第一章 引言
1.1 研究背景及意义
随着越来越多的数字航空系统被综合集成，一方面，来自系统外的电磁干扰、飞机表面和内部的静电放射以及闪电、电磁脉冲等对电传输的数据总线系统性能的影响越来越严重。另一方面，采用屏蔽双绞线为传输媒质的由美国国防部制定的第三代军用数据总线标准 MIL-STD-1553 机载总线的数据传输率只有 1 Mb/s，远远不能满足当今航空电子系统高速数据传输的要求。因此在传输带宽、数据延迟、传输介质、传输距离、可靠性等方面都具有更加良好特性的光纤通道应势而生，成为未来综合式航空电子系统发展的最佳选择。光纤通道协议（FC）是由美国国家标准委员会 ANSIX3T11 小组制定的一簇计算机通信协议。为了适应航空电子环境的应用，光纤通道提供了一组协议子集——航空电子光纤通道协议（fiber channel avionics environment，简称为 FC-AE[2]）。主要包括五个部分：无签名的匿名消息传输（ASM）、MIL-STD-1553 高层协议、虚拟借口（VI）、FC 轻量协议（FCLP）、远程直接存储器访问协议（RDMA）。每一部分都支持一个或多个高层协议和拓扑结构，能共同使用且实现实时光纤通道网络特征，具备了支持不同航空电子系统需求的网络能力[3]。
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1.2 国内外研究现状
国际上，作为技术风向标的美国已经将光纤通道数据总线作为第四代军用数据总线并大量成功应用在美军的 AWACS, B-1B, F/A-18, V-22,AH64,RAH-66 等航空电子设备更新及改型设计上。许多国外公司和研究机构也都参与 FC-AE 标准，开发出了光纤通道网络适配卡、存储设备、路由器以及相关的测试设备：如 DDC 公司推出的 FC-75000FibreACCESS 系列光纤通道网络适配控制器和 FC-76000 FibreMATRIX 系列光纤通道交换机板卡，适用于军用航空环境, 支持 2 型和 3 型的链路服务，包括广播传输和多点传输，传输速率为 1/2 Gbps[4][5]。然而，国内的 FC 技术仍基本停留在使用国外的接口设备直接组建民用光纤网络上。近年来对于光纤通道应用的研究已经成为一个热点，受到国内越来越多的高校和研究所的关注，但大部分研究都集中在了如何使用 FC 构建更高性能的存储区域网络上，涉及在航空电子中应用的研究还不多。
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第二章 光纤通道协议解析
2.1 分层模型
光纤通道协议具有分层的结构[6][7]，如图 2-1 所示。FC-0、FC-1 和 FC-2 层组成了光纤通道的物理和信号接口（简称为 FC-PH）。
FC-4：协议映射层，定义了光纤通道的应用接口。光纤通道支持许多上层协议，例如 VIA、SCSI、IPv4、IPv6、SBCCS 和 ASM 等，在为这些协议进行数据传输时，要首先将待发送数据映射成光纤通道信息数据单元规定格式，然后再将其交给 FC-2 层进行传输。
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2.2 拓扑结构
光纤通道的每个节点上的一个或多个与光纤通道网络互联的设备统称为端口，端口因连接方式的不同分为不同类型：节点设备上的端口称为 N_port；交换机上的端口称为 F_port；与仲裁环相连的端口为称 L_port。每个端口都由一个 3 bit大小的端口识别符Name_Identifier 来识别。光纤通道定义了三种基本的拓扑结构：点到点（Point-to-Point），交换式（Fabric）和仲裁环（Arbitrated Loop）。
（1）点到点拓扑结构
点到点是三种拓扑结构中最基本也是最简单的，如图 2-2 所示。点到点通信链路至少要由两个节点组成，每个节点至少有一个端口。两节点之间直接相连，基于该连接方式的数据传输既能够保证确定性又能保证实时性，高带宽，低延迟，可实现全双工通信。
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第三章 FC-AE 接口卡系统设计............................16
3.1 概述 ...............16
3.2 系统硬件设计 ......................... 19
3.3 系统软件设计 .........................31
3.4 软硬件共享寄存器设计 ......................... 41
3.5 开发方法 ...............42
3.6 本章小结 .................. 46
第四章 验证..............47
4.1 模块功能验证 .....................47
4.2 IP 核接口验证...............56
4.3 系统验证 .................. 60
4.4 本章小结 ..................... 63
第四章 验证
4.1 模块功能验证
这一粒度层次主要是验证光纤通道 IP 核内部各模块功能是否正确，模块之间是否可以正常通信，整个光纤通道 IP 核的数据收发功能是否能够正确实现。在编写 testbench 时，有针对性地通过例化帧发送模块、发送通道和端口状态机模块来验证帧级别的数据发送功能；通过例化帧接收模块、接收通道和端口状态机模块来验证帧级别的数据接收功能。
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第五章 总结
5.1 工作总结
基于对光纤通道协议簇的深入解析，本文针对光纤通道协议在航空电子环境下的应用，采用 SOPC 软硬件协同设计方法，对 FC-AE 接口卡系统进行了软硬件设计及验证，可以达到预期目标。现将主要工作总结如下：
（1）对光纤通道协议族进行了研究，其中着重对 FC-AE、FC-FS、FC-LS、FC-AL、FC-PH 重要协议标准进行了深入解析。
（2）对 FC-AE 接口卡系统软硬件协同工作流程进行了描述，并对软硬件共享寄存器组进行了阐述。
（3）以模块化的设计思路将系统硬件部分划分为以下几个模块：帧发送模块、发送通道模块、帧接收模块、接收通道模块、环/端口状态机模块。并明确了各模块之间的调用关系。
（4）在 EDK 中通过 IPIF 接口协议模块将光纤通道接口卡硬件逻辑以 IP 核的形式挂载到 PLB 总线上，实现与嵌入式处理器间的通信。
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参考文献（略）