基于PCIE的多FC子卡测试设备的设计与实现

0 引言

FC(光纤通道，是Fiber Channel的缩写)是美国国家标准委员会(ANSI)的X3T11工作组于1988年提出的一种高速串行传输协议，具有高带宽、高实时性、高可靠性、扩展性好、传输速率高、抗干扰性强、拓扑结构和服务类型灵活、支持多种上层协议和底层传输介质等特性，为了适应航空电子环境的应用，光纤通道提供了一组在航空电子环境中应用的协议子集FC-AE(fiber channel avionics environment)，它规范了民用和军用航空光纤通道交换网络与环路拓扑连接设备的选择，FC—AE基于匿名签署消息(ASM)的上层映射FC-AE-ASM，具有消息传输安全、低延时的特点，适用于航空电子中处理器与传感器和显示器之间的通信。因此，FC已成为新一代先进综合式航空电子网络互连的首选方案。

为了保证FC产品能够满足机载应用要求，为FC产品提供测试、试验的平台，设计可靠、高效的机载FC设备的测试设备十分必要。FC子卡是广泛应用在航电系统中的一种FC产品，FC子卡实现了FC节点机的功能，负责为FC网络中各个节点提供FC通信连接等功能，为多种应用数据提供通信支撑。

文章针对被测设备的特点，提出了一种基于PCIE接口的多FC子卡的测试设备的设计方法，采用PowerPC处理器的PCIE接口，通过PCIE交换扩展多路PCIE总线，从而一次可以进行多个FC子卡的试验测试，经过验证该测试设备通信稳定可靠，具有较高的实用性、通用性和扩展性。

1 多FC子卡测试设备总体结构

1.1 被测对象分析

FC子卡是嵌入式的FC节点机，作为航电子系统接入FC网络的接口，一方面具备与航空电子系统设备进行信息交互的接口，即FC接口，支持FC—PI、Fc—FS和FC—AE—AsM协议，FC接口链路速率2.125Gbps。另一方面拥有与处理器进行数据交互的接口，从而可以将网络上的数据提交给应用，也可以将应用的数据发送到网络上。因此设计测试设备时主要从以上两个方面考虑。

考虑到结构和速率等要求，FC子卡采用X4PCIE主机接口，工作频率为2.5Gb/s，使用标准的XMC结构。由FGPA、配置电路、RS232接口、FLASH接口、时钟电路、复位电路、电源电路组成，FPGA用于实现FC接口、PCIE接口及片上处理器，硬件框图如图1所示。FC子卡主要实现了FC—AE—ASM通信、时间同步、网络管理等功能，保证航电数椐传输的完整性和可靠性。

1.2 测试设备设计

多FC子卡测试设备设计时需要从以下几方面考虑：

(1)满足测试产品功能、性能的要求;

(2)考虑在温度冲击、湿热等恶劣的试验环境下使用;

(3)考虑一次试验中尽可能多的测试被测设备，提高资源利用率和试验效率。

由于FC子卡对外主要的接口为PCIE接口和FC接口，因此设计时必须通过以上两个接口对设备进行访问和测试。对于PCIE接口，使用具有PCIE接口的PowerPC处理器模块，且该模块需要具备以太网、FLASH、SRAM、串口等必备的外围接口，从而可以在其上进行软件开发和调测。同时为了一次测试多个FC子卡，需要使用PCIE交换扩展多路PCIE总线。对于FC接口，FC子卡使用FPGA进行实现，输出FC电信号。为了测试FC协议符合性、功能及性能等一系列内容，连接外部测试设备，将电信号转换为光信号，需要设计转接板，一方面通过PCIE接口连接母板和FC子卡，另一方面通过光电转换电路将FC电信号和光信号进行转换。

为了满足高带宽、通用性和恶劣的试验环境下使用，采用3U VPX结构设计，通过母板和转接板连接主机和子卡。测试设备的总体框架如图1所示。

图2多FC子卡测试设备总体框架

2 关键技术研究

多FC子卡测试设备设计的关键点在于PCIE交换和PCIE配置，下面就PCIE交换的选择和PCIE配置的机制进行描述。

2.1 PCIE交换

选择PCIE交换芯片时，需考虑两点，首先根据系统需求和上行和下行端口连接的PCIE设备的线宽、速率、数目等要求，选择合适的配置，其次选择PCIE交换为透明桥还是非透明桥，一般在单处理器系统中使用透明桥，在进行多个处理器系统连接时采用非透明桥。

2.2 PCIE总线配置机制

PCIE和PCI环境一样，各种设备都要连接在树形总线上，包含一种或多种功能，该设计中FC子卡为单功能设备。当系统首次启动时，只有处理器中根联合体(RC)中的总线0才有编号，其他总线还有待发现。配置软件使用深度优先搜索算法扫描PCIE总线树上的所有PCIE设备，并以此分配总线号和存储器地址空间。

对于RC或者PCIE交换使用Type1配置头，必须初始化主总线(Primary Bus Number)、二级总线(Secondary Bus Number)和从总线(Subordinate BusNumber)寄存器，主总线为RC或者桥上游的总线，二级总线为下游的总线，从总线是从