基于自研AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片的模塊設(shè)計與實現(xiàn)*

夏大鵬，辛江波，潘　彬，解亞龍

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)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)

基于自研AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片的模塊設(shè)計與實現(xiàn)*

夏大鵬1，2，辛江波3，潘彬3，解亞龍3

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)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)

國外對AFDX網(wǎng)絡(luò)核心產(chǎn)品的壟斷嚴重制約了我國AFDX網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，難以建立完整的AFDX網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品體系。提出了一種基于自研AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片的模塊設(shè)計方法，從軟硬件設(shè)計角度闡述模塊的設(shè)計與實現(xiàn)過程。該模塊集成端系統(tǒng)SoC芯片，具有PMC、PCI和CPCI三類主機接口，完成AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信功能。目前已成功應(yīng)用于型號工程，其功耗低，功能、性能穩(wěn)定可靠，國產(chǎn)化率高，具有較高的成熟度,打破了國外產(chǎn)品壟斷，實現(xiàn)了AFDX端系統(tǒng)模塊的自主保障、自主可控。

AFDX；端系統(tǒng)芯片；模塊設(shè)計；PMC；PCI；CPCI

0　引言

目前，國內(nèi)外研制的AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)模塊基本是依靠FPGA邏輯與軟件相結(jié)合的方式來實現(xiàn)協(xié)議解析和數(shù)據(jù)收發(fā)功能。由于基于FPGA實現(xiàn)的AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)產(chǎn)品功耗、體積以及可靠性難以滿足惡劣機載環(huán)境應(yīng)用需求，本文介紹了基于AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片實現(xiàn)的模塊設(shè)計，解決了制約AFDX網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸，對我國航空電子系統(tǒng)的發(fā)展及自主研究具有重要的意義［1］。

基于自研AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片的模塊是一款集成HKS664ES型端系統(tǒng) SoC芯片的網(wǎng)絡(luò)傳輸通信設(shè)備，其端系統(tǒng)芯片內(nèi)部集成ARM922T處理器，利用該芯片上的高性能處理器實現(xiàn)傳輸層及網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議處理，從而實現(xiàn)AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的收發(fā)。該模塊的成功研制在國內(nèi)尚屬首次，打破了國外在AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)傳輸卡方面的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷，并擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，解決了國內(nèi)AFDX網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品受制于人的困境，為AFDX網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)的應(yīng)用及發(fā)展做出了重要貢獻。

1　模塊設(shè)計

1.1功能

基于自研AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片的模塊具有高度的靈活性，通過將高性能的AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)接口與主機處理器連接，實現(xiàn)AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。該模塊采用雙余度的AFDX網(wǎng)絡(luò)端口，完全符合ARINC664協(xié)議，發(fā)送支持 128個 VL，接收支持 4 096個 VL，具有流量規(guī)整、接收幀過濾等功能［2-3］，并提供了 3種類型的接口：PMC接口、PCI接口和CPCI接口［4］。

本文提出的基于端系統(tǒng)芯片的模塊設(shè)計方案采用軟硬件協(xié)同設(shè)計方法，以工程化、模塊化、通用化的標準進行硬件模塊設(shè)計，同時以層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計，簡化AFDX端系統(tǒng)傳輸卡軟件體系架構(gòu)，提高軟件可移植性和重用性設(shè)計，使系統(tǒng)具有良好的維護性、通用性。

1.2硬件設(shè)計與實現(xiàn)

基于自研AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片的模塊架構(gòu)設(shè)計靈活，通過更換連接器接口滿足不同的功能需求，從而實現(xiàn)了一種多功能、低成本的模塊設(shè)計。本模塊設(shè)計原理圖如圖1所示，核心芯片采用 HKS664ES型芯片，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，外部功能單元包括時鐘電路、電源轉(zhuǎn)換電路、復位電路、串行接口電路、主機接口電路等［5］。

圖1　模塊架構(gòu)原理圖

1.2.1時鐘電路

模塊工作過程中，外部提供系統(tǒng)時鐘、RTC時鐘、PCI時鐘3個時鐘源。系統(tǒng)設(shè)計中，基于HKS664ES芯片設(shè)計需要提供一個 25MHz外部晶振作為系統(tǒng)時鐘，一個2MHz外部晶振作為RTC輸入時鐘，另外PCI總線時鐘需要外部主機提供33MHz輸入時鐘［6］。

系統(tǒng)集成者需要規(guī)定總線時鐘振蕩器的時鐘質(zhì)量和溫度穩(wěn)定性，即在某些溫度下的精確度以及在整個溫度范圍內(nèi)此精確度的變化范圍。在整個溫度范圍內(nèi)，時鐘質(zhì)量應(yīng)確?？偟钠撇怀^100 ppm。

1.2.2復位電路

基于自研AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片的模塊提供了系統(tǒng)復位、JTAG復位、PCI總線復位，具體接口定義如表1所示。

系統(tǒng)復位信號由外部的復位芯片提供，用于啟動或者重新啟動主機處理器。

傳統(tǒng)的企業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展以大量資源的消耗和環(huán)境的破壞為代價，在全球資源日益匱乏和環(huán)境污染日益嚴重的形勢下，倡導循環(huán)經(jīng)濟已是新時代企業(yè)生產(chǎn)方式變革和發(fā)展的大勢所趨?！叭龔U”的處理歷來是限制企業(yè)經(jīng)濟效益提高與束縛企業(yè)發(fā)展的重要因素，因此，在不影響產(chǎn)品收率及質(zhì)量的前提下，溶劑循環(huán)套用不僅可以提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，而且對企業(yè)未來的發(fā)展具有舉足輕重的作用。

表1　復位號定義

PCI總線接口復位信號，由PCI主機產(chǎn)生，用于復位包括PLL在內(nèi)的所有ES邏輯。復位信號有效時，ARM922T處理器進入預定的復位狀態(tài)。

調(diào)試口復位由外部調(diào)試工具產(chǎn)生，用于復位ARM922T處理器的調(diào)試接口［7］。

1.2.3主機接口電路

模塊的主機接口符合 32位、33MHz PCI總線規(guī)范，兼容 PCI2.2版本規(guī)定，PCI總線接口電平 3.3 V。支持SLAVE和MASTER兩種總線控制模式，SLAVE模式用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓芾斫涌冢┧拗鳈C直接訪問，用來配置和查詢端系統(tǒng)通信端口信息；MASTER模式用于數(shù)據(jù)搬運，根據(jù)通信端口信息，直接啟動DMA控制器，在宿主機內(nèi)存和模塊內(nèi)部片上存儲器之間進行數(shù)據(jù)交換［8］。

1.3軟件設(shè)計與實現(xiàn)

航空電子通信系統(tǒng)劃分成五層協(xié)議：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。模塊通信軟件遵循航空電子通信系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)劃分，如圖2，其中，物理層與數(shù)據(jù)鏈路層由接口模塊上的硬件實現(xiàn)；傳輸層由固化于接口模塊上的傳輸軟件實現(xiàn)，主要負責接口模塊的初始化、發(fā)送以及接收；應(yīng)用軟件和驅(qū)動軟件駐留在主機中，其中驅(qū)動層主要實現(xiàn)應(yīng)用層和傳輸層之間數(shù)據(jù)信息的傳遞，并為上層應(yīng)用軟件提供API接口函數(shù)；應(yīng)用軟件與特定的子系統(tǒng)有關(guān)，通過調(diào)用MBI驅(qū)動軟件實現(xiàn)子系統(tǒng)功能要求。

模塊軟件分為兩個相對比較獨立的部分：傳輸軟件和驅(qū)動軟件。傳輸軟件運行在模塊上，負責實現(xiàn)應(yīng)用層以下的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧的處理，傳輸軟件符合ARINC664 part7規(guī)范中定義的端系統(tǒng)協(xié)議層，實現(xiàn)UDP/IP協(xié)議，配合主機驅(qū)動進行端口管理和調(diào)度；驅(qū)動軟件運行主機上，為應(yīng)用程序提供標準的API接口，用戶可根據(jù)提供的配置信息完成配置表的加載、端口創(chuàng)建，實現(xiàn)模塊與主機應(yīng)用軟件之間的接口控制與數(shù)據(jù)傳輸，軟件結(jié)構(gòu)功能劃分如圖3所示。

圖2　軟件層次結(jié)構(gòu)圖

圖3　軟件架構(gòu)圖

1.4技術(shù)優(yōu)勢

目前，國內(nèi)外研制的AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)模塊主要有兩種方式：一種是基于FPGA實現(xiàn)的AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)模塊，另外一種是基于自研AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片的模塊。前者在功耗、體積以及可靠性方面難以滿足惡劣機載環(huán)境應(yīng)用需求；后者具有功耗低、體積小、可靠性高等優(yōu)勢，主要對比如表2所示。

該模塊采用的核心協(xié)議處理芯片是國內(nèi)首款完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片，作為通過軍用電子元器件B級鑒定的自研軍用核心關(guān)鍵元器件，成熟度高，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，符合國家“元器件國產(chǎn)化率”的要求。

表2　技術(shù)對比

2　模塊驗證

截止目前，基于自研AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片的模塊已通過摸底試驗、板級測試、德國 AIM公司、TechSat公司AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議符合性測試，充分驗證后，表明基于自研AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片的模塊滿足功能要求，并在性能、功耗、重量、成本、溫度范圍上具有顯著優(yōu)勢，且滿足國產(chǎn)化要求。

基于HKS664ES端系統(tǒng)芯片的模塊已經(jīng)在某型號任務(wù)機上使用，試用過程中經(jīng)歷了C階段、S階段的所有驗證，設(shè)計、檢驗全部按照型號任務(wù)要求進行設(shè)計、實驗、評審和質(zhì)量管控，芯片配套軟件嚴格按照GJB5000A三級要求研制。

3　結(jié)論

本文提出的基于自研AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片的模塊已經(jīng)成功應(yīng)用于某型號任務(wù)機，并隨整機完成了首飛。經(jīng)過充分的驗證與廣泛的應(yīng)用，該模塊被一致認為是一款滿足AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、集成度高、安全可靠的端系統(tǒng)模塊。該模塊的成功研制打破了國外在AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)的產(chǎn)品壟斷，對我國研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的AFDX網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。

［1］劉蕓，王紅春.AFDX端系統(tǒng)協(xié)議軟件設(shè)計與實現(xiàn)研究［J］．電光與控制，2012，19(11)：71-76．

［2］楊峰，田澤.基于USB接口的AFDX網(wǎng)絡(luò)TAP卡設(shè)計與實現(xiàn)［J］．測控技術(shù)，2013，32(5)：77-81．

［3］王治，田澤.一種高性能AFDX監(jiān)控卡的實現(xiàn)技術(shù)研究［J］．計算機技術(shù)與發(fā)展，2010，20(8)：217-220．

［4］趙永庫.新一代航空電子總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究［J］．航空計算技術(shù)，2005，35(1)：99-103．

［5］劉志武，白楊.AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收方法研究與實現(xiàn)［J］．微型機與應(yīng)用，2013，32(21)：48-54．

［6］趙永庫，李貞.AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究［J］．計算機測量與控制，2012，20(1)：8-10．

［7］張志，翟正軍.基于FPGA的AFDX端系統(tǒng)協(xié)議芯片的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．計算機測量與控制，2010，18(2)：422-425．

［8］張榮華，田澤.AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片架構(gòu)的研究與設(shè)計［J］．計算機技術(shù)與發(fā)展，2011，21(8)：165-172．

The design and implementation of the module based on AFDX network end system chip

Xia Dapeng1，2，Xin Jiangbo3，Pan Bin3，Xie Yalong3
(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)

Because of monopolizing AFDX network core products,which seriously restricts the internal development of AFDX network technology.At the same time,the establishment of AFDX network product system integrity is a laborious effort.This paper provides the method of the module design of AFDX network end system chip.The end system module′s design and implementation process are based on combining of hardware and software.This module is embedded with end system SoC chip and provides PMC, PCI and CPCI host interface that it implements the AFDX network data communications.This product has been successfully used in the model project.It has many advantages,such as low power consumption,stable and reliable function,high domestic rate and high maturity.It breaks the monopoly of foreign products and realizes autonomous protection and autonomous control of AFDX network end system module.

AFDX；end system chips；module design；PMC；PCI；CPCI

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.004

航空科學基金（2015ZC51036）；中國航空工業(yè)集團公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)

（2016-02-26）

夏大鵬（1981-），男，碩士，工程師，主要研究方向：嵌入式軟件開發(fā)。

辛江波（1989-），男，本科，主要研究方向：嵌入式軟件開發(fā)與測試。

潘彬（1986-），男，本科，助理工程師，主要研究方向：集成電路設(shè)計及驗證。

解亞龍（1985-），男，本科，助理工程師，主要研究方向：航空集成電路硬件設(shè)計與驗證。

中文引用格式：夏大鵬，辛江波，潘彬，等.基于自研 AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片的模塊設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (4)：15-17.

英文引用格式：Xia Dapeng，Xin Jiangbo，Pan Bin，et al.The design and implementation of the module based on AFDX network end system chip［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：15-17.