0 引言

    在機(jī)載數(shù)據(jù)總線中，GJB289A總線具有很高的可靠性和靈活性，機(jī)載航電系統(tǒng)廣泛采用GJB289A總線實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的信息交換，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能、可靠性和可維護(hù)性^[1-2]。

    在GJB289A數(shù)據(jù)總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方法是使用“處理器芯片+1553B協(xié)議處理芯片+定時(shí)器”的形式。這樣的實(shí)現(xiàn)方式導(dǎo)致板間布線及互聯(lián)較復(fù)雜，模塊的整體可靠性降低，總線帶寬擴(kuò)充受限等各種問(wèn)題^[3，4]。本設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的SoC技術(shù)設(shè)計(jì)了一款智能化、通用化和小型化的GJB289A數(shù)據(jù)總線協(xié)議處理SoC芯片^[5]，以三代機(jī)上現(xiàn)有的24種MBI板卡功能為基礎(chǔ)，綜合新一代武器裝備電子系統(tǒng)小型化、高性能、低功耗、高可靠性需求，按照軍用元器件研制和考核程序要求，在一個(gè)芯片中集成了微處理器、1553B協(xié)議處理器，TC計(jì)數(shù)器、UART、GPIO等資源，將GJB289A數(shù)據(jù)總線傳輸速率從1 Mb/s提升到10 Mb/s。該芯片功能強(qiáng)大，片上資源豐富，具有集成度高、體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，是GJB289A-97總線通信系統(tǒng)機(jī)載、防務(wù)等應(yīng)用領(lǐng)域的高性價(jià)比解決方案^[6]。

1 芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    綜合系統(tǒng)需求并符合GJB289A總線標(biāo)準(zhǔn)，自主定義并設(shè)計(jì)一款采用SoC技術(shù)的小型化、高速率、集成度高的總線協(xié)議處理芯片。本節(jié)介紹芯片功能定義、架構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理，芯片應(yīng)用表明該芯片功能性能穩(wěn)定可靠。

1.1 芯片功能定義

    HKS1553BCRT芯片采用先進(jìn)的SoC工藝，整片功耗小于200 mW，采用BGA256陶瓷封裝工藝，集成微處理器、1553B協(xié)議處理器、TC計(jì)數(shù)器、UART、GPIO以及片上存儲(chǔ)器，能夠?qū)崿F(xiàn)GJB289A-97（數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線，對(duì)應(yīng)美國(guó)軍標(biāo)MIL-STD-1553B）中規(guī)定的BC/RT功能，可以支持1~10 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，為高速1553B提供支持，并提供多種的主機(jī)接口，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。芯片主要包含：微處理器、1553B協(xié)議處理器、外部總線控制器（EBC）、雙口存儲(chǔ)器（DPRAM）、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、看門狗（WDT）、時(shí)間間隔計(jì)時(shí)器（DT）、向量中斷控制器（VIC）、串口控制器（UART）、通用輸入輸出接口（GPIO）、測(cè)試接口控制器（TIC）。

    HKS1553BCRT芯片的主要功能特性如下：

    (1)1553B協(xié)議處理器具有完全的MIL-STD-1553B/GJB289A-97雙余度總線控制器（BC）和遠(yuǎn)程終端（RT）、且具有BC和RT方式多消息處理能力、可編程中斷機(jī)制和內(nèi)部產(chǎn)生中斷機(jī)制，其內(nèi)嵌64 KB的雙口存儲(chǔ)器，支持內(nèi)部環(huán)繞自測(cè)試。；

    (2)微處理器是通用32位RISC結(jié)構(gòu)的微處理器，滿足高性能低功耗的要求，其支持ARMv4T指令集(32 bit)和Thumb指令集(16 bit)、嵌入式ICE，支持嵌入式系統(tǒng)調(diào)試，內(nèi)嵌硬件乘法器，且支持AMBA總線架構(gòu)。

    (3)存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)部集成高達(dá)64 KB的可配置的DPRAM(雙端口SRAM，簡(jiǎn)稱DPRAM)，可編程為8K×16bit、16 K×16 bit或者32 K×16 bit。DPRAM提供8個(gè)由硬件支持的信號(hào)量，支持2個(gè)端口獨(dú)立的異步讀寫(xiě)操作，其內(nèi)部集成2塊獨(dú)立的SRAM，容量分別為8 KB和64 KB，外接Flash存儲(chǔ)器，最大可支持2 M×16 bit。

    (4)微處理器工作頻率高達(dá)66 MHz；1553B協(xié)議處理器工作時(shí)鐘最高可配置為120 MHz；串口控制器采用獨(dú)立時(shí)鐘輸入，最大支持16 MHz。

    (5)中斷控制器提供13個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中斷源，外部中斷源電平/沿觸發(fā)可配置；主要包括快速中斷FIQ與標(biāo)準(zhǔn)中斷IRQ，支持向量中斷和非向量中斷。

    (6)主機(jī)接口為滿足HKS1553BCRT芯片應(yīng)用于不同子系統(tǒng)中的需求，主機(jī)接口要適應(yīng)LBE總線、VME總線、PCI/PCIe橋后端總線的要求，具體要求為支持16 bit LBE總線；支持VME總線的從方式的A24/D16、A16/D16單字傳輸規(guī)范；支持PCI橋接器（PCI 9054 C方式16位操作或PCI 9056 C方式16位操作）及支持PCIe橋接器（PEX 8311 C方式16位操作）。

    (7)芯片提供了兩個(gè)硬件復(fù)位信號(hào)，其中TRST#由JTAG調(diào)試工具產(chǎn)生，復(fù)位ARM7TDMI處理器的JTAG接口；SYSRESET#為芯片外部輸入信號(hào)，復(fù)位整個(gè)芯片。該芯片支持兩種軟件復(fù)位方式，子系統(tǒng)主機(jī)訪問(wèn)特殊地址單元復(fù)位該芯片中除RTC、WDT、DT三個(gè)計(jì)時(shí)器之外的邏輯。

    (8)計(jì)時(shí)控制器提供32 bit實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)計(jì)數(shù)器，RTC時(shí)鐘50 kHz和25 kHz可選，分辨率為20 μs或40 μs可選，16位總線活動(dòng)看門狗定時(shí)器(WDT)，分辨率為100 μs及8位時(shí)間間隔計(jì)時(shí)器(DT)，分辨率為1 ms，誤差為±50 ppm。

    (9)提供8路獨(dú)立通用輸入輸出端口（GPIO），每個(gè)GPIO端口可單獨(dú)編程為輸入、輸出、三態(tài)。

    (10)UART控制器支持2路獨(dú)立控制的UART，提供16字節(jié)的接收FIFO和發(fā)送FIFO，波特率可編程，最大支持1 M波特率。

    (11)提供了JTAG接口，支持軟硬件調(diào)試。

1.2 芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)

    HKS1553BCRT芯片的片上總線采用AMBA(Advanced Micro Chip Bus Architecture)總線，包括高速總線(AHB)和外設(shè)總線(APB)等。微處理器、1553B協(xié)議處理器、SRAM、DPRAM、中斷控制器、Flash接口、RTC、DT、WDT和測(cè)試接口控制器(TIC)掛接在AHB總線上，串口控制器及通用輸入輸出接口掛接在APB總線上，AHB/APB橋接器可以提供兩種總線之間的訪問(wèn)控制。GJB289A總線接口SoC架構(gòu)如圖1所示。

    AMBA總線將訪問(wèn)頻率高、訪問(wèn)速度快的設(shè)備（AHB總線）和訪問(wèn)頻率低、訪問(wèn)速度慢的設(shè)備進(jìn)行分離，提高了高速設(shè)備的效率。

    在進(jìn)行SoC頂層定義時(shí)充分考慮了系統(tǒng)的開(kāi)放性、應(yīng)用軟件的可移植性、硬件的可升級(jí)性、硬件規(guī)模的可伸縮性和全壽命周期價(jià)格的經(jīng)濟(jì)性。

1.3 工作原理

    HKS1553BCRT芯片采用SoC片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在單芯片上集成微處理器、總線協(xié)議處理器、雙端口存儲(chǔ)器及隨機(jī)存儲(chǔ)器等資源，通過(guò)專用軟件的配合，完成GJB289A數(shù)據(jù)總線傳輸層協(xié)議和總線接口發(fā)送接收處理，并在片上處理器的控制下，通過(guò)雙端口存儲(chǔ)器與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，大大減輕了主機(jī)負(fù)擔(dān)。

    GJB289A數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)接收處理自下到上包括：變壓器、收發(fā)器、GJB289A數(shù)據(jù)總線協(xié)議處理（傳輸層）、數(shù)據(jù)傳遞（驅(qū)動(dòng)層）和數(shù)據(jù)處理（應(yīng)用層）。在物理層，接收端變壓器將總線上的曼徹斯特Ⅱ型編碼進(jìn)行采集、變壓，然后傳遞給總線收發(fā)器，總線收發(fā)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，以協(xié)議處理器可識(shí)別的TTL電平信號(hào)傳遞給總線協(xié)議處理芯片；在傳輸層，采用專用軟件對(duì)消息進(jìn)行處理，處理過(guò)程采用中斷方式實(shí)現(xiàn)，滿足總線數(shù)據(jù)處理低延時(shí)的需求。向上則在驅(qū)動(dòng)層軟件的控制下通過(guò)雙端口存儲(chǔ)器與應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

    HKS1553BCRT芯片通過(guò)片上處理器控制總線協(xié)議處理器，對(duì)子地址進(jìn)行初始化和控制，芯片實(shí)現(xiàn)了總線調(diào)度、錯(cuò)誤檢測(cè)、方式命令處理和數(shù)據(jù)雙緩沖；芯片集成了曼徹斯特編碼錯(cuò)誤檢查、消息完整性檢查和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度校驗(yàn)等功能，每當(dāng)遠(yuǎn)程終端接收到有效指令或總線控制器處理了一條命令，總線協(xié)議處理器通過(guò)中斷通知片上微處理器進(jìn)行協(xié)議處理，包括數(shù)據(jù)的收發(fā)、消息的處理，最終將處理好的消息寫(xiě)到雙端口存儲(chǔ)器并通知主機(jī)CPU進(jìn)行處理。這種方式大大減少了CPU的載荷，提高了主機(jī)系統(tǒng)性能，降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用和測(cè)試過(guò)程中有重要作用。

1.4 芯片驗(yàn)證

    本文所設(shè)計(jì)的GJB289A數(shù)據(jù)總線協(xié)議處理SoC芯片已經(jīng)過(guò)ATE測(cè)試、功能性能測(cè)試、協(xié)議符合性測(cè)試、系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證和定型評(píng)測(cè)，具體測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試結(jié)果如表1所示。

2 芯片成熟度

    HKS1553BCRT芯片于2008年5月通過(guò)定型鑒定，符合機(jī)載元器件質(zhì)量等級(jí)要求，滿足防務(wù)領(lǐng)域?qū)JB289A數(shù)據(jù)總線協(xié)議處理的需求。芯片的順利定型后，能夠?qū)崿F(xiàn)GJB289A數(shù)據(jù)總線通信，在設(shè)備中運(yùn)行狀況良好，性能穩(wěn)定，目前已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，并已批量應(yīng)用于航空、航天、彈載和星載領(lǐng)域。HKS1553BCRT芯片與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類研究、同類技術(shù)（產(chǎn)品）的綜合比較：目前國(guó)內(nèi)GJB289A數(shù)據(jù)總線接口芯片基本都是通過(guò)反向工程仿制國(guó)外產(chǎn)品，尚無(wú)采用正向設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品。國(guó)外常用產(chǎn)品主要有UTMC和DDC兩家公司，目前尚未發(fā)現(xiàn)有采用SoC技術(shù)的同類產(chǎn)品。選取常見(jiàn)國(guó)外元器件對(duì)主要功能和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行比較，如表2所示。

    基于HKS1553BCRT的解決方案?jìng)鬏斔俾蕿?~10 Mb/s，體積為原來(lái)的1/4，重量為原來(lái)的1/6，功耗為原來(lái)的1/8，大大提高了可靠性，與基于國(guó)外芯片的解決方案相比，具有明顯的技術(shù)和成本優(yōu)勢(shì)。

3 總結(jié)

    本設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的SoC技術(shù)，將MBI模塊的主要功能在一個(gè)芯片中實(shí)現(xiàn)，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性。依據(jù)航空電子系統(tǒng)在元器件功能性能高標(biāo)準(zhǔn)的新型設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)行了小型化GJB289A數(shù)據(jù)總線協(xié)議處理SoC芯片的設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)ATE、功能性能、協(xié)議符合性等充分驗(yàn)證了HKS1553BCRT芯片各個(gè)模塊的功能，且通過(guò)了系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證及定型。基于芯片、結(jié)合應(yīng)用，提出了GJB289A總線SoC芯片應(yīng)用解決方案，可應(yīng)用于機(jī)載、航天、艦載領(lǐng)域，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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