摘要：本文通过FPGA，在K7系列硬件平台上，研究了实现高速光纤通道物理层测试方法，并阐述了实现该协议方法的具体方案和技术细节，而且还通过测试对该方法协议进行了验证，设计方法具有一定的灵活性，使得光纤通道网络存储设备物理层接口的兼容性、适应性得到了提高。
关键词：光纤通道；测试；网络存储；FPGA；物理层
引言
电子商务、互联网等行业的兴起，需要建设大规模的数据中心，以及对数据存储业务需求的也越来越高，因此存储区域网络（Storage Area Network，SAN）成为当下研究的热点，其应用范围也越来越广。存储区域网络是以网络为中心，通过特定网络相互连接客户端、服务器、存储系统的，从而组建出依托于存储区域网络技术的系统。当前广泛应用的存储区域网络运用的技术包括基于TCP/IP协议的互联网小型计算机系统接口（ISCSI）技术、光纤通道（Fiber Channel）技术。光纤通道技术系统（FC-SAN）的运作方式是由光纤通道网络对客户端、服务器、存储系统相互连接，这种网络存储技术不但实现了远距离互相连接和更高的传输带宽，而且大大提高了传输速率，已经由1Gb/s 提高到8Gb/s，实现了数据传输的可靠性、网络流量的可控性以及数据的可扩展、高适用性、持续性访问等[1]。
光纤通道技术系统（FC-SAN）由FC-0、FC-1、FC-2、FC-3、FC-4的5 层协议组成。本文重点研究的是物理层，即电气子层FC-0和编码子层FC-1的组合[2]，结合合适的硬件平台以及FPGA 逻辑设计，从而实现 4Gb/s的FC的物理层通信协议。
1 实现方案简述
光纤通道通信协议复杂、传输速率高的特点决定了协议芯片只能采用专用的，或是硬件方式采用可编程逻辑器件（FPGA）[3]。本文采用Xilinx的Kintex7 系列芯片，其特点是芯片成本低廉，单GTX支持的速率高，内部集成的高速收发器数量多，是在FPGA上实现4Gb/s FC物理层协议的核心器件。该方式很好的解决了 FC 产品稳定性、可靠性、可兼容的问题，进一步提升了产品的性价比。
2 GTX 工作原理
GTX 收发器的结构包括物理媒介子层（PMA）和物理编码子层（PCS）。在发送方向，发送端接口将数据发送到8B/10B 编码器，经过编码以后，然后输出到相位调整缓存器及并/串转换器，并/串转换器并将其同步于发送时钟传送到发送器。在接收方向，由GTX接收器接收串行差分数据，然后时钟电路恢复时钟信号，数据流再经过串/并转换器，进行帧定位检测及对齐，传送到8B/10B解码器和弹性缓冲器进行时钟校准及通道绑定，最后将数据输出到接收端接口。
3 FC 物理层设计实现
3.1 硬件调试准备
硬件调试要根据 FPGA手册标准，检查PCB设计和原理图。如针对K7芯片收发器接口，首先根据 UG476手册检查PCB设计和原理图，然后用示波器实际测量硬件电路，确认工作环境正常[4]。最后，检测物理通道，如确认AC耦合电容容值，光模块兼容性，焊接情况、锁相环时钟的锁定情况、时钟频率、时钟源的选择情况等。
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3.2 GTX模块配置和通道测试
进行GTX模块的配置，首先设置GTX模块的接收和发送数据模式，选择伪随机二进制序列（PRBS-31），SERDES选择PMA近端环回（Near-endPMA）模式。然后配置GTX模块为PMA远端环回（Far-endPMA）和PCS远端环回（Far-endPCS）模式，排除和时钟偏移的问题，确保数据能在远端设备正常收发。最后，还需要调整GTX的参数，进一步解决通道误码率偏差问题。
3.3 高速 FC 接口配置和具体调试
为实现4Gb/s的FC接口配置，首先设置FPGA通信线路速率为4.25Gb/s，输入时钟为106.25MHz，选择收发器X0Y0和X0Y1。然后，采用8B/10B编码方案，设置数据收、发接口的位宽为32位，打开数据收、发缓存使能开关，设置数据收、发逻辑的工作时钟为正常模式。最后，帧定位标识符选择K28.5（0xBC），打开“正向定位（PlusComma）”及“反向定位（MinusComma）”使能开关，设置对齐方式为4字节边界对齐。
进行FC接口调试，首先测试PCS近端环回（Near-endPCS）模式，确定SERDES信号及复位正常，确认时钟频率。然后，测试PMA近端环回（Near-endPMA）模式，确认恢复时钟正常，检查8B/10B状态及帧定位符的对齐方式。最后，检测整个接口的操作，确认电路的工作状态。
3.4 高速 FC 物理层逻辑设计
FC-0层和FC-1层构成FC物理层。首先，处于光收发模块的高速差分电信号通过FC-0层转换成80位宽的FC帧流，然后传输到FC-1层。处理过程中，收发时钟域转换、高速信号收发同步进行[5]。其次，40位数据由FC-1层通过8B/10B被解码为32位数据。处理过程中，特征字提取、传输字对齐、跨时钟域8B/10B编码、解码等同步进行。
4 测试验证
数据发生源和接收端用存储网络测试设备，连接光纤与目标系统，捕获和分析双向数据。根据捕获数据，可以准确判断以FPGA为基础实现的 FC物理层的建链、协商及数据包收发 /解析情况。同时存储网络测试设备搭载各类型硬件模块，分析各种协议，完成SAS/SATA 流量生成、高级分析、误码率测试、光纤通道压力测试、干扰等测试功能。
5 结束语
通过 FPGA，在 Xilinx 的 Kintex7硬件平台上实现了高速 FC 物理层通信协议，并对 FPGA 内嵌的 GTX 模块和高速 FC接口进行了配置和调试，对实现的 FC 物理层接口，通过专用测试设备进行了充分验证，保证了的稳定性和兼容性。本文的设计充分利用 FPGA设计灵活、开发周期短、易于修改的特点，研究出了兼容性较强、性价比较高的解决方案，对FPGA 实现高速 FC物理层通信协议有一定的参考价值。
参考文献：
[1] 赵文辉，徐俊，周加林等.网络存储技术[M].北京：清华大学出版社，2005.
[2] 彭建荣.网络存储技术及其发展趋势[J].计算机与现代化，2007，1（7）：66-68.
[3] 许里，冯国仕，李璞.光纤通道接口通用驱动程序设计与实现[J].通信技术，2014，1（11）：21-22.
[4] 刘达，龚建荣.基于ISE系统的FPGA设计与实现[J].微电子技术，2003，1（2）：43-44.
[5] 赵文虎，王志功，费瑞霞等.基于逻辑设计的光纤通信8B/10B编码方法研究[J].电路与系统学报，2003，8（2）：48-49.
论文作者:刘钊,袁野
论文发表刊物:《电力设备》2018年第1期
论文发表时间:2018/6/4
标签：时钟论文; 光纤论文; 通道论文; 物理层论文; 数据论文; 接口论文; 测试论文; 《电力设备》2018年第1期论文;