淺談基于SOPC技術(shù)的光纖通道網(wǎng)絡(luò)接口卡的實現(xiàn)

潘洋

摘要：文章介紹了一種基于SPOC系統(tǒng)的光纖通道網(wǎng)絡(luò)接口卡的方案，該設(shè)計以NiosⅡ作為軟核處理器，將其與網(wǎng)絡(luò)接口卡控制邏輯集成在FPGA芯片中，采用流水技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送以及接收。測試結(jié)果顯示，該設(shè)計通信協(xié)議簡單，具有可靠的通信性能，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高。此外自定義功能促進了NIC的快速開發(fā)。

關(guān)鍵詞：SPOC；光纖通道；網(wǎng)絡(luò)接口卡

光纖通道最早是由美國開發(fā)出來的，屬于一套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不僅具有較高的帶寬和可靠性，而且誤碼率低，數(shù)據(jù)傳輸速率快，高達(dá)Gbps數(shù)量級。但是光纖通道一個最大的問題在于幀格式冗長，受到幀格式的影響，在通信時就會出現(xiàn)非常嚴(yán)重的延遲現(xiàn)象，為了解決這一問題，有的高校根據(jù)光纖通道標(biāo)準(zhǔn)提出了信令尋徑式交換技術(shù)的高速光纖傳輸交換網(wǎng)絡(luò)，這一改進不僅提高了網(wǎng)絡(luò)的效率，而且成本也比較低。本文所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)接口卡就是在這一集群網(wǎng)絡(luò)上開發(fā)出來的，優(yōu)勢顯著，發(fā)展前景廣闊。最初網(wǎng)卡是基于FPGA實現(xiàn)的，簡單來說就是將網(wǎng)絡(luò)接口卡的全部功能都集中在FPGA芯片上，由技術(shù)人員自己對控制邏輯部分進行設(shè)計，近年來，高集群系統(tǒng)對節(jié)點機通信性能的要求越來越高，而另—方面，Altera公司開發(fā)出了NiosⅡ嵌入式處理器，這也意味著對更加智能化的網(wǎng)絡(luò)接口卡進行研究尤為必要。

1 SPOC與Nios Ⅱ技術(shù)介紹

SPOC，簡單來說就是一種系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，是在FPGA基礎(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的。該技術(shù)不僅靈活，而且高效地將I/O、存儲器和處理器以及系統(tǒng)開發(fā)所涉及到的其它部件全都集中在一個PLD上，從而形成可編程片上系統(tǒng)。

NiosⅡ是在第一代Nios軟核處理器基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。該處理器最大的特點在于用戶可以根據(jù)自身需求對其功能進行定制，靈活性更高，速度也更快一些。該公司推出的軟件以及硬件能夠使設(shè)計者在盡可能短的時間內(nèi)設(shè)計出功能強大的處理器系統(tǒng)。在SPOC下，設(shè)計者側(cè)重于系統(tǒng)的功能以及整體構(gòu)架，對于電路設(shè)計等細(xì)節(jié)部分則不需要進行長時間的考慮，并且設(shè)計出來的系統(tǒng)更可靠、穩(wěn)定。

2 NIC方案設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)接口卡主要是由3部分組成的，分別是FPGA（基于嵌入式Nios軟核）芯片、光收發(fā)器、串并信號轉(zhuǎn)換器件。芯片是由NIC、CPU組成，NIC由3部分組成，分別是收發(fā)控制邏輯、PCI接口控制以及8b/10b轉(zhuǎn)換。PCI接口控制和PCI總線、收發(fā)控制邏輯和片外存儲器相連、8b/10b轉(zhuǎn)換和并信號轉(zhuǎn)換器件分別連接到一起。其數(shù)據(jù)傳輸串行速率為1.0625Gbps，信號的傳輸是由光纖實現(xiàn)的。首先，光收發(fā)器自動接收光信號，然后將其轉(zhuǎn)換為電信號，通過差分電路將電信號傳送至串并轉(zhuǎn)換器件，對信號進行轉(zhuǎn)換，生成10bit并行信號，最后再將信號傳送至FPGA芯片，按照要求進行處理，將處理完的數(shù)據(jù)傳送至總線傳回節(jié)點機內(nèi)存。發(fā)送過程正好與NIC接收過程相反。此次設(shè)計將所有邏輯電路全都集中在一片F(xiàn)PGA中，不僅結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且延遲比較小，起到了優(yōu)化系統(tǒng)的重要作用，使NIC傳輸速率得以大大提高。

3 NIC結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 功能部件

光收發(fā)器簡單來說就是負(fù)責(zé)接收光信號的功能部件，對接收到的信號進行轉(zhuǎn)換之后，再輸出到指定器件，同時還包括待發(fā)送電信號的轉(zhuǎn)換和發(fā)送。

在該設(shè)計中首先需要解決的一個問題就是字同步，接下來的功能設(shè)計都是以此為基礎(chǔ)的，因此，解決好這一問題尤為重要。光纖傳輸?shù)男盘柖际遣⑿行盘?，借助光接收器件將其轉(zhuǎn)變?yōu)榇行盘?，然后由串并轉(zhuǎn)換器件進行轉(zhuǎn)換就可以實現(xiàn)字同步。但需要注意的是，元語系列和幀定界符全部為一個字，并且總線也是以字為單位對數(shù)據(jù)進行傳輸，所以，字同步是非常重要的，可以說是整個設(shè)計的關(guān)鍵。

NIC控制邏輯：（1）接口控制。這不僅是設(shè)計的難點，同時也是重點之一。接口控制的主要任務(wù)就是建立起主機對網(wǎng)卡的控制關(guān)系，一般來說是通過網(wǎng)卡專有命令實現(xiàn)控制的。在不同時間，網(wǎng)卡都要以主/從模式進行工作，由VHDL語言描述實現(xiàn)這一部分控制邏輯。在主模式狀態(tài)下，主要是對DMA下數(shù)據(jù)傳輸進行控制；而在從模式狀態(tài)下，就需要對網(wǎng)卡設(shè)備進行配置，在該模式下，需要解決的問題有，讀取網(wǎng)卡狀態(tài)，向網(wǎng)卡發(fā)送控制信號等。

8B/10B編解碼邏輯的主要功能就是對8B/10B編解碼進行控制。一個字為8bit，通過8B/10B就可以將8bit轉(zhuǎn)換為10bit，以光纖為媒介，將字發(fā)送至接收方，接收與這一過程正好完全相反，在接收到10bit的編碼之后，通過10B/8B將接受到的信號轉(zhuǎn)換成8bit編碼，存儲在接收緩沖區(qū)中。

3.2 硬件結(jié)構(gòu)

以Nios Ⅱ為基礎(chǔ)對網(wǎng)絡(luò)接口卡進行設(shè)計，結(jié)構(gòu)的組成一共包括3個層次：分別是硬件層、應(yīng)用層以及抽象層，硬件層設(shè)計硬件系統(tǒng)，應(yīng)用層設(shè)計應(yīng)用程序，抽象層為硬件驅(qū)動。

本次設(shè)計一共選取了3種型號，分別是經(jīng)濟、標(biāo)準(zhǔn)、快速，每一種型號占用的邏輯單元數(shù)目都是不同的，并且這3種型號都優(yōu)化了性能以及價格，應(yīng)用范圍也比較廣闊。本文選擇的是經(jīng)濟型。添加Avalon slave port接口，主要功能是實現(xiàn)對Nios Ⅱ的訪問和控制片外SRAM。這樣一來就能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸進行控制，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。SRAM通過三態(tài)橋得以從總線接口到加入到系統(tǒng)。具體步驟：對相關(guān)信息進行設(shè)置，然后再設(shè)置建立、保持、等待時間等，這些操作完成之后就可以將SRAM添加到系統(tǒng)中。在調(diào)試時需要對建立、保持、等待時間進行反復(fù)修改，直到能夠正確訪問方可停止修改。為了能夠?qū)TAG、SRAM以及ROM與總線連接到一起，需要添加三態(tài)橋，只有這樣，構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)才完整。

在.bdf文件中將信號連接到一起，按照要求進行布局布線，然后可以對系統(tǒng)進行仿真測試，將.pof文件下載到硬件電路板上，進行多次調(diào)試和方案修改，直到能夠滿足設(shè)計要求。系統(tǒng)采用主動串行模式AS方式進行配置，將文件下載到EPCS中，這樣一來，系統(tǒng)的自動配置功能即可實現(xiàn)，完成之后就可以進行通信。系統(tǒng)時鐘是由晶振提供的，系統(tǒng)配置是由全部配置器件實現(xiàn)的。

4 測試結(jié)果分析

通過表1能夠直觀看出，在通信延遲方面，信令尋徑式光纖傳輸交換網(wǎng)要優(yōu)于千兆以太網(wǎng)；在帶寬方面，前者明顯高于后者，近3倍；在數(shù)據(jù)傳輸率方面前者也要高于后者，但是并不明顯。通過表2測試數(shù)據(jù)能夠看出，本文設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)接口卡能夠確保邏輯的可實現(xiàn)性，并且通信性能優(yōu)越，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

5 結(jié)語

綜上所述，本文對基于SOPC技術(shù)的光纖通道網(wǎng)絡(luò)接口卡的實現(xiàn)進行了研究。本文所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)接口卡是基于SOPC技術(shù)實現(xiàn)的，與以往設(shè)計技術(shù)相比，系統(tǒng)效率更高，也更穩(wěn)定。緩沖區(qū)的擴展使發(fā)送和接收實現(xiàn)了流水操作，通信協(xié)議變得更加簡單。另外，本設(shè)計采用的是嵌入式設(shè)計技術(shù)，這樣一來今后開發(fā)智能網(wǎng)卡就比較簡單，這也是本次設(shè)計一個最大的亮點。