基于FPGA的BIade Server与主板之间PCI数据交换

新一代机架式服务器Blade Server（刀片服务器），应用iSCSI协议，通过TCP/IP实现网络存储，利用Intemet,可将SCSI数据包传到地球上的任何地方。
笔者着眼于刀片服务器的内部构架和整体方案的介绍，主要论述了基于FPGA的刀片与主板之间PCI数据交换的具体实现方法。

1 刀片服务器系统构架

刀片服务器是一种HAHD（High Availability High Density,高可用高密度）的低成本服务器平台，是专门为特殊应用行业和高密度计算机环境设计的。每一块刀片均由"系统服务器主板+控制板"组成，可以远程启动Windows NT/2000、Linux、Solaris等操作系统。类似于独立的服务器，每块刀片可以没有独立硬盘来存储数据，而是多个刀片共享一个Raid磁盘阵列。在该模式下，每个刀片运行自己的系统，服务于用户指定的不同用户群，相互之间没有关联，不过也可以通过系统软件将这些刀片集合成一个服务器集群，在集群模式下，所有的刀片连接起来提供高速网络环境，实现资源共享，为相同的用户群服务。用户若需提高整体性能，只需在集群中插入新的刀片即可。刀片可热插拔，替换便捷，且维护时间减到最小。
机架中的服务器（刀片）可以通过智能KVM转换板共享一套键盘、显示器和鼠标，以访问多台服务器（刀片），从而便于进行升级、维护和访问服务器上的文件。单个刀片通过PCI总线连接至主板，刀片中据的传输和交换，均通过该通道进行，刀片的实际组成如图1所示。

 

图1 刀片组成示意图

刀片在单机架系统中的位置如图2所示。

 

图2 刀片系统结构

在单机架系统中，用户交换机与Blade通过RJ45的千兆网接口进行连接，用户经用户交换机接入Blade服务器进行数据交换，可以在全球任何地方，由Intemet接入到用户交换机。集中控制单元具有网络端口等PC常用输出端口；分散控制单元（DMU）通过CompactPCI与Blade进行通信；通过232串口与集中控制中心（SMU）进行通信。DMU和SMU共同完成KVM的切换和采集Blade状态功能。
由于每个Blade没有单独的硬盘，所有Blade的启动都是通过目标服务器远程启动，并完成配置以及启动Raid中预装的操作系统，同时通过DHCPD（动态分配IP地址）、ADSS、iSCSI为每个Blade分配使用Raid磁盘阵列空间。也即每个Blade都是通过网络接口启动系统，所以网络配置要先于操作系统引导前完成初始化和驱动装载。

2 PCI局部总线概述

PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。PCI总线也支持总线主控技术，允许智能设备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送。
通用PCI2.2接口信号如图3所示。在图3左半部分为必要信号，任选信号列于右边。其中信号名称右边加一个"#"符号表示是低电平有效，未加"#"符号的是高电平有效。根据信号的功能划分，可分为系统信号组、地址数据组、接口控制组、仲裁管理组、错误测试组、中断功能组、Cache支持组以及其他功能组。

图3 PCI局部总线引脚图

3 基于FPGA的PCI数据交换实现

通常PC都是采用本地硬盘来引导操作系统，完成设备的驱动，Blade则通过网络启动系统，所以网络配置要先于操作系统引导，并完成初始化和驱动装载。为了解决这个难点，我们采用"PCI+FPGA+Flash"结构，在Flash中烧录双端口千兆网卡PCI设备的初始化和驱动装载程序，由CPU在系统上电时加载Flash中的程序到系统内存。由于数据传输是PCI总线，而Flash是标准的数据总线，这就存在数据总线转换的问题，问题解决的方案是通过FPGA完成PCI设备与Flash之间的通信，下面将详细介绍如何利用FPGA来完成PCI接口和Flash之间的通信。

3.1 FPGA系统逻辑与实现

整个FPGA系统设计基于PCI2.2从设备设计思想，PCI主设备为PCI桥芯片，用FPGA来完成PCI从设备功能，终端为Flash芯片。在FPGA系统中，PCI总线接口部分的设计参数为：PCI时钟为33 MHz（CLK），32位I/O接口（AD[310]），终端接口可以提供20位或32位数据线。PCI主设备与终端Flash间的通信采用PCI从设备（FPGA）来实现的。在FPGA的逻辑设计中，终端是兼有Memory空间和I/O空间的抽象设备，在实际的设计中终端Flash,只有对应的memory空间。
根据FPGA的模块设计思想，采用Verilog语言将整个系统按功能进行分块设计，每个模块的输出可以为其他功能模块提供输入，各模块功能和设计思想如下：
"PCI顶层模块"是系统顶层模块，完成系统端口各使能开关的定义和调用其他5个功能模块。
"配置模块"完成PCI从设备配置寄存器的设置。
"基址模块"实现两个功能：1）配置I/O空间和存储空间（memory空间）的基地址；2）告知PCI从设备状态机（The State Machine）。
"状态机模块"是整个设计的核心，控制PCI主设备到终端的所有数据传输。在PCI地址传送阶段，通过采样C/BE[30]和IDSEL来决定是配置读写、存储空间读写还是I/O空间读写。
"校验模块"对AD[310]和C/BE[30]#信号作奇偶校验，以保证数据的有效性。
"重入模块"若PCI从设备进行一个读写操作，则必须在6个时钟周期内（定义PCI从设备为slow=10 b,慢速设备）使能DEVSEL.若PCI从设备进行数据传送（已经使能DEVSEL），终端在9个时钟周期内没有使能READY#,则将告知："The State Machine模块",终端暂时中止当前的数据传送，直到传送条件满足后，才重新启动数据传送。