基于自研芯片的FC-ASM仿真卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

黎小玉，田文娟，任　杰，劉　娟

(1.中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

基于自研芯片的FC-ASM仿真卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

黎小玉1，2，田文娟3，任杰3，劉娟1，2

(1.中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，不斷提高產(chǎn)品的可靠性，減小系統(tǒng)的重量、體積、功耗等，已成為目前設(shè)計(jì)的一種趨勢。但傳統(tǒng)FC-ASM仿真卡都是以FPGA方式實(shí)現(xiàn)，其板面積大、功耗極高、可靠性低、通用性差，已不能滿足系統(tǒng)小型化高可靠性的要求。提出了一種基于自研芯片的FC-ASM仿真卡實(shí)現(xiàn)方案。該方案設(shè)計(jì)靈活簡單，集成了FC-AE-ASM協(xié)議通信、設(shè)備管理、時(shí)統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理等功能，同時(shí)以其功耗低、成本小和重量輕等優(yōu)勢，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于地面仿真設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。

FC-AE-ASM；SoC；仿真卡

0　概述

在機(jī)載FC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品研制開發(fā)中，由于在機(jī)載環(huán)境下直接進(jìn)行試驗(yàn)具有很大的局限性和風(fēng)險(xiǎn)，而在地面環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)、可控制、無破壞性和耗費(fèi)小等優(yōu)點(diǎn)，從而構(gòu)建機(jī)載網(wǎng)絡(luò)地面仿真系統(tǒng)進(jìn)行大量的前期地面實(shí)驗(yàn)來測試樣機(jī)的功能和性能成為必要[1]。

傳統(tǒng)FC-ASM仿真卡主要由FPGA、輔助電路構(gòu)成[2-4]，架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)FC-ASM仿真卡硬件功能架構(gòu)圖

該方案采用單板的設(shè)計(jì)方式，由FC-ASM協(xié)議處理模塊和外圍電路實(shí)現(xiàn)串行FC鏈路數(shù)據(jù)通信，通過PCIe主機(jī)接口[5]實(shí)現(xiàn)與主機(jī)處理器通信。這種實(shí)現(xiàn)方案存在以下缺點(diǎn)：

(1)由于使用 FPGA實(shí)現(xiàn)，體積大、功耗大且使用時(shí)需要增加散熱片及風(fēng)扇，導(dǎo)致在特殊環(huán)境中無法使用。

(2)FPGA片內(nèi)資源有限，導(dǎo)致 FC-ASM仿真卡模式單一，靈活性差。

(3)高性能核心器件不易采購、價(jià)格昂貴，自主保障困難。

基于以上原因，本文提出了一種基于自研FC-AEASM協(xié)議處理芯片的FC-ASM仿真卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1　硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

FC-ASM仿真卡的主要功能是作為光纖通道網(wǎng)絡(luò)上的仿真節(jié)點(diǎn)，用于仿真飛機(jī)飛行過程中的各種數(shù)據(jù)發(fā)送至光纖通道網(wǎng)絡(luò)中，或者作為節(jié)點(diǎn)機(jī)輸出光纖通道數(shù)據(jù)幀。同時(shí)為了便于調(diào)試和管理，F(xiàn)C-ASM仿真卡也支持FC網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展鏈路服務(wù)（ELS幀）的發(fā)送，能夠?qū)LS幀通過FC-ASM仿真卡的FC端口發(fā)送到FC鏈路。按照以上仿真卡實(shí)現(xiàn)的功能描述，F(xiàn)C-ASM仿真卡的功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2　FC-ASM仿真卡功能架構(gòu)圖

FC-ASM仿真卡硬件設(shè)計(jì)的核心是FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片、PCIe主機(jī)接口、電源、時(shí)鐘、復(fù)位及外圍電路設(shè)計(jì)。

1.1FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片

FC-ASM仿真卡的核心部件是自研的FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片，該芯片內(nèi)嵌 PowerPC處理器，能夠提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及控制能力，通過工作在較高時(shí)鐘頻率的PLB總線和外圍設(shè)備通信，主要完成FC速率配置、ELS幀的接收、發(fā)送以及 FC MAC的初始化配置；提供雙余度 1.062 5 Gb/s和 2.125 Gb/s速率可配置串行 FC鏈路；對外提供PCIe/RapidIO主機(jī)接口，與主機(jī)處理器配合可完成FC時(shí)鐘同步功能、FC網(wǎng)絡(luò)管理功能；提供片外Flash和SRAM存儲(chǔ)器接口以及JTAG等調(diào)試接口，便于存儲(chǔ)擴(kuò)展和調(diào)試。采用自研芯片以降低整個(gè)實(shí)現(xiàn)方案的難度，優(yōu)化仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1.2PCIe主機(jī)接口

FC-ASM仿真卡采用PCIe主機(jī)接口、金手指形式實(shí)現(xiàn)[6]，支持 4線模式，提供標(biāo)準(zhǔn)的 PCIe INTA中斷方式，支持中斷和查詢2種工作模式[7]。FC-ASM仿真卡作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)時(shí)，PCIe主機(jī)接口主要負(fù)責(zé)將主機(jī)配置的仿真數(shù)據(jù)通過DMA方式傳遞給FC-ASM仿真卡硬件；作為接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，將鏈路上的數(shù)據(jù)通過DMA的方式傳輸?shù)街鳈C(jī)，供主機(jī)進(jìn)行處理。

1.3FC-ASM仿真卡電源

FC-ASM仿真卡工作于 PC環(huán)境，其中整板電源由PC通過PCIe接口提供+12 V電源。由于整板電流小于1 A，其12 V轉(zhuǎn)5 V選用ISL8201電源芯片，輸出電流最大 10 A，滿足整板需求；數(shù)字 3.3 V為板上主要芯片及IO電壓，設(shè)計(jì)成由最大輸出5 A的 TPS75501線性電源提供；模擬3.3 V為FC-AE-ASM芯片內(nèi)部鎖相環(huán)等模擬模塊使用，由數(shù)字3.3通過1 μH電感轉(zhuǎn)換；核心器件FC-AE-ASM芯片的數(shù)字內(nèi)核電壓為 VCC1.2 V和SerDes內(nèi)核電壓AVCC1.2 V，均采用輸出電流最大3 A的線性電源TPS74401單獨(dú)提供，通過3.3 V轉(zhuǎn)換為 1.2 V，滿足FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片上電要求(IO先上電，Core后上電)。

FC-ASM仿真卡電源網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3　FC-ASM仿真卡電源網(wǎng)絡(luò)

1.4FC-ASM仿真卡時(shí)鐘

FC-ASM仿真卡外部用一個(gè)單獨(dú)的 40 MHz的時(shí)鐘作為CPU系統(tǒng)處理輸入時(shí)鐘，另一個(gè)單獨(dú)的5 MHz時(shí)鐘作為FC時(shí)鐘同步時(shí)鐘，F(xiàn)C-AE-ASM協(xié)議處理器采用單獨(dú)的106.25 MHz差分輸入時(shí)鐘，PCIe時(shí)鐘由主機(jī)提供。

1.5FC-ASM仿真卡復(fù)位

FC-ASM仿真卡復(fù)位信號包括PCIe主機(jī)復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、上電復(fù)位、JTAG復(fù)位。PCIe主機(jī)復(fù)位是通過PCIe接口產(chǎn)生復(fù)位；手動(dòng)復(fù)位是外接復(fù)位開關(guān)進(jìn)行硬復(fù)位；上電復(fù)位是在上電后復(fù)位芯片輸出仍保持 200 ms的低電平，產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位；JTAG復(fù)位是通過RISCWatch仿真器復(fù)位處理器進(jìn)行的系統(tǒng)復(fù)位。具體原理如圖4所示。

圖4　FC-ASM仿真卡復(fù)位原理圖

1.6FC通信速率配置

在基于自研芯片的FC-ASM仿真卡中，根據(jù)用戶實(shí)際需求，由硬件和軟件相配合實(shí)現(xiàn)雙余度1.062 5 Gb/s或 2.125 Gb/s速率串行FC鏈路。軟件通過配置FC鏈路控制寄存器控制FC鏈路速率為1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s；硬件通過FC_RATE信號控制FC SerDes的1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s速率，高電平選擇2.125 Gb/s，低電平選擇1.062 5 Gb/s。這一點(diǎn)也是傳統(tǒng)FC-ASM仿真卡無法實(shí)現(xiàn)的。

1.7其他外圍電路

除了以上主要功能模塊之外，F(xiàn)C-ASM仿真卡還提供 2路 Flash：一路用于固化嵌入式處理器的軟件，作為嵌入式處理器的啟動(dòng)Flash；另一路用于固化 FC通信CAM表，作為系統(tǒng)通信時(shí)的藍(lán)圖配置表存儲(chǔ)Flash。同時(shí)FC-ASM仿真卡還對外提供一路 RS232接口，便于 FCASM仿真卡的調(diào)試和維護(hù)操作。

2　軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

FC-ASM仿真卡軟件分為傳輸軟件、驅(qū)動(dòng)軟件和上層應(yīng)用仿真軟件，傳輸軟件固化在如圖5所示的 Bank0 Flash中，驅(qū)動(dòng)軟件隨上層應(yīng)用仿真軟件一起駐留在主機(jī)上。當(dāng)FC-ASM仿真卡加電時(shí)，板卡內(nèi)部Flash中固化的傳輸層軟件實(shí)現(xiàn)傳輸層功能。上層應(yīng)用軟件調(diào)用驅(qū)動(dòng)軟件，完成FC總線的整個(gè)通信、管理等功能。

圖5　FC-ASM仿真卡軟件功能框圖

傳輸軟件是FC-ASM仿真卡接口軟件的內(nèi)部接口。根據(jù)主機(jī)的命令完成諸如系統(tǒng)初始化、加載配置表、系統(tǒng)自測試等一系列動(dòng)作；響應(yīng)主機(jī)以中斷形式發(fā)送命令控制FC-ASM協(xié)議處理引擎工作；傳輸層的另一重要功能是將FC-ASM仿真卡發(fā)生的某些特定事件（例如看門狗超時(shí)、系統(tǒng)故障、FC-ASM仿真卡狀態(tài)）作為中斷上報(bào)給主機(jī)，并根據(jù)主機(jī)的反饋信息對中斷進(jìn)行處理。

驅(qū)動(dòng)軟件是FC-ASM仿真卡接口軟件的外部接口。向航電應(yīng)用提供一組標(biāo)準(zhǔn)的API接口(包括設(shè)備管理接口、通信管理接口、時(shí)鐘同步管理接口、網(wǎng)絡(luò)管理接口)，實(shí)現(xiàn)對FC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行控制。其中，設(shè)備管理接口實(shí)現(xiàn)對FC-ASM設(shè)備的打開、關(guān)閉，設(shè)備軟復(fù)位，狀態(tài)獲取；通信管理接口實(shí)現(xiàn)通信表的加載、卸載，F(xiàn)CAE-ASM協(xié)議非數(shù)據(jù)塊消息的封裝，通信的啟動(dòng)和停止控制，ASM消息的發(fā)送、接收控制；時(shí)鐘同步管理接口實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步模式設(shè)置、時(shí)鐘同步使能、禁止，任務(wù)系統(tǒng)RTC時(shí)間設(shè)置、獲取，任務(wù)系統(tǒng)同步監(jiān)控門限值設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)日歷信息設(shè)置、獲?。痪W(wǎng)絡(luò)管理接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)初始化控制,網(wǎng)絡(luò)上下線管理，網(wǎng)絡(luò)上/下網(wǎng)控制，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)健康監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)加載及固化。

上層應(yīng)用仿真配合實(shí)現(xiàn)FC-ASM仿真卡的FC數(shù)據(jù)仿真功能，其仿真軟件具有可視化的圖形界面，可依據(jù)真實(shí)FC網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，通過計(jì)算機(jī)仿真建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，生成配置文件和消息數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，模擬真實(shí)系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)流通信，從而直觀地給出仿真結(jié)果，為網(wǎng)絡(luò)通信提供參考依據(jù)。根據(jù)用戶需求將仿真數(shù)據(jù)的配置，仿真流量監(jiān)控、仿真狀態(tài)監(jiān)控等功能采用軟件實(shí)現(xiàn)。圖6、圖7為仿真監(jiān)控發(fā)送界面和仿真監(jiān)控接收界面。

圖6　FC-ASM仿真卡仿真監(jiān)控發(fā)送界面

圖7　FC-ASM仿真卡仿真監(jiān)控接收界面

3　技術(shù)優(yōu)勢

以傳統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)的FC-ASM仿真卡與新型的基于自研芯片的FC-ASM仿真卡為例進(jìn)行分析。替代部分如圖8所示。

圖8　基于自研芯片的FC-ASM仿真卡替代圖

3.1實(shí)驗(yàn)對比分析

在環(huán)境實(shí)驗(yàn)中，可能同時(shí)使用 2塊卡，傳統(tǒng)的 FPGA實(shí)現(xiàn)的FC-ASM仿真卡體積較大，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)的PCIe插槽間距不滿足要求，而基于自研芯片的FC-ASM仿真卡由于集成度高、體積小等優(yōu)勢而不存在此問題。

在進(jìn)行烤機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)的FC-ASM仿真卡在不添加額外的散熱裝置情況下，出現(xiàn)不穩(wěn)定問題。而基于自研芯片的FC-ASM仿真卡以其可靠性高、功耗低等優(yōu)勢不存在此問題。

3.2指標(biāo)對比分析

兩種實(shí)現(xiàn)方案主要指標(biāo)對比情況見表1。

表1　兩種實(shí)現(xiàn)方案對比

由表1可以看出，與FPGA實(shí)現(xiàn)方案相比，基于自研芯片的FC-ASM仿真卡功耗減小到60%，體積減小到50%，重量減輕到60%，且FC鏈路速率可配置，使用靈活，顯著提高了功能、性能、可靠性及FC核心產(chǎn)品的自主保障能力。

4　總結(jié)

本文通過對傳統(tǒng)的基于FPGA的FC-ASM仿真卡實(shí)現(xiàn)方案的分析，提出了一種基于自研芯片的FC-ASM仿真卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)有效解決了傳統(tǒng)仿真卡存在的眾多問題，并具有自主保障能力。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于地面仿真設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室中，為多個(gè)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)地面仿真系統(tǒng)提供真實(shí)可靠的仿真數(shù)據(jù)，有效支持FC網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及維護(hù)。參考文獻(xiàn)

[1]張少鋒，田澤，楊峰，等.基于AS5643協(xié)議的Mil-1394仿真卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013，23(8)：168-171.

[2]李攀，田澤，蔡葉芳，等．基于FPGA的雙通道 FC數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013，23(7)：179-182．

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[7]霍衛(wèi)濤，田澤，李攀，等.基于FPGA的光纖通道網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2015，24(5)：199-203．

The design and realization of FC-ASM simulation card based on the research of undependent SoC

Li Xiaoyu1，2，Tian Wenjuan3，Ren Jie3，Liu Juan1，2
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China)

With the development of the aviation electronic technology,and improving the reliability of product,reducing the system′s weight,volume,power consumption and so on,has become a trend of the current design.But the traditional FC-ASM based on the emulation way of FPGA which has big plate area,high power consumption,low reliability and poor universality cannot satisfy the requirement of miniaturization high reliability.This paper proposes an implementation scheme of FC-ASM simulation card based on the independent research and development of the SoC.The design is simple and flexible,integrates FC-AE-ASM protocol communications,equipment management,system management,and other function.At the same time,because of its low power consumption, low cost and the advantages of the light weight,it is now widely used in ground simulation equipment and laboratory environment.

FC-AE-ASM；SoC；simulation card

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.039

航空科學(xué)基金（2015ZC51036）；中國航空工業(yè)集團(tuán)公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)

（2016-08-10）

黎小玉（1983-），女，碩士，高級工程師，主要研究方向：SoC設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

田文娟（1989-），女，本科，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。

任杰（1988-），男，本科，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。

劉娟（1984-），女，碩士，工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。

中文引用格式：黎小玉，田文娟，任杰，等.基于自研芯片的 FC-ASM仿真卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (9)：152-154，158.

英文引用格式：Li Xiaoyu，Tian Wenjuan，Ren Jie，et al.The design and realization of FC-ASM simulation card based on the research of undependent SoC[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：152-154，158.