文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.028
中文引用格式： 閆夢婷，安軍社，龔泉銘. 基于RMAP機(jī)制的SpaceWire星載高速總線設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(1)：108-110，114.
英文引用格式： Yan Mengting，An Junshe，Gong Quanming. Design and implement of SpaceWire on-board high speed bus based on RMAP protocol[J].Application of Electronic Technique，2016，42(1)：108-110，114.
0 引言
SpaceWire高速總線標(biāo)準(zhǔn)是ESA（European Space Agency）于2003年正式通過的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。ESA基于IEEE 1355-1995和IEEE 1596.3(LVDS)兩個商用總線標(biāo)準(zhǔn)，并且根據(jù)航天應(yīng)用的特點(diǎn)，在可靠性、功耗等方面進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了一種串行、高速、點(diǎn)對點(diǎn)、全雙工的專用于空間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)提供了一種統(tǒng)一用來連接傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、大容量存儲器的基礎(chǔ)架構(gòu)，具有很好的EMC特性，并且在錯誤檢測、異常處理、故障保護(hù)和故障恢復(fù)及時間確定性方面也做了相應(yīng)加強(qiáng)。使得SpaceWire能夠滿足新一代航天器電子系統(tǒng)對總線結(jié)構(gòu)的性能要求，具有獨(dú)特優(yōu)勢。
SpaceWire由節(jié)點(diǎn)、鏈路和路由3部分組成，在基礎(chǔ)協(xié)議簇中對這3個重要單元進(jìn)行了定義和功能設(shè)計，目前已有成熟的IP核、軟件支持和測試設(shè)備等研究成果，使得SpaceWire應(yīng)用于多個空間任務(wù)中。SpaceWire能夠在物理層和數(shù)據(jù)鏈接層滿足空間航天器中標(biāo)準(zhǔn)化的高速率網(wǎng)絡(luò)交互需求，SpaceWire工作組目前致力于高層協(xié)議的研究，擬定首個SpaceWire高層協(xié)議，即RMAP(Remote Memory Access Protocol)。
國際上擁有SpaceWire協(xié)議IP核產(chǎn)品的公司與科研機(jī)構(gòu)主要包括STAR-dundee和ESA等，相關(guān)產(chǎn)品主要包括Codec和Router IP核，不同型號FPGA的實(shí)現(xiàn)性能則差異明顯，GRSPW2 IP核集成的Codec模塊在Xilinx基于SRAM的Virtex2系列FPGA中實(shí)現(xiàn)的收發(fā)數(shù)據(jù)率可達(dá)200 Mb/s，但在Actel公司的反熔絲RTAX系列FPGA實(shí)現(xiàn)性能僅為100 Mb/s[1]。目前基于flash技術(shù)FPGA可實(shí)現(xiàn)的性能為180 Mb/s，該性能指標(biāo)為ESA的Codec IP核在速度等級為-2的ProASIC3 系列FPGA中的實(shí)現(xiàn)結(jié)果[2]。
目前我國已對SpaceWire開展研究并取得一定成果。文獻(xiàn)[3]完成了SpaceWire鏈路接口IP核和SpaceWire與PCI總線之間的接口卡設(shè)計，SpaceWire鏈路接口工作速度可達(dá)100 Mb/s。文獻(xiàn)[4-5]對SpaceWire在運(yùn)載火箭中的應(yīng)用以及實(shí)時分布式中斷系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]主要對SpaceWire CODEC IP核進(jìn)行了設(shè)計，鏈路速度可達(dá)80 Mb/s。本文在SpaceWire節(jié)點(diǎn)、鏈路和路由3個重要單元的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于RMAP的SpaceWire路由工作機(jī)制。為SpaceWire總線中各節(jié)點(diǎn)間的功能提供了標(biāo)準(zhǔn)化工作機(jī)制。
1 SpaceWire總線整體架構(gòu)設(shè)計
SpaceWire總線網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)、鏈路和路由器三種基本單元組成。SpaceWire節(jié)點(diǎn)是指傳輸包的流出設(shè)備或者流向設(shè)備，一般是處理器、存儲單元、傳感器或連接在SpaceWire網(wǎng)絡(luò)上的其它單元。SpaceWire鏈路是指傳送數(shù)據(jù)包的傳輸路徑，連接在各個節(jié)點(diǎn)之間，數(shù)據(jù)包通過鏈路進(jìn)行傳輸通信。SpaceWire路由則實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)通過鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)交換機(jī)制。本設(shè)計中基于RMAP高層協(xié)議的SpaceWire總線整體架構(gòu)如圖1所示。
圖中節(jié)點(diǎn)(Note)、鏈路(Link)和路由器(Router)是構(gòu)成SpaceWire總線的基本單元。節(jié)點(diǎn)用于連接外接設(shè)備和總線，節(jié)點(diǎn)模塊包括RMAP外設(shè)控制模塊(Ctr_RMAP)和編解碼器模塊(CODEC)。外接設(shè)備數(shù)據(jù)接口連接到節(jié)點(diǎn)中RMAP外設(shè)控制模塊里的FIFO(First-In-First-Out)中，數(shù)據(jù)經(jīng)過RMAP外設(shè)控制模塊處理為符合RMAP傳輸要求的數(shù)據(jù)包后，通過編解碼器進(jìn)行編碼，鏈路傳輸至SpaceWire總線路由器。圖1中內(nèi)部包含8個編解碼器，編解碼器接收到數(shù)據(jù)包后，通過接收模塊(Re_part)進(jìn)行譯碼，然后通過RMAP路由器進(jìn)行路由，送至目的地址，通過目的地址接口的編解碼器進(jìn)行編碼，輸出總線路由器。編解碼器同時在節(jié)點(diǎn)和路由器中調(diào)用，主要包括接收模塊、發(fā)送模塊以及控制模塊。接收模塊實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)包及譯碼功能，發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)包及編碼功能。控制模塊則實(shí)現(xiàn)了編解碼器執(zhí)行收發(fā)數(shù)據(jù)包功能的狀態(tài)機(jī)。
2 SpaceWire編解碼器優(yōu)化設(shè)計
SpaceWire基礎(chǔ)協(xié)議定義了信號層、字符層和交換層，這幾個低層協(xié)議定義的功能由編解碼器實(shí)現(xiàn)。SpaceWire總線的信號層定義了SpaceWire總線中傳輸信號的電壓水平、噪聲幅度和編碼方式。指定采用低壓差分信號（LVDS）作為信令技術(shù)，這是由于LVDS是一種高速數(shù)據(jù)傳輸、省電、抑制噪聲、成本低以及可以采用較高集成度的技術(shù)，能夠滿足供電電流低、功率低的要求，有助于降低系統(tǒng)成本。
2.1 DS解碼電路的優(yōu)化設(shè)計
SpaceWire總線的信號編碼采用DS（Data-Strobe）編碼。DS編碼如式（1）和式（2）定義：
根據(jù)上述公式，搭建門電路時若用簡單的組合邏輯實(shí)現(xiàn)異或，容易產(chǎn)生競爭冒險，導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)異常。為了對該現(xiàn)象進(jìn)行改進(jìn)，探討DS信號變化的內(nèi)在規(guī)律。從圖2中左圖可見，DS信號的每次轉(zhuǎn)換有且只變換其中的1位信號，通過2次變換后DS數(shù)據(jù)都將發(fā)生翻轉(zhuǎn)。
從DS編碼規(guī)律可知，有且只有當(dāng)時鐘信號為上升沿時，D和S信號發(fā)生從同相至反相的跳變；同理，有且只有當(dāng)時鐘信號為下降沿時，D和S信號發(fā)生從反相至同相的跳變。根據(jù)上述分析結(jié)論設(shè)計的DS數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)電路如圖3所示。圖3電路是由異或門、鎖存器以及觸發(fā)器構(gòu)成。當(dāng)時鐘信號為上升沿時，同相狀態(tài)的data數(shù)據(jù)將保持不變，如圖3中上方電路；當(dāng)時鐘信號為下降沿時，反相狀態(tài)的data數(shù)據(jù)將保持不變，如圖3中下方電路。
2.2 SpaceWire的數(shù)據(jù)字符與控制字符
SpaceWire總線標(biāo)準(zhǔn)的字符層定義了數(shù)據(jù)字符、控制字符和控制碼、奇偶校驗(yàn)以及時間碼等內(nèi)容，此外為了更好地支持路由和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，還提供了Time-Code來支持在網(wǎng)絡(luò)層傳播系統(tǒng)時間。字符層定義有數(shù)據(jù)字符和控制字符。數(shù)據(jù)字符包含8位有效數(shù)據(jù)位，一位奇偶校驗(yàn)位、一位為0的標(biāo)志位。控制字符有4個，分別是FCT、EOP、EEP和ESC，編碼由4個位構(gòu)成，包含一位奇偶校驗(yàn)位，一位為1的標(biāo)志位和兩位控制數(shù)據(jù)。協(xié)議中還有兩個重要的控制碼NULL和Time-Code，其中NULL是由控制字符ESC加上FCT組成的。當(dāng)鏈接不傳送數(shù)據(jù)或控制字符時，SpaceWire端口通過傳送NULL字符維持鏈路連接。
3 SpaceWire路由器設(shè)計
本設(shè)計中的8口基于RMAP的SpaceWire路由器如圖4所示，8個編解碼器用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包，與上述介紹的編解碼器模塊一致。
基于RMAP的SpaceWire路由器中核心模塊為RMAP路由控制器，路由矩陣實(shí)現(xiàn)了各個接口之間的鏈路搭建。RMAP路由管理器實(shí)現(xiàn)功能控制和工作協(xié)調(diào)，路由表用于地址索引，Time-Code管理模塊用于Time-Code碼的廣播，減少時間誤差。配置端口模塊用于實(shí)現(xiàn)對路由表配置等工作。SpaceWire的路由地址表用于配合邏輯地址的索引，使用路徑地址來表示目的地址時，目的地址由一系列路由器的輸出端口標(biāo)識符組成，通過這一系列路由標(biāo)識符來決定包在網(wǎng)絡(luò)中的傳播路徑，將包從發(fā)送端傳輸?shù)侥康牡刂贰?/p>
RMAP協(xié)議提供了一個標(biāo)準(zhǔn)化的方案，使得一個SpaceWire節(jié)點(diǎn)能夠?qū)α硪粋€SpaceWire節(jié)點(diǎn)進(jìn)行讀寫操作、傳輸數(shù)據(jù)。協(xié)議中包含3種操作，即寫操作、讀操作以及讀改寫操作。
寫操作包括非數(shù)據(jù)校驗(yàn)非應(yīng)答寫、非數(shù)據(jù)校驗(yàn)應(yīng)答寫、數(shù)據(jù)校驗(yàn)非應(yīng)答寫、數(shù)據(jù)校驗(yàn)應(yīng)答寫4種不同的寫操作。數(shù)據(jù)校驗(yàn)類寫操作為了實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的檢查校驗(yàn)，需要在寫操作之前在目的節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)緩存。但由于存儲單元數(shù)量有限，無法滿足大量的緩存需求，因此此類寫操作應(yīng)該用于相對短的數(shù)據(jù)。非數(shù)據(jù)校驗(yàn)可用于數(shù)據(jù)量較長的寫操作，目的節(jié)點(diǎn)接到寫操作指令后立即執(zhí)行寫數(shù)據(jù)的動作，無需緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。
讀操作機(jī)制提供了一個策略給源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)該策略去讀取目的節(jié)點(diǎn)存儲區(qū)域內(nèi)的一個或者多個字節(jié)的數(shù)據(jù)。讀取的數(shù)據(jù)將被封裝在一個數(shù)據(jù)包中返回到源節(jié)點(diǎn)。當(dāng)它到達(dá)源節(jié)點(diǎn)時，源節(jié)點(diǎn)用戶將從數(shù)據(jù)包中得到所讀取的數(shù)據(jù)。
讀改寫指令讀取一個寄存器或者存儲器的數(shù)據(jù)，返回它的值，并對寄存器寫入一個新的值，新的值被確定在指令中。RMAP讀修改寫操作的發(fā)起方能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)指定存儲區(qū)域的數(shù)據(jù)讀出，并進(jìn)行修改后重新寫入該存儲區(qū)。1次最大可實(shí)現(xiàn)4 B數(shù)據(jù)的讀改寫。
4 仿真與總結(jié)
在Modelsim6.2g下，通過Xilinx Virtex-4 FPGA開發(fā)平臺上搭建仿真平臺，對SpaceWire總線進(jìn)行仿真測試，波形如圖6所示。圖中顯示優(yōu)化后的DS編碼波形圖，D和S信號能夠精確跳變實(shí)現(xiàn)DS編解碼功能。通過仿真波形可以看出，RMAP SpaceWire總線在工作時，能夠進(jìn)行連續(xù)大數(shù)據(jù)量的時間碼與數(shù)據(jù)包收發(fā)，運(yùn)行正常。數(shù)據(jù)發(fā)送的起始時間Tstart與接收完成時間Tend分別為40 μs和6 581 μs，可以得出傳輸速率為：
由此可以看出，本設(shè)計基于RMAP這一先進(jìn)的高層通信協(xié)議設(shè)計實(shí)現(xiàn)的SpaceWire總線平臺能夠完成數(shù)據(jù)包的路由通信，傳輸速率達(dá)到高速總線的使用需求。
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