一种基于PC机环境下FC监控卡的设计 |
| 2012-08-15 10:26 作者：李健 郭芸 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网8月15日消息 《硅谷》杂志2012年第13期刊文称，FC网络具有传输速率高、传输距离远、误码率低、实时性强、可扩展性好等优点，为高速通信网络提供理想的解决方案。随着FC网络的应用领域越来越广泛，要求也随之提高。针对当前航空电子系统中FC网络仿真验证的需求，以FC-AE-ASM协议、FC-ELS协议为基础，在深入分析FC网络数据的特性，提出一种基于PC环境下的，可满足航空电子系统要求的监控卡设计思想，并最终完成FC监控卡的设计与实现。为FC网络技术的仿真和验证提供有力的依据。
随着计算机技术的飞速发展，其对高速数据通信的需求也日益增长。高性能的计算机已经越来越依赖于数据通信。1998年，美国国家标准委员会（ANSI）成立了X3.T11研究小组，研究用于连接工作站、大型机、巨型机、存储设备、显示器以及其它IO设备的高速串行数据传输协议，形成了一个光纤通道标准协议簇。在军用领域，美国国家标准委员会成立了航空电子环境分委员会，来研究专门用于航空电子环境的FC协议。
航空电子系统已经被认为是飞机上最为重要和复杂的系统之一，是现代飞机的神经中枢，先进的航空电子系统对于实现现代飞行器的功能及性能、提高飞机的作战和生存能力，起着决定性的作用。本文介绍了一种基于PC环境下的FC监控卡的设计及其工作原理。
1研制背景
航空电子系统综合程度越来越高，系统规模越来越大，系统结构也越来越复杂，对网络的要求也随之提高。不仅对网络的性能要求更高，而且对网络协议的分析、故障的定位等功能提出新的挑战。在这种背景下，FC监控卡应运而生。FC监控卡应用于地面实验室环境下，可以捕获FC网络上的数据，为FC网络的分析验证提供依据。
2系统设计
FC监控卡包括硬件设计和软件设计两部分，其系统结构如图1所示。
图1FC监控卡系统结构
FC监控卡在设计初期，旨在用于实验室环境下，选择运行环境为PC机环境。考虑到FC网络的高传输速率和实时性的要求，选择PCIe接口作为FC监控卡与PC机之间的接口，同时也可以增加模块的通用性。在FC监控卡硬件方面，选择具备FPGA为核心进行搭建。该FPGA具备PCIe硬核和多路RocketIO接口，用以实现FC接口和PCIe接口。外围电路包括电源电路、时钟电路、复位电路、存储器和光电转换模块，协同FPGA共同组成FC监控卡的硬件电路。其系统硬件结构如图2所示。
图2FC监控卡硬件结构
在硬件设计中，高速信号的设计是一个重点，也是难点。高速串行I/O对时钟和电源要求比较高，需要精准的差分时钟和具有良好纹波特性的电源模块。在设计复位电路时，需要考虑复位与FPGA配置加载之间的关系。
3软件设计
FC监控卡的软件主要包括Windows驱动软件和FC监控卡驱动软件两部分。
Windows驱动软件是基于Windows内核所开发的设备驱动程序，能够基于Windows内核提供通信接口，为FC监控卡在PC环境下工作提供支撑。Windows驱动软件采用WDK（WindowsDriverKits）开发，能够运行于Windows2000和WindowsXP。Windows驱动软件具体分为两部分：动态库和设备驱动程序。其中动态库主要功能为：提供具体接口函数供程序调用，接口包括设备寄存器的访问、中断的处理、资源的申请/释放以及设备驱动的安装/卸载；接口支持对寄存器以8位、16位以及32位方式进行访问；中断的处理则通过回调函数的方式处理，在硬件中断后调用回调函数。设备驱动程序运行于内核层，直接控制硬件；动态库和设备驱动程序之间通过Win32API进行通信。Windows驱动软件支持设备驱动安装/卸载功能。
FC监控卡驱动软件运行于Windows平台之上，采用VC++开发。为主机提供设备管理、监控管理及中断处理控制API接口，用户可基于该接口实现对设备资源的访问和控制、为用户提供整套基于FC的监控管理功能，满足航电系统应用要求。设备管理主要实现对设备硬件接口以及通用功能的管理，其中包括设备打开、设备关闭、设备使能、检测设备状态以及挂接用户中断例程等功能。监控管理主要实现对监控卡监控功能的控制，包括监控参数配置、挂接消息接收中断处理例程以及监控功能的使能和禁止功能。
在航电系统中，不同用户所关心FC网络上的数据特性也不尽相同。用户的应用程序可以基于FC监控卡驱动软件所提供的标准API函数开发，以满足不同用户的需求。
4测试验证
FC监控卡作为FC网络上的监控设备，需要能够保证提供准确和有效的数据，否则会影响FC网络数据的分析和故障的定位。所以必须对FC监控卡进行充分的验证测试。
FC监控卡主要包含两部分测试，分别为API函数测试和功能测试。其中API函数测试，主要测试为用户提供标准API函数的正确性。功能测试包括邮箱寄存器测试、信息交互区测试、监控带宽测试、ELS帧收发测试、正常帧监控测试和错误帧监控测试。其中监控带宽比较重要，其代表了监控卡的最大接收效率。如果监控带宽比较低，当网络数据流量比较大时，则会出现丢帧现象。本文所设计的FC监控卡经测试，监控带宽达到线速80%以上，满足用户的要求。进行正常帧监控测试时，通过标准测试设备连续的发送FC帧数据来测试FC监控卡监控功能的稳定性和可靠性。错误帧监控测试，主要测试FC监控卡能否正确识别所接收到的错误帧。FC监控卡支持点到点网络拓扑和交换网络拓扑结构，通过在两种网络拓扑结构下进行充分，全面的测试，FC监控卡的功能和性能满足最初的设计要求。
5结束语
本文设计了一种基于PC环境下的FC监控卡，并对监控卡的系统结构、硬件设计和软件设计进行了介绍，最后介绍了FC监控卡的测试验证。FC监控卡经过测试验证，可以在航空电子系统地面试验室环境下使用，为FC网络地面综合联试和分析提供支撑。FC监控卡的设计为FC网络监控分析技术的研究做出了积极的探索。（原文载于《硅谷》杂志2012年第13期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载） |
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