位同步、串并轉(zhuǎn)換、8B／10B解碼、字同步、有序集檢測、CRC校驗和幀提取。當有效幀接收到并存到接收緩沖區(qū)后，硬件模塊設(shè)置相應(yīng)的寄存器通知Power-PC，然后PowerPC對接收到的幀進行處理，包括分配相應(yīng)的軟件資源、幀重裝。當屬于一個序列的所有幀都正確接收完后，PowerPC通過用戶接口模塊通知用戶模塊，用戶模塊接收到數(shù)據(jù)后自行進行處理。

3 硬件設(shè)計
接口控制芯片的硬件部分也就是圖2中的光纖通道傳輸核，負責將數(shù)據(jù)幀按標準規(guī)定的格式從發(fā)送緩沖區(qū)傳輸?shù)芥溌妨硪欢说慕邮站彌_區(qū)。為了正確有效地完成這個任務(wù)，接口控制芯片的硬件部分實現(xiàn)以下一些功能：緩沖到緩沖的流量控制、鏈路級別的差錯檢測和恢復、字同步、有序集檢測、幀提取、8B／10B編解碼和串并／并串轉(zhuǎn)換等功能。接口控制芯片的硬件部分功能框圖如圖3所示。

3．1 發(fā)送控制邏輯
發(fā)送控制邏輯的功能是控制幀、原語信號和原語序列的發(fā)送順序，使之符合光纖通道標準，主要包括保證連續(xù)幀之間具有足夠的間隔和在幀之間插入原語信號。
發(fā)送幀的CRC值也由發(fā)送控制邏輯計算，傳統(tǒng)的串行計算方法達不到要求的速率，這里采用并行CRC算法進行計算，每個時鐘有效沿可以計算32位數(shù)據(jù)，大大提高了數(shù)據(jù)吞吐量。
緩沖到緩沖流量控制也在發(fā)送控制邏輯中實現(xiàn)。發(fā)送控制邏輯維持一個計數(shù)器，表示當前已發(fā)送但還未被確認的幀的數(shù)目，每當發(fā)送1幀，計數(shù)器加1；當接收到 R_RDY原語信號時，計數(shù)器減1。如果這個值小于配置寄存器中的BB_Credit值，則表示可以繼續(xù)發(fā)送幀；否則，表明目標端口已經(jīng)沒有可用的接收緩沖區(qū)，發(fā)送控制邏輯此時就不往外發(fā)出幀。
3．2 接收控制邏輯
8B／10B解碼出來的數(shù)據(jù)是字節(jié)數(shù)據(jù)，而所有的有序集都是字，因此需要在輸入的字節(jié)流中正確區(qū)分出字邊界。接收控制邏輯內(nèi)部的字同步模塊和接收狀態(tài)機協(xié)同工作，實現(xiàn)這一功能。標準規(guī)定的接收機狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。
3．3 8B／1 0B編解碼
傳統(tǒng)的編解碼方法由數(shù)字邏輯實現(xiàn)，主要是為了節(jié)省邏輯資源。由于FPGA內(nèi)含有豐富的RAM，使其作為編解碼的載體既可以降低復雜程度又可以提高編解碼的速度，待編碼的數(shù)據(jù)作為地址線輸人，編碼數(shù)據(jù)存在RAM內(nèi)從數(shù)據(jù)線輸出。
3．4 端口狀態(tài)機
作為鏈路級差錯檢測與恢復的核心，端口狀態(tài)機對收發(fā)鏈路的狀態(tài)進行監(jiān)測。每當鏈路狀態(tài)出現(xiàn)異常，端口狀態(tài)機就根據(jù)異常的起因啟動不同的鏈路恢復協(xié)議來對鏈路進行恢復。如果恢復失敗，那么端口狀態(tài)機就通過狀態(tài)寄存器向上層報告。出于版面的考慮，簡化的端口狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。

3．5 其他模塊
異步FIFO：由于接口控制芯片的接收部分使用從接收數(shù)據(jù)中恢復出來的時鐘，因此和芯片的主時鐘是異步的。當將接收到的數(shù)據(jù)交給其他工作于主時鐘的模塊處理時需要進行速率調(diào)整。異步FIFO用于實現(xiàn)這個功能。串并／并串轉(zhuǎn)換：高速的串并轉(zhuǎn)換對器件性能有較高要求。FPGA內(nèi)部集成了專用的硬核 (RocketIO)用來實現(xiàn)這一功能，因此對其進行適當?shù)呐渲眉纯?。這樣節(jié)省了專用的串并轉(zhuǎn)換芯片。
配置寄存器存儲一系列的工作參數(shù)，如(R_T_TOV、E_D_TOV等)，復位后以默認值初始化寄存器。完成注冊后，使用新值更新寄存器。
光纖通道傳輸核通過狀態(tài)寄存器來表示自己當前所處的狀態(tài)(如在線、離線等)。