文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.041
中文引用格式： 田澤，淮治華，裴希杰，等. ARINC659總線協(xié)議處理芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(10)：157-160.
英文引用格式： Tian Ze，Huai Zhihua，Pei Xijie，et al. Research and design of ARINC659 bus protocol processing chip[J].Application of Electronic Technique，2016，42(10)：157-160.
0 引言
ARINC659總線是一種在總線時(shí)間和空間上具有高容錯(cuò)性和魯棒性的底板總線[1]。4條雙-雙配置的串行總線傳輸數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力，完全滿足新一代先進(jìn)綜合式航空電子對底板總線技術(shù)的需求。目前已廣泛應(yīng)用在波音777 AIMS、波音737、波音717等飛機(jī)中，也正在新一代空間探索系統(tǒng)中積極推廣[2-3]。
本文在深入理解ARINC659總線標(biāo)準(zhǔn)，掌握關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對ARINC659總線的通信特點(diǎn)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款滿足ARINC659總線高可靠性、高容錯(cuò)性要求的芯片，該芯片是一款完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型底板總線芯片，實(shí)現(xiàn)了ARINC659總線標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，是從標(biāo)準(zhǔn)理解、系統(tǒng)定義到芯片設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、封裝、測試等完全自主研制的通信處理芯片。
1 芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1.1 芯片功能
HK659芯片可實(shí)現(xiàn)ARINC-659-1993中規(guī)定的同步脈沖收發(fā)、數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)、總線故障容錯(cuò)以及總線調(diào)試等功能，是一款通用化和小型化的通信處理通信處理芯片。主要功能如下：
(1)PCI主機(jī)接口：
①支持PCIv2.2協(xié)議，容忍5.0 V輸入；
②總線頻率33 MHz，A/D總線寬度32 bit；
③支持PCI標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部配置空間；
④只支持PCI Target接口；
⑤支持單拍和Burst操作。
(2)ARINC659總線協(xié)議處理單元：
①時(shí)鐘采用30 MHz，最大數(shù)據(jù)傳輸速率60 Mb/s；
②總線訪問采用表驅(qū)動(dòng)協(xié)議(Table Driven Protocol)；
③支持4余度實(shí)時(shí)熱備份，具有高可靠性；
④4條雙-雙配置的串行總線傳輸數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。
(3)命令表自加載單元：
①支持XC18V04、XCF32P兩種型號PROM，數(shù)據(jù)位寬8 bit，頻率20 MHz；
②宿主機(jī)不能讀寫PROM，HK659只能讀取PROM，更改PROM時(shí)只能通過JTAG接口來修改。
(4)豐富的片內(nèi)存儲器資源：
①集成64 K×32 bit的SRAM，存儲PROM中的命令表（主機(jī)不可訪問）；
②集成32 K×32 bit的DPRAM，用作收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。
(5)供電電壓：
①內(nèi)核電壓：1.8 V；
②I/O電壓：3.3 V。
1.2 芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)和需求規(guī)范，進(jìn)行體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了一種滿足ARINC659總線高可靠性、高容錯(cuò)性要求的芯片體系架構(gòu)，為保證協(xié)議中定義的物理隔離（包括BIU隔離、供電隔離、總線隔離），采用單BIU設(shè)計(jì)。此外，還集成PCI主機(jī)接口、PROM加載接口，以及豐富的內(nèi)部存儲器資源，采用IEEE1149.1 JTAG總線來實(shí)現(xiàn)外部命令表的燒寫功能，其芯片架構(gòu)如圖1所示。HK659芯片集成了PCI主機(jī)接口、ARINC659總線協(xié)議處理單元、PROM命令表自加載單元、與主機(jī)交互數(shù)據(jù)所需的 DPRAM存儲器和映射命令表所需的 SRAM存儲器。
1.2.1 硬件設(shè)計(jì)
ARINC659總線協(xié)議處理芯片的硬件設(shè)計(jì)主要包括ARINC659總線協(xié)議處理單元、PCI主機(jī)從接口、PROM加載接口以及豐富的片上存儲器資源等。
ARINC659總線協(xié)議處理單元主要由采樣整形模塊、數(shù)據(jù)接收單元、數(shù)據(jù)發(fā)送單元、收發(fā)控制單元和預(yù)譯碼單元組成。主要實(shí)現(xiàn)了機(jī)載計(jì)算機(jī)與ARINC659總線的連接功能。主要功能包括：命令表的讀取、譯碼功能，初始化同步、長同步、短同步脈沖的收發(fā)控制，基本消息、主/后備消息的發(fā)送和接收控制，故障注入情況下的收發(fā)數(shù)據(jù)，以及調(diào)試功能（包括單步斷點(diǎn)調(diào)試、時(shí)間斷點(diǎn)調(diào)試、機(jī)架斷點(diǎn)調(diào)試）。
PCI主機(jī)從接口主要實(shí)現(xiàn)了HK659與PCI總線的連接。該接口只實(shí)現(xiàn)了PCI總線的從接口功能，用于主機(jī)系統(tǒng)與HK659的數(shù)據(jù)交換。
HK659命令表的所有數(shù)據(jù)存放在HK659外部的PROM中，當(dāng)系統(tǒng)上電后，HK659的命令表自加載邏輯通過PROM接口自動(dòng)將外部PROM中的命令表搬到內(nèi)部SRAM中。命令表自加載模塊自動(dòng)產(chǎn)生地址從外部PROM中讀出數(shù)據(jù)，并寫入內(nèi)部SRAM中，不需要主機(jī)干預(yù)。命令表加載完成后，HK659將開始初始化、預(yù)譯碼命令，并且按命令表執(zhí)行命令。
ARINC659總線協(xié)議處理芯片豐富的片上存儲器資源主要包括集成64 K×32 bit的SRAM，存儲PROM中的命令表；集成32 K×32 bit的DPRAM，兩個(gè)端口獨(dú)立的異步操作等。
1.2.2 軟件設(shè)計(jì)
為滿足以HK659芯片為核心構(gòu)建的ARINC659總線應(yīng)用需求，基于ARINC659總線協(xié)議，配套規(guī)劃的軟件包括HK659芯片驅(qū)動(dòng)軟件和ARINC659總線配置工具軟件。
HK659芯片驅(qū)動(dòng)軟件提供上層應(yīng)用軟件訪問HK659芯片的接口，包括HK659芯片的初始化、DPRAM的訪問、INT命令中斷使能和清除等功能。
ARINC659總線配置工具軟件用于根據(jù)系統(tǒng)要求對系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)間的通信和節(jié)點(diǎn)各任務(wù)進(jìn)行配置和設(shè)置、自動(dòng)生成總線命令表并編譯成可固化到PROM中的目標(biāo)代碼，其編譯流程如圖2所示。
1.3 工作原理
HK659芯片實(shí)現(xiàn)了ARINC659-1993中規(guī)定的總線接口、時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)傳輸及調(diào)試等功能，工作原理如下所示：
(1)在系統(tǒng)上電之后，PROM命令表自加載單元和PCI主機(jī)接口單元相繼復(fù)位完畢，芯片進(jìn)行命令表自加載。在此期間，ARINC659總線協(xié)議處理單元仍處于復(fù)位狀態(tài)；如果主機(jī)要訪問HK659的資源，則先要讀取表加載狀態(tài)標(biāo)志寄存器的標(biāo)志位，該標(biāo)志位為‘0’時(shí)，表明此時(shí)不能訪問HK659的寄存器和存儲資源。
(2)在命令表加載完畢之后，表加載標(biāo)志寄存器中的標(biāo)志位置位，主機(jī)才可以訪問HK659的寄存器和存儲資源。此時(shí)，ARINC659協(xié)議處理單元復(fù)位完畢，命令預(yù)譯碼單元從映射RAM中讀取命令表參數(shù)，來初始化芯片。
(3)在芯片初始化完畢之后，ARINC659協(xié)議處理單元從映射RAM中讀取命令，預(yù)譯碼之后存入命令預(yù)譯碼FIFO之中。
(4)在上電初始化完畢之后，ARINC659協(xié)議處理單元從命令預(yù)譯碼FIFO中讀取指令碼，并且按照指令執(zhí)行相應(yīng)操作。
(5)在執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送命令時(shí)，ARINC659協(xié)議處理單元要判斷標(biāo)志位是否更新。如果標(biāo)志位被更新，將發(fā)送數(shù)據(jù)；否則，不發(fā)送數(shù)據(jù)。
(6)在執(zhí)行數(shù)據(jù)接收命令時(shí)，如果ARINC659協(xié)議處理單元沒接收到數(shù)據(jù)，則DPRAM中的數(shù)據(jù)區(qū)將不會(huì)被更新；如果接收到數(shù)據(jù)，則更新DPRAM中的數(shù)據(jù)區(qū)。
(7)在主/后備消息傳輸時(shí)，主模塊沒有更新數(shù)據(jù)、處于失步狀態(tài)或者發(fā)生故障時(shí)，由后備模塊1進(jìn)行消息傳輸；如果后備模塊1發(fā)生上述情況，則由后備模塊2進(jìn)行消息傳輸；依次類推。
1.4 物理實(shí)現(xiàn)
HK659芯片采用SMIC 0.18 ?μm工藝設(shè)計(jì)，管腳240個(gè)（包括功能管腳和電源地管腳，功能管腳106 個(gè)），管芯面積7.5×7.5 mm2。在芯片版圖設(shè)計(jì)中，加強(qiáng)對串?dāng)_的分析和修復(fù)，噪聲容限嚴(yán)格控制在20%以內(nèi)。針對板級系統(tǒng)的噪聲問題，在芯片內(nèi)電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)采用特殊的設(shè)計(jì)方式予以部分去除，如增加芯片內(nèi)電源地信號線間的耦合電容，減小外部電源引入的共模噪聲的影響；對于芯片內(nèi)的動(dòng)態(tài)電源噪聲，則采用增加電源網(wǎng)絡(luò)密度、增強(qiáng)供電能力和局部增加去耦電容予以補(bǔ)償。對于關(guān)鍵信號，增加去噪聲保護(hù)。該版圖設(shè)計(jì)已申請并獲得國家布圖保護(hù)專利授權(quán)。
HK659芯片功耗實(shí)測小于0.8 W，采用定制管殼CBGA256，外形大小為24×24 mm2，內(nèi)部腔體10×10 mm2，采用雙排焊盤設(shè)計(jì)，引腳數(shù)為256個(gè)。
2 技術(shù)優(yōu)勢
在國外，Honeywell公司已經(jīng)在波音777 AIMS、波音737、波音717、MD-90、MD-10、KC-10、E-6等飛機(jī)中成功應(yīng)用ARINC659底板總線，目前正在新一代空間探索系統(tǒng)中積極推廣[4]。國外對我國實(shí)行技術(shù)和產(chǎn)品封鎖，尚無商業(yè)化的協(xié)議處理芯片。在國內(nèi)，對ARINC659總線技術(shù)應(yīng)用的研究剛剛起步，個(gè)別單位開發(fā)了基于FPGA的解決方案[5-7]，這種實(shí)現(xiàn)方式需要占用大量系統(tǒng)資源，處理效率較低，設(shè)計(jì)復(fù)雜，功耗較大，無法滿足軍用尤其是航空惡劣環(huán)境下高可靠性等應(yīng)用要求，且FPGA受制于人，國內(nèi)沒有滿足軍用要求的協(xié)議處理芯片及總線收發(fā)器、總線配置工具等。
HK659芯片具有面積小、功耗低、延遲小、功能全等特點(diǎn)[8]，經(jīng)協(xié)議符合性測試驗(yàn)證、整機(jī)應(yīng)用驗(yàn)證和鑒定檢驗(yàn)，證明其功能、性能滿足要求，集成度、可靠性、功耗優(yōu)勢明顯，可滿足航空惡劣環(huán)境下高可靠性等應(yīng)用要求，實(shí)現(xiàn)了新型底板總線技術(shù)的自主保障和自主可控[9]。
3 芯片驗(yàn)證
本文所設(shè)計(jì)的HK659芯片已經(jīng)過虛擬原型驗(yàn)證、FPGA原型驗(yàn)證、ATE測試、協(xié)議符合性測試、系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證和定型評測，滿足ARINC659總線標(biāo)準(zhǔn)要求。具體測試內(nèi)容及測試結(jié)果如表1所示。
4 總結(jié)
本文所設(shè)計(jì)的HK659芯片是一款完全符合ARINC659協(xié)議、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的協(xié)議處理芯片，該芯片設(shè)計(jì)新穎，功耗低，面積小，功能性能穩(wěn)定可靠，滿足ARINC659總線應(yīng)用要求。該芯片已進(jìn)行了ATE、協(xié)議符合性、系統(tǒng)應(yīng)用等充分驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，該芯片符合ARINC659標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議要求，功能、性能滿足要求，集成度、可靠性、功耗優(yōu)勢明顯；有效地支持了新一代機(jī)載電子系統(tǒng)對新型底板總線技術(shù)的應(yīng)用需求[10]。
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