GJB289A數據總線系統設計研究

淮治華，王　鑫，樓曉強，趙江濤

（1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安710068；2.集成電路與微系統設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安710068）

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GJB289A數據總線系統設計研究

淮治華1，2，王鑫3，樓曉強1，2，趙江濤3

（1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安710068；2.集成電路與微系統設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安710068）

隨著數據總線技術的發(fā)展和廣泛應用，系統設計過程中需要考慮的因素越來越多，不僅包括系統設計的成本及易用性，還包括系統應用過程中的技術成熟度、穩(wěn)定性、可靠性、系統實時性及魯棒性等因素。針對一個高速GJB289A數據總線系統進行研究，分析了拓撲設計、BC設計、RT設計和總線控制等設計的關鍵技術，涵蓋總線ICD設計、總線通信控制表配置、總線通信仿真、總線測試、總線監(jiān)控、遠程終端、中繼器全套應用解決方案。本系統技術成熟度高，已經過某型號機載總線通信驗證實驗，穩(wěn)定、可靠、多功能且方便易操作，為用戶提供良好的人機界面接口，可實現高速GJB289A總線半物理配置/仿真/監(jiān)控/中繼/性能分析，可輔助完成機載航電系統總線設計、驗證及綜合。

總線系統；ICD設計；總線性能

中文引用格式：淮治華，王鑫，樓曉強，等.GJB289A數據總線系統設計研究［J］.電子技術應用，2016，42（7）：159-163.

英文引用格式：Huai Zhihua，Wang Xin，Lou Xiaoqiang，et al.Research and design of the GJB289A data bus system［J］.Application of Electronic Technique，2016，42（7）：159-163.

0　引言

本系統設計包括系統頂層設計、系統設計實施和系統驗證測試三個階段［1］?？偩€系統設計優(yōu)化工作主要針對系統的綜合化程度、可重用性、易用性、通信效率和系統魯棒性［2］。綜合比較分析，采用 SoC設計技術能同時滿足系統以上要求，采用SoC芯片的系統級解決方案使系統繼承了高度集成芯片帶來的諸多優(yōu)點（如圖1所示），最大程度提高了 GJB289A數據總線系統的可靠性、集成度并顯著降低總線系統的重量及功耗［4-5］。總線通信處理SoC芯片為總線系統終端的研發(fā)及應用提供了一種全新的解決方案。該方案提供了一種基于專用芯片的MBI模塊化應用方案，能夠實現總線終端產品高度集成、高可靠性以及低功耗的設計目標［3］。

圖1　采用SoC芯片進行設計給系統帶來的優(yōu)點

1　系統設計

GJB289A數據總線系統功能包括：實現 2 Mb/s速率的GJB289A數據總線通信，總線配置工具支持總線通信控制表的設計和優(yōu)化，總線控制器實現事件、周期消息處理，所有終端實現雙冗余通道備份，備份總線控制器實現主備控制器切換等功能，支持總線中繼，為遠程終端遠距離信號傳輸提供支持。支持總線通信數據監(jiān)控、分析。本系統中所有節(jié)點均采用可替換單元進行設計，除MT節(jié)點外，所有終端的物理層、傳輸層和驅動層均通用，可互相替換。

1，1架構設計

系統架構設計決定了系統的基礎架構，很大程度上決定了系統的效率、響應時間、可擴展性和系統容量。本系統節(jié)點數量較少，總線通信所需帶寬低于總線帶寬，采用總線式拓撲結構設計，結構簡單明了，設備連接與維護方便，可以滿足系統需求。系統架構設計如圖2所示。

圖2　GJB289A數據總線系統架構

1.2系統關鍵設計

系統關鍵設計包括終端設計和系統調度控制設計。

本系統中所有終端的硬件、軟件和邏輯設計均采用總線通信處理SoC芯片進行設計，在芯片中，所有需要重用的部分均進行可編程處理，保證所有使用總線通信處理SoC芯片進行設計的標準MBI模塊能夠滿足系統中所有終端的功能需求。終端使用的軟件按照通用可編程原則進行設計，可滿足所有終端類型及所有總線系統的應用要求。

本系統通信過程中涉及到數據消息、系統控制、系統調度、同步、終端狀態(tài)查詢和數據更新狀態(tài)查詢等，在系統設計時，充分考慮了總線控制消息在整個總線通信過程中所占的比例。系統采用 50 Hz的查詢頻率，滿足了最小周期消息20 ms延遲的要求，同時因查詢帶來的負載增加只有5%，充分平衡總線延遲與總線負載間的關系，使系統達到最佳通信狀態(tài)。數據更新狀態(tài)查詢消息頻率與總線負載的關系如圖3所示。

圖3　數據更新狀態(tài)查詢消息頻率與總線負載的關系

2　終端設計

2.1BC設計

2.1.1一般設計要求

BC通過發(fā)送指令字啟動總線上的通信，總線數據通信包括三種基本通信消息。

對于RT到BC的消息，BC首先向總線發(fā)送攜帶有目標RT地址、目標RT子地址、數據字個數和收發(fā)控制等信息的命令字，總線中所有RT均可接收到該命令，但僅當RT地址和命令字中包含的RT地址字段匹配時，RT才會響應該命令，并向總線發(fā)送數據。BC接收響應指令字的所有數據字，并把它們傳送給子系統。消息通信過程如圖4所示。

對于BC到RT消息，BC首先向總線發(fā)送攜帶有目標RT地址、目標RT子地址、數據字個數和收發(fā)控制等信息的命令字，隨后發(fā)送從子系統傳遞的規(guī)定個數的數據字，總線中所有RT均可接收到該命令，但僅當RT地址和命令字中包含的RT地址字段匹配時，RT才會響應該命令，并接收命令字后的數據字。消息通信過程如圖5所示。

圖4　RT-BC消息通信工作原理

圖5　BC-RT消息通信工作原理

對于RT到RT消息，BC首先向總線發(fā)送攜帶有目標RT1地址、目標RT1子地址、數據字個數和收發(fā)控制等信息的接收命令字，然后向總線發(fā)送攜帶有目標RT2地址、目標RT2子地址、數據字個數和收發(fā)控制等信息的發(fā)送命令字，RT1接收到命令后等候總線數據，RT2收到命令后響應狀態(tài)字并發(fā)送數據字，RT1接收完數據字后響應狀態(tài)字。BC在RT-RT通信過程中，可對總線通信實施監(jiān)控。消息通信過程如圖6所示。

圖6　RT-RT消息通信工作原理

2.1.2備份BC設計

總線系統中以RT的身份掛接在總線系統中，在規(guī)定的情況下，可成為總線上的BC終端，稱作備份總線控制器。默認控制數據總線的控制器稱為主控制器，所有其他可承擔數據總線控制的終端稱為備份BC。

在圖2所示系統中，BC定期向BBC以帶數據字的同步方式命令發(fā)送WDT加載值，BBC接收到WDT加載數據后加載本地WDT計時器中。當WDT中斷發(fā)生時，表示BC無法和BBC通信，BBC即啟動切換，自動換為BC功能執(zhí)行總線控制。

2.1.3總線終端控制機制

在總線系統中，終端控制一般包括：終端狀態(tài)查詢、終端狀態(tài)管理、終端狀態(tài)控制。

2.2RT設計

2.2.1終端地址設計

在總線系統中，每個RT必須有一個且只有一個指定的終端地址，能夠實現廣播的RT也應識別終端地址字段為 11111的指令。在總線上最多可以有 31個 RT，但是在 GJB289A中并沒有規(guī)定如何把終端地址賦給 RT。在方案設計中可通過兩種方式來實現。第一種方式是使用硬件方式實現，即可用的集成電路器件通常有5個離散輸入設定它們的終端地址，在實際使用時，這些引腳按照希望得到的終端地址被拉高或拉低；第二種方式是通過軟件方式實現，在設計中另一些RT沒有引腳，但是含有內部寄存器，在軟件控制下（通常在上電時）可以通過設置寄存器來將需要的終端地址賦給RT。

2.2.2協議控制單元設計

在設計時RT必須能夠檢測到總線上對它的指令，并且按要求響應。當檢測到指令時，RT在4～12滋s后必須對該指令響應。這個時間是從BC傳送消息的最后一個字的奇偶位中間過零點算起，到響應的第一個字同步頭波形的中間過零點結束。RT不能接收任何無效的指令，若指令字以有效的同步頭波形開始，并有16個數據位，且有指示奇校驗的奇偶位，各位都是有效的曼徹斯特碼，同時若指令字中的終端地址與RT的終端地址（若RT實現廣播選項，則廣播終端地址為11111）相匹配，則該命令為對應RT的有效指令。若指令有效且在RT規(guī)定的指令集中，則該指令合法。RT不要求實現非法指令的檢測，但所有有效且合法的指令且必須按GJB289A要求的方式被響應。大多數RT在總線上檢測的消息并不是發(fā)給自己的消息，而是發(fā)給另一個RT的消息。檢測了字的前五位仍為有效的字，必須被完整讀入。若命令有效，則RT必須做出正確的反應。響應（若被要求）必須在要求的4～12滋s內啟動。為了能響應快些，當接收到字的同時，譯碼器逐位開始進行命令有效性測試。

2.2.3主機接口設計

簡化代表庫通過選擇經酶切處理后的一些片段,完成對基因組的簡化處理.當前不同個體保留的酶切片段存在差異,然而將全部個體保留的片段結合在一起,即可完成對基因組的覆蓋,在此基礎上完成測序,同時對分子標記進行開發(fā).目前，主要有簡化代表庫測序(reduced-representation libraries,RRLs)和簡化多態(tài)序列復雜度測序(complexity reduction of polymorphic sequences,CRoPS).

通過RT傳送的數據必須被發(fā)送到子系統或從子系統中取出，這些數據必須保持完整。RT功能只是按GJB289A要求的格式組織信息（即把數據在GJB289A格式和子系統可讀的格式之間互相轉換）。

RT在總線上傳送的數據是由在總線上接收到的命令控制的，而不是由子系統控制的。依據RT的智能化程度，需要設計一種機制讓RT通知子系統接收到有效指令或消息，該機制一般采用中斷實現。本系統設計為中斷方式向主機通知新消息。

2.2.4非法指令處理

系統中允許有非法指令，GJB289A總線協議不要求RT檢測非法指令，僅要求RT使用消息錯狀態(tài)字響應非法指令。非法指令是規(guī)定RT不用的指令，但它是有效指令。非法指令在子系統級定義，而不是在RT級定義，所以不應由RT硬件確定哪些是非法指令。如果實現非法指令的檢測，RT的非法指令集由子系統來指定，且在系統規(guī)范中將非法指令定義清楚。在本系統中使用子系統可訪問的寄存器對RT非法子地址進行控制，RT接收到非法命令后僅響應消息錯的狀態(tài)字。

2.31553B總線配置工具

總線配置工具應用于系統設計與應用過程，用于按照ICD中消息的特性生成用于總線中BC節(jié)點進行通信控制的總線配置表，其中包含 1553B總線運行過程中所需的節(jié)點數、命令塊、命令序列等各種信息。該工具支持拓撲/ICD圖形化配置，可簡化命令序列表構建過程，并對命令序列進行優(yōu)化，實現廣播消息配置，自動生成配置文件，并支持.h/XML等多種類型配置文件?？偩€配置工具解決了配置表自動編排、總線系統配置/仿真技術難題。該工具已成功應用于某無人機航電系統設計，在應用過程中，編排了多個版次的總線表，并成功應用。

3　總線系統性能評估

數據總線負載和總線效率是衡量一個總線系統性能的重要標準?？偩€負載反映了總線中數據吞吐量，總線效率反映了總線中理想數據吞吐量與實際數據吞吐量之間的比例關系，在總線命令等待響應期間是無法進行總線通信的，所以嚴格來講，總線響應時間也應計入總線負載計算中。數據總線負載的通用計算方式如式（1）所示，總線效率的通用計算方式如式（2）所示。

在系統中，往往將總線數據進行采集，然后將總線數據進行分類，統計數據字、狀態(tài)字、命令字的個數和響應時間累計值，最終得到總線負載。如：某系統總線監(jiān)控數據中，有命令字 289 600個，狀態(tài)字 289 600個，數據字5 792 000個，總線響應時間共1 737 600滋s，總線監(jiān)控時長600 s，總線負載即為（（（289600+289600+5792000）×20+1737600）/（600000000）×100%=21.527%）。

總線系統設計過程中必須保證一定的總線負載余量，一般要求總線負載不超過80%。若總線負載較高，超過余量要求，則需要考慮增加總線，以降低單條總線負載，滿足負載余度要求。

若總線激活時間為1 s，則總線激活時間內最大可能信息傳輸量為 1×106 bit，傳輸信息量為數據字、狀態(tài)字和指令字之和，1553B數據總線中所有類型的消息字長都為20，所以傳輸信息量為數據字、狀態(tài)字和指令字個數之和乘以20，總線負載即可按照式（3）進行計算。總線上有效的數據是指總線上傳輸的數據字中數據位部分，因為每個數據字長為20，其中有效數據字長16 bit，所以總線效率計算方式如式（4）所示。

總線效率是總線通信效率的重要指標。假設某總線每秒僅發(fā)送一次 BC-RT數據，若總線中數據字長為1，則總線效率為 26.7%，若總線中數據字長為 32，則總線效率為75.3%。假設某總線每秒發(fā)送一次RT-RT數據，若總線中數據字長為 1，則總線效率為16%；若總線中數據字長為 32，則總線效率為71.1%。由此可見，單條命令字中攜帶的數據字越長，總線效率越高，RT-BC/ BC-RT消息傳輸時的總線效率高于RT-RT消息。在滿足總線設計要求的前提下，盡量減少短小數據包的消息數，盡量減少RT-RT消息通信數。某機載總線系統中，消息數量如表1所示。

表1　某型機載數據總線消息統計

如上所述，該總線效率為：

（（（122+45+70）*50+（196+286+150）*25）+（384+ 396+210）*12.5+（40+10+32）*6.25）*16）/（（（5+3+4*2）*2*50+（7+11+6*2）*2*25+（24+22+7*2）*2*12.5+（2+1+ 4*2）*2*6.25+（（122+45+70）*50+（196+286+150）*25）+ （384+396+210）*12.5+（40+10+32）*6.25））*20）*100%= 73.04%。

4　系統驗證

系統驗證遵循由終端到系統、由功能到性能、由基礎到全面的原則，要求所有系統功能均能被驗證。

4.1系統終端功能驗證

在系統終端功能驗證階段，設計了驗證用例對系統各終端功能進行驗證，驗證用例如表2所示。

表2　終端功能驗證用例

經驗證，所有終端均可完成獨立的RT、BC、BBC功能設置；所有終端的通用功能（方式命令執(zhí)行/發(fā)送）均正常；所有終端數據處理功能（數據接收、數據發(fā)送）正常；所有終端主機接口功能（主機→終端的命令下發(fā)、終端→主機的數據上報和中斷上報）正常；所有終端均可對數據進行正確解析。

經驗證，所有終端均可完成獨立的RT、BC、BBC功能設置；所有終端的通用功能（方式命令執(zhí)行/發(fā)送）均正常；所有終端數據處理功能（數據接收、數據發(fā)送）正常；所有終端主機接口功能（主機→終端的命令下發(fā)、終端→主機的數據上報和中斷上報）正常；所有終端均可對數據進行正確解析。

4.2系統功能及性能驗證

當終端功能測試完成后需要進行系統功能測試，這個過程需要系統中的所有終端共同參與。系統進行系統功能測試時采用的驗證項如表3所示。計，所以系統集成時排除不兼容終端對系統的影響。若系統中存在不同的終端設計，則必須考慮不兼容終端對系統的影響，比如：系統中存在響應時間為12滋s的RT，則在總線系統調度時，必須考慮該RT的命令延時對總線通信調度的影響。系統設計中，在條件允許的情況下盡量使用同一種總線標準，可減少大量的系統集成問題。

表3　系統功能測試驗證用例

5　總結

GJB289A數據總線系統具備完整的總線系統結構，其備份BC和雙冗余總線的設置有效地增加了總線系統的可靠性，完全滿足航空機載數據總線的實時性、可靠

性要求。本文介紹了GJB289A數據總線的系統拓撲結構，詳細分析及研究了GJB289A數據總線系統設計的關鍵技術，并通過系統驗證，為其在航空、航天、兵器等防務領域的廣泛應用提供了技術支撐。

經測試，所有終端單獨存在的情況下，可正常完成數據的接收、發(fā)送和解析，所有數據均正確反映在應用層界面上，所有終端的數據均符合設計要求；系統所有終端均工作的情況下，所有終端可正常完成數據的接收、發(fā)送和解析，所有數據均正確反映在應用層界面上，所有終端的數據均符合設計要求，系統中的數據方向、數據格式、數據長度與總線ICD一致。

系統負載是通過Alta卡觀察和軟件分析得到的，總線負載測試結果為70%，與理論值一致。系統效率分析是通過自編軟件按照總線系統效率分析公式對Alta卡捕獲的總線數據文件進行分析進行，最終總線系統效率測試分析結果為60%。

4.3系統的兼容性

本系統中的所有終端均采用同一設計方案進行設

［1］陳永奇，馬迎建，石多.1553B總線應用［J］.電子測量技術，2006（5）.

［2］支超有.機載數據總線技術及其應用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009：40-42.

［3］DDC.MIL-STD-1553 designer′s guide［M］.6thed.ILC Data Device Corporation，1998.

［4］Advanced Communication Engine（ACE）.MIL-STD-1553A/ B notice 2 RT and BC/RT/MT［P］.New York：Data Device Corporation，1999.

［5］中航工業(yè)總公司.GJB 289A-97.數字式時分制指令/響應型多路傳輸數據總線［S］.北京：中國航空工業(yè)總公司615所和 301所，1997.

Research and design of the GJB289A data bus system

Huai Zhihua1，2，Wang Xin3，Lou Xiaoqiang1，2，Zhao Jiangtao3
（1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China）

With the development of the data bus technology and the widespread application，the system need to consider factors in the process of design is becoming more and more，which not only include cost and transaction of system design，but also include the system applied in the process of technology maturity，stability，reliability，system realtime performance and robustness.In this paper，a high-speed GJB289A data bus system，analyzes the topology design，design of BC、RT、and bus control，the design of key technologies such as bus ICD design，bus communication control table configuration，bus communication simulation，bus test，the bus monitor，remote terminal，repeater，a full range of application solutions，high technical maturity，this system has been a certain type airborne bus communication experiment，stable，reliable，multifunctional and convenience and easy to operate，to provide users with good human interface interface，which can realize high-speed GJB289A bus half physical configuration/simulation/monitor//relay/ performance analysis，can assist to complete the airborne avionics，validation，and comprehensive.

bus system；ICD design；bus performance

TN915；V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.040

2016-05-10）

淮治華（1982-），男，碩士，工程師，主要研究方向：集成電路設計與驗證。

王鑫（1991-），男，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統設計與開發(fā)。

樓曉強（1983-），男，碩士，工程師，主要研究方向：集成電路設計。

趙江濤（1989-），男，助理工程師，主要研究方向：嵌入式硬件設計。