一种基于硬件缓存的大数据量通信的光纤板卡

技术领域

本发明属于数据传输技术领域，尤其涉及一种基于硬件缓存的大数据量通信的光纤板卡。

背景技术

航电系统的结构经历了分立式、联合式、综合式以及先进综合式的发展历程，使得AFDX、1553B 以及ARINC429 等一批主流的现役总线已经不能满足航电系统的要求。新一代的航空电子系统对于航空网络数据总线在通讯链路可靠性、传输带宽、数据传输实时性等方面提出了新的要求。具体要求为：有序调度，系统集中控制，数据传输时序透明；实时传输，通信数据及时处理，传输过程低延迟；可靠交互，超低误码、应答交互；自主维护，网络控制与通信链路余度备份。光纤通道(FC)凭借低延迟、高带宽的优势成为机载航电网络设计的首要选择。因此光纤通讯的板卡作为航电设备数据收发的终端应用越来越成熟。

传统的FC总线板卡在传输数据时，仅需要FPGA逻辑将收取的数据直接通过PCIE总线传送给上位机（即机载的分系统），但对于个别数据量较大的节点且实时性要求不高，因上位机的CPU处理能力、缓存大小和数据流量大的原因，导致传统的方式进行数据传输，会出现数据拥堵，导致数据无法实时的进行传输，大数据量通讯传统的传输方式有以下缺点：

1、大数据量通讯时，由于CPU处理数据的效率及上位机缓存大小的限制，导致通讯过程中由于数据的压力，会发生链路频繁链接和断开的情况，因此，传统的板卡设计方法在大数据量及时效性不高的情况下，越来越令人不可接受。

2、在通讯过程中，大数据量出现反压（即发送数据的流量大于接收数据流量）时，此过程因上位机缓存占满，且发送数据仍要发出，会出现数据丢失的情况，这一点成为传统通讯在面对数据量较大时的又一瓶颈。

3、在大数据量的影响下，因数据接收处理的优先级大于设备中执行的其他业务，会降低所属机载设备CPU处理其他功能的效率，影响设备正常工作，导致无法完成设备在系统中的任务。影响整个系统的正常运转。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于硬件缓存的大数据量通信的光纤板卡，不仅能够保证大数据通讯下链路不出现反压的同时能够避免因数据链较大导致的链路。

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种基于硬件缓存的大数据量通信的光纤板卡，包括FPGA芯片，所述FPGA芯片与DDR3L数据存储芯片相连，将DDR3L数据存储芯片中的数据通过PCIE总线送给上位机，所述FPGA芯片与系统FLASH文件存储芯片、JTAG调试接口、TOLC对外板间连接器接口相连，TOLC对外板间连接器接口通过SPI与连接到FPGA芯片的系统FLASH文件存储芯片相连，所述TOLC对外板间连接器接口与FPGA芯片之间还设有SYNC时钟同步接口及2路FC电接口；当总线有数据接收时，FPGA芯片将数据存入DDR3L数据存储芯片，进行缓存，同时FPGA芯片将DDR3L数据存储芯片中的数据写入上位机的DMA内存中，完成数据接收。

进一步地，所述FPGA芯片还与预留FLASH文件存储芯片相连。

进一步地，所述FPGA芯片与TOLC对外板间连接器接口之间设有用于标识板卡状态的LED指示灯。

进一步地，所述TOLC对外板间连接器接口与FPGA芯片之间还设有用于给FPGA芯片复位延迟的复位芯片。

进一步地，所述DDR3L数据存储芯片为两个，每个DDR3L数据存储芯片数据位宽度为32bit，由两颗DDR3(L)颗粒组成。

进一步地，所述光纤板卡将每个数据缓存节点的控制部分跟数据部分存储在不同的内存区，通过指针互相引用。

进一步地，所述通过指针互相引用具体为数据缓存节点在控制信息前设有一个节点头，定义了双向列表节点需要的指针和互斥信号量，控制信息设有指向DMA数据区的指针；DMA数据区前面也设有一个头，头里面设有指向前面控制信息节点的指针，后面设有保护数据安全的分界区。

本发明的有益效果是：本发明的基于硬件缓存的大数据量通信的光纤板卡不仅能够保证大数据通讯下链路不出现反压的，同时能够避免因数据链较大导致的链路，以便测试人员在测试过程中，能够准确定位问题故障点。

附图说明

图1为本发明的基于硬件缓存的大数据量通信的光纤板卡电路原理示意图；

图2为数据缓存队列示意图。

图中部件：1为FPGA芯片、2为系统FLASH文件存储芯片、3为预留FLASH文件存储芯片、4为JTAG调试接口、5为DDR3L数据存储芯片、6为Pcie驱动器、7为TOLC对外板间连接器接口、8为复位芯片、9为电源模块、10为第一晶振电路、11为第二晶振电路、12为第三晶振电路。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明提供了一种基于硬件缓存的大数据量通信的光纤板卡，如图1所示，包括FPGA芯片1，本发明的光纤板卡通过FPGA芯片1实现FC协议处理和PCI-E标准主机接口两个功能，FPGA芯片1用于程序的加载与运行，实现总线通讯。具体地，本发明所述的FPGA芯片1具体型号为XC7A100T-2FGG676I。FPGA芯片1主要完成FC MAC、FC帧收发控制、FC-AE-ASM协议处理及主机接口等工作。所述FPGA芯片1与DDR3L数据存储芯片5相连，将DDR3L数据存储芯片5中的数据通过PCIE总线送给上位机，本发明的光纤板卡能够提供PCIe通信接口，接口规格为PCIe 1.0 4x，用于实现板卡和处理器之间的通信。所述FPGA芯片1与系统FLASH文件存储芯片2相连、用于数据存储，所述FPGA芯片1与JTAG调试接口4连接，以便后续进行数据收发统计信息的确认。所述FPGA芯片1通过Pcie驱动器6与TOLC对外板间连接器接口7相连，用于连接外部设备，具体地，TOLC对外板间连接器型号为CTOLC-120-02-L-Q-A。TOLC对外板间连接器接口7通过SPI与连接到FPGA芯片1的系统FLASH文件存储芯片2相连，用于将外部设备存储至系统FLASH文件存储芯片2。所述TOLC对外板间连接器接口7与FPGA芯片1之间还设有SYNC时钟同步接口及2路FC电接口，本发明的光纤板卡能够提供FC通信接口，用于连接机载设备光模块，实现对外的FC通信，FC通信速率支持1.0625Gbps、2.125Gbps及4.25Gbps。当总线有数据接收时，FPGA芯片1将数据存入DDR3L数据存储芯片5，进行缓存，同时FPGA芯片1将DDR3L数据存储芯片5中的数据写入上位机的DMA内存中，完成数据接收。所述FPGA芯片1还与预留FLASH文件存储芯片3相连。所述FPGA芯片1与TOLC对外板间连接器接口7之间设有用于标识板卡状态的LED指示灯。所述TOLC对外板间连接器接口7与FPGA芯片1之间还设有用于给FPGA芯片1复位延迟的复位芯片8。本发明的基于硬件缓存的大数据量通信的光纤板卡对外采用DC +5V±5%通过电源模块9进行供电。所述FPGA芯片1还与212.5M的第一晶振电路10即FC参考时钟晶振电路、66M的第二晶振电路11即时钟晶振电路、200M的第三晶振电路12即预留晶振电路连接。

以下为本发明FPGA芯片1的基本性能参数指标：

a) 可编程逻辑资源（LUTs）达到100K个，可配置逻辑块（CLBs）达到15K个；

b)Block RAM最大达到4Mb以上；

c) 内嵌2或以上时钟管理单元（CMTs）；

d)8路高速收发器，支持最高收发速度6.25Gbps以上；满足技术协议要求的FC最高2.125Gbps和PCIe最高2.5Gbps的速率；

e) 内部集成PCIe模块，可以支持x4，Gen2；满足技术协议要求的PCIe x4，Gen1.1；

f) 多个IO Bank，提供最多300个用户IO。

进一步地，本发明的DDR3L数据存储芯片5具有2个，选用镁光型号为MT41K128M16JT-125的DDR3(L)存储器芯片，其主要特点如下：

a) 每个DDR3(L)控制器数据位宽度为32bit，由2颗DDR3(L)颗粒组成；

b)每颗DDR3(L)颗粒存储容量为2Gbit，即256MB，每个控制器2颗颗粒容量为512MB；

c) DDR3(L)颗粒最高数据速率为1600MT/s，即主频800MHz。

所述光纤板卡将每个数据缓存节点的控制部分跟数据部分存储在不同的内存区，通过指针互相引用，如图2所示，具体为数据缓存节点（HBA Device Buffer）在控制信息前设有一个节点头，定义了双向列表节点需要的指针和互斥信号量，控制信息设有指向DMA数据区的指针；DMA数据区前面也设有一个头，头里面设有指向前面控制信息节点的指针，后面设有保护数据安全的分界区。分界区的设置对于数据区访问越界的情况有一定的容错保护，另外如果在分界区内填写特定的数据，可以对越界访问进行判断。

本发明基于硬件缓存的大数据量通信的光纤板卡使用时，设备上电后系统启动，首先进行初始化操作，首先驱动扫描FPGA芯片1，确认FPGA芯片1的状态及逻辑软件运行的状态，扫描成功后驱动将初始化一些列操作通过PCIE下发给FPGA芯片1，使FPGA芯片1进入正常的工作状态，当总线有数据接收时，首先FPGA芯片1将数据线存入DDR3L数据存储芯片5，进行缓存，同时FPGA芯片1将DDR3L数据存储芯片5中的数据写入上位机的DMA内存中，完成数据接收。

本发明的基于硬件缓存的大数据量通信的光纤板卡特点如下：

a) FPGA实现支持FC-PI、FC-FS、FC-AE-ASM协议；

b)光纤板卡支持双余度光纤电接口；

c) 外部网络链接支持点到点结构；

d)FPGA实现支持3类FC光纤通道服务；

e) 光纤板卡支持全双工通信，收发采用独立的FC通道；

f) FPGA采用B2B流控机制，最大支持8个信用；

g) 支持板卡分别设置发送缓冲区和接收缓冲区，共512MB，其中发送缓冲区为256MB、接收缓冲区为256MB，均采用DDR3L内存实现，内存总线宽度至少32位、主频至少400MHz。

本发明的基于硬件缓存的大数据量通信的光纤板卡还可以具备在线检测硬件状态的功能，包括工作电压、工作温度信息等。采用模块化设计，对外接口只有一个连接器，连接简便，所以元器件的维修工作就是更换整个板卡。

本发明的基于硬件缓存的大数据量通信的光纤板卡只控制数字信号，整个PCB板只有小电流和电压的信号，并且整个产品的功率较小，所以不会引起相关人员及设备的安全问题，产品无易燃、易爆、有毒性原材料，所以本发明的光纤板卡不会造成重大的安全事故。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员对上述实施例进行改动、修改、替换和变型均属于本发明的范围内。