摘 要 新一代航空电子系统将光纤通道作为首要高速串行总线，光纤通道具有通道传输的高速性和网络传输的灵活性，当前流行的通道标准和网络协议都可以依托光纤通道运行。目前其传输速率高达1Gbps以上，要采集记录光纤通道航电总线数据，重点与难点将是系统间的高速数据传输技术。文章研究应用PCIe总线体系结构，采用软件硬件化思想，利用DMA读取方式来完成采集记录来自光纤通道网络的高速数据。
关键词 光纤通道；总线数据采集；PCIe
中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）217-0146-03
数据总线技术发展越来越快，在部队使用中越来越广泛。目前已发展到光纤通道数据总线阶段。当前电子战时代，数据信息作为重要的战略资源，传输越来越迅捷，各个武器装备之间的信息交换量越来越大，要求越来越高。在此大环境下，航空电子系统急需一种先进快速的数据传输总线来传输航空器系统的大量的数据信息。光纤通道（Fiber Channel）作为新一代航空电子高速串行总线[ 1 ]，光纖通道具有通道传输的高速性和网络传输的灵活性，当前流行的通道标准和网络协议都可以依托光纤通道运行。因此，以光纤通道来替代传统总线将成为先进的综合航电系统互联的必然选择[2]。
1 光纤通道在航空电子环境的应用
航空电子环境发展日新月异，光纤通道根据使用环境发展变化提供了一组有关在航空电子环境中应用的协议子集FC-AE（Fiber Channel Avionics Environment），规范了在航空环境中光纤通道交换网络与环路拓扑连接设备的选择。FC定义了点对点（Point-To-Point）、仲裁环（Arbitrated Loop）和交换机（Fabric）3种基本的拓扑结构[3]。目前成立了一个研究光纤通道用于航空电子环境的分委员会（ANST FC-AE），主要作用是描述并发展对光纤通道基本标准的航空电子增强专用系统[4]。FC-AE包含了无签名的匿名消息传输（ASM）、MIL-STD-1553高层协议、虚拟接口（VI）、FC轻量协议（FCLP）、远程直接存储器访问协议（RD-MA）5个不封。每个部分都可用于不同的航空电子系统，达到高速传输数据的目的。
2 光纤通道航电总线采集系统方案设计
光纤通道由于其通信速率高的优点在当今信息时代得到广泛应用，目前光纤的速率高达达到2Gb/ s甚至4Gb/s。要对光纤通道传输的数据进行测试，首先应满足测试设备具备高的传输带宽。从这方面讲，系统设计首先要保证带宽足够不丢数据，同时还要有比光纤通道更高的数据传输处理速度。设计方案为达到高速数据传输处理的目的选用了第3代I/O总线标准PCIe作为系统的传输总线。本系统硬件主要实现光纤通道数据的接收和存储，首先将接收到的光信号通过光电转换器成电信号，然后传输至现场可编程阵列（FPGA）内部，PCIe协议在FPGA内完成，通过PCIe总线传输至PC内存进行数据打爆，数据打包通过千兆以太网传送到机载通用数据记录器进行记录。设计方案如图1所示。
3 高速传输技术研究与实现
3.1 硬件平台设计
硬件设计首先是通过前端将光信号转换成电信号。设计核心是通过FPGA的硬核实现高速数据接收、处理和传输，同时打上系统时间标记，恢复出的数据放入DDR2缓存，然后主机以直接存储器存取（Direct Memory Access，DMA）方式读入内存待后端用户应用软件处理。本系统硬件设计的关键是光纤通道数据的事实高速的数据接收、处理和传输。硬件设计的整体框图，如图2所示。
硬件平台主要有光纤接口模块，FPGA主控模块，PCIe总线逻辑，DMA控制逻辑，DDR2高速缓存模块，电源管理模块，时钟管理模块和复位电路等组成。
3.2 FPGA设计
根据系统设计要求，FPGA选型首先考虑支持PCIe 4Lanes接口、具备PowerPC处理器硬核、以及逻辑规模3个方面。XC5VFX200T器件具有24路的RocketIO和多达960个用户IO，其RocketIO支持CRC编码生成和校验、支持150Mbps～6.5Gbps多种通信速率、支持SATA、PCIe、RapidIO、接收器可以根据编程实现时间均等功能、以及FC等多种高速通信接口编码和电平特性；根据各个型号性能比较后，采用了V5的FXT系列。该系统有两个PowerPC核心，单核心最高主频550MHz，处理能力1000DMIPS；具备一级数据和指令Cache，大小均为32KB；具有7级流水线，Switch总线结构，单周期多指令以及指令乱序执行能力，并集成DMA控制器。
3.3 基于PCIe总线高速传输技术
3.3.1 PCIe总线介绍
PCI Express（PCIe）是第三代I/O总线技术，它采用串行、点到点的总线连接结构，编程概念及通信标准沿用现有的PCI标准，软件与PCI向下兼容，目前用来连接第三代通信设备。编码采用8b/10b机制，以此来保证数据传输的连续性，PCIe总线在通信模式方面采用时钟数据恢复同步技术，有效避免了时钟和数据的不同步，保证数据传输的连续性和可靠性。另外PCIe采用LVDS信号，电压小功耗低，广泛应用于通信系统中。目前单个信道带宽高达250MBps。信道可以以x1、x2、x4、x8、x16和x32 的的方式组合，达到极高的传输带宽。由于PCIe总线的显著优点，逐渐取代PC I总线而得到了广泛的应用[3]。
3.3.2 PCIe接口设计
PCIe协议非常复杂，在实际应用中为了实现PCIe协议解析的快速性与实时性，设计将采用“软件硬件化”设计思路应用到光纤通道航电总线采集器，硬件选用FPGA具有PCIe协议处理能力，同时内嵌PCIe端点模块。利用顶层协议的灵活性有效地平衡数据解析、高速传输的实时性，通过硬件实现高速解析上层协议的结果。PCIe接口集成物理层、链路层、传输层，系统时钟和复位接口，包含了多条发送和接收链路，通过配置接口，可读取PCIe核内部的配置寄存器，判断IP核的当前状态。PCIe 核的逻辑结构见图3所示。
设计使用的DMA引擎在该逻辑结构的基础上增加，DMA直接通过主机接管所有的FC帧的数据内容传输，每条PCIe总线提供至少200MB/s的主机通信带宽。V5器件集成的PCIe硬核通过在User Application接口（PCIe Local接口）增加DMA以及ASM协议调度收发逻辑，通过设备控制和协议处理功能实现各个模块之间数据通信，完成高速光纤通道数据的接收处理和传输。PCIe接口是系统各个模块之间数据交换的接口，主机各个模块之间的数据访问都是通过PCIe接口实现的。
3.4 DMA控制器
一种不经过CPU而直接在内存与外设之间进行数据交换的模式即是DMA方式。DMA适用于大规模数据交换的场合，各个模块之间实现高吞吐率，高性能，低CPU占用率。PCIe总线与各个模块之间数据交互通过DMA方式进行。DMA模式基于FPGA实现简单，方案中只需对FPGA的几个寄存器操作就可设置PCIe总线的DMA工作方式。通过实验室数据传输对比分析，DMA模式更能发挥PCIe总线的宽带优势，经过测试表明，通过DMA模式的数据传输速度达到了普通模式的4倍之多。因此方案设计中采用FPGA变成实现DMA模式下的数据传输。
4 结论
技术方案经过逻辑仿真FPGA实现和实验室联试，结果证明：光纤通道总线采集器高速通信传输接口满足FC网络的高速测试需求，实现了光纤通道总线采集器采集FC网络数据高速采集、处理和传输要求。文章应用PCIe总线体系结构，采用软件硬件化思想，利用DMA读取方式来实现光纤通道航电总线采集器中高速数据传输与处理，对光纤通道总线试飞测试技术的研究和应用具有一定的借鉴意义。
參考文献
[1]Fibre Channel Avionics Environment[S]. ANSI. 2002.
[2]马萍，唐卫华，李绪志.基于PCI Exp ress总线高速数采卡的设计与实现[J].微计算机信息，2008，24（25）：116-118.
[3]杨阿锋，吴帅，刘凯，等. PCIe接口高速数据传输卡的驱动程序开发[J].中国测试技术，2008，34（2）：115.
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