基于FPGA的Fibre-channel协议数字逻辑设计与实现

摘要

随着大数据时代的来临，海量数据的传输和存储对互联通信方式提出了传输速率更高，带宽更大，传输方式更便捷更安全等要求。基于高速互联传输的总线技术已经发展成为多种类，多速率方式。光纤通道技术凭借超高速的传输速率（最高可达到10Gbps的传输速率），良好的抗干扰性能，稳定的传输质量等特点成为高速互联领域研究的热点。
　　论文通过对当前光纤通道技术发展的研究，以及对高速数据传输需求的分析，选择了光纤通道技术第三类服务作为本文的设计对象。在详细分析光纤通道协议体系结构的基础上，结合可编程逻辑器件（FPGA芯片）架构灵活、适合进行高速总线开发的特点，提出了在ALTERA Stratix IV芯片中进行Fibre-channel协议设计的方案。Fibre-channel协议的逻辑设计全部采用Verilog硬件描述语言完成，论文详细阐述了FC-0层，FC-1层，FC-2层的功能设计与实现过程，完成了最高8.5Gbps的数据传输指标，并支持点到点拓扑的第三类服务。本文的主要设计内容包括：（1）通过设计SFP+光模块和Stratix IV中的高速串行收发器实现FC-0层功能，将高速串行的光纤链路数据转变成40bit的低速并行的通路数据；（2）通过设计8B/10B编解码、传输字边界对齐、同步状态机和端口状态机，实现对原语数据的对齐操作，并将对齐的数据送入同步状态机完成同步检测，同步原语数据送入端口状态机进行链路状态的推进，直至实现光纤链路的激活，完成FC-1层规定的功能；（3）当链路实现激活之后，论文通过帧发送状态机设计，将数据按照标准的帧格式进行组装和发送，实现FC-2层中帧的发送和接收；（4）通过设计链路扩展服务数据帧的交互来实现双方端口的通信参数协商，在FC-2层实现架构登录，端口登录，进程登录和端口注销等设计；（5）基于缓冲区到缓冲区的流量控制策略设计，实现对帧接收和帧发送的控制，完成对整个通信状态的控制。
　　论文最后对光纤通道系统的各个模块进行了相应的仿真和测试，测试包括了板级时域信号测试和各模块的逻辑测试。论文通过对高速收发器的初始化、端口状态机交互、帧合成与帧传输、架构登录、端口登录、进程登录等几个过程的测试结果进行分析，验证了光纤链路的激活、登录与注册状态、流量控制策略等设计达到了指标要求。

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第一章 引言

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容及章节安排

第二章 光纤通道协议概述及系统设计方案

2.1 光纤通道协议的体系层级

2.2 光纤通道的拓扑和端口

2.3 光纤通道的服务类型和交互类型

2.4 设计指标要求与设计方案

2.5 本章小结

第三章 光纤通道协议的FC-0/1层设计

3.1 FC-0/1层设计路线及硬件平台介绍

3.2 高速数据接收与恢复设计

3.3 数据编解码与对齐设计

3.4 链路激活设计

3.5 本章小结

第四章 光纤通道协议的FC-2层设计

4.1 帧结构和帧参数解析

4.2 登录和注销设计

4.3 服务帧设计

4. 4 流量控制设计

4.5 本章小结

第五章 仿真与测试

5.1 开发环境及实验平台介绍

5.2 端口收发数据测试

5.3 链路交互以及激活测试

5.4 帧发送与帧接收测试

5.5 登录测试

5.6 数据传输测试

5.7 本章小结

第六章 总结

致谢

参考文献

附录

攻硕硕士期间的研究成果