一種新型多點(diǎn)互聯(lián)高速冗余總線通信方法與實(shí)現(xiàn)

張宏波 李長森 李鐵麟 薛 寧 仲雪潔

1.北京航天自動控制研究所，北京 100854 2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076

目前電子設(shè)備內(nèi)部通信總線可分為并行總線和串行總線2種。并行總線在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，如PCI總線和ISA總線，其特點(diǎn)是由地址總線、控制總線和數(shù)據(jù)總線組成，擴(kuò)展方便，其不足體現(xiàn)在連接信號數(shù)較多，不利于設(shè)備小型化，難以滿足某些對控制裝置尺寸存在嚴(yán)格限制的場合需要；另外，總線通信未采取冗余機(jī)制，一條信號線連接故障會導(dǎo)致通信任務(wù)失敗。

按通信站點(diǎn)物理連接類型，機(jī)內(nèi)串行總線可細(xì)分為2種：點(diǎn)對點(diǎn)通信總線和多點(diǎn)互聯(lián)通信總線。點(diǎn)對點(diǎn)通信總線帶寬較高，通常可達(dá)1Gbps以上，如主流PCI Express和Rapid IO[1]總線；多點(diǎn)互聯(lián)通信的串行總線類型相對較少，如ARINC659總線，該總線采用4條串行總線進(jìn)行通信交叉校驗(yàn)，其中，每條串行總線包括1條時鐘線和2條數(shù)據(jù)線，完整ARINC659總線由12條信號組成，在提高通信容錯性能的同時，帶來物理層傳輸信號數(shù)量較多的弊端。此外，ARINC659傳輸速率較低，最大吞吐率僅為60Mbps。

在ARINC659總線的基礎(chǔ)上，提出一種新穎的多點(diǎn)互聯(lián)高速冗余通信方法，即通過時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)來提高通信線路速率，并起到避免隨路時鐘信號使用的效果；通過增加并行數(shù)據(jù)傳輸通道的數(shù)量來成倍提高傳輸帶寬；同時，通過CRC校驗(yàn)和通道冗余技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動故障檢測、定位、隔離、以及重傳功能，從而保證通信系統(tǒng)的可靠性。

1 多點(diǎn)互聯(lián)高速冗余通信總體方案

與MIL-STD-1553總線類似[2]，多點(diǎn)互聯(lián)高速冗余通信總線采用如圖1所示的總線式拓?fù)浼軜?gòu)?？偩€通信網(wǎng)絡(luò)由1個主站點(diǎn)(MC)和多達(dá)32個從站點(diǎn)(SC)組成，串行總線物理層由5條數(shù)據(jù)傳輸通道組成。數(shù)據(jù)傳輸屬半雙工類型，主站點(diǎn)和各從站點(diǎn)分時驅(qū)動數(shù)據(jù)傳輸通道。為提高數(shù)據(jù)傳輸通道的冗余性，5條數(shù)據(jù)傳輸通道中4條通道處于工作狀態(tài)，另1條通道處于備份狀態(tài)，當(dāng)主站點(diǎn)與從站點(diǎn)通信異常時，主站點(diǎn)自動定位和隔離存在故障的數(shù)據(jù)傳輸通道，并自動啟用備份的數(shù)據(jù)傳輸通道。

圖1 多點(diǎn)互聯(lián)串行通信的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本總線鏈路層協(xié)議采取“命令+響應(yīng)”消息格式；主控站點(diǎn)根據(jù)目標(biāo)從站點(diǎn)的通道健康狀態(tài)選擇4條通道作為工作通道，并發(fā)送命令幀；從站點(diǎn)監(jiān)聽和識別處于工作狀態(tài)的傳輸通道，待檢測到有效、且與從站點(diǎn)地址匹配的命令幀后，發(fā)出響應(yīng)幀來結(jié)束當(dāng)前傳輸。

2 傳輸編碼格式

為同時滿足小數(shù)據(jù)量低傳輸延遲特性和大數(shù)據(jù)量高傳輸帶寬的應(yīng)用要求，本串行總線支持存儲器空間單次讀寫操作和DMA批量讀寫操作。對于一次傳輸，主從站點(diǎn)間傳遞的信息包括：讀寫類型、傳輸?shù)刂?、單次或批量讀寫類型、批量傳輸?shù)淖止?jié)總數(shù)、傳輸數(shù)據(jù)以及重傳標(biāo)志等內(nèi)容。命令幀和響應(yīng)幀的組成分別如圖2和3所示。

圖2 命令幀組成

基于減小單次數(shù)據(jù)傳輸中命令幀和響應(yīng)幀的碼流長度來降低傳輸延遲的考慮，數(shù)據(jù)段和校驗(yàn)段分別采用曼徹斯特和奇偶校驗(yàn)編碼方式；對于批量數(shù)據(jù)傳輸，一次傳輸字節(jié)數(shù)可達(dá)512個字節(jié)，通過對數(shù)據(jù)段和校驗(yàn)段進(jìn)行8B/10B和CRC-16編碼，在提高編碼效率的同時提高碼流的檢錯能力。

圖3 響應(yīng)幀組成

同步頭位于命令幀/響應(yīng)幀的頭部，其組成格式如圖 4所示，由多位連續(xù)邏輯‘1’的和1位邏輯‘0’的編碼組成，用于系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)對總線上傳輸碼流進(jìn)行幀頭檢測與同步處理。在地址和控制段、數(shù)據(jù)傳輸段和檢驗(yàn)段中，連續(xù)相同編碼值的最長比特流長度出現(xiàn)在8B/10B編碼中，且數(shù)據(jù)傳輸段8B/10B編碼不使用控制代碼，連續(xù)相同編碼值的最長比特流長度不超過4bit，因此，同步頭組成邏輯‘1’的寬度大于4比特即可實(shí)現(xiàn)與后續(xù)碼流的區(qū)分。

圖4 同步頭編碼組成

除支持單次讀寫和批量數(shù)據(jù)讀寫命令外，本總線支持連接性測試命令，用于實(shí)現(xiàn)主、從站點(diǎn)之間傳輸通道的故障自動監(jiān)測與自動隔離功能。單次讀寫和批量數(shù)據(jù)讀寫命令與連接性測試命令的不同之處在于，前者將命令/響應(yīng)信息平均分配在4條工作通道進(jìn)行傳輸，接收站點(diǎn)實(shí)時檢測和接收4條通道各自碼流后合并輸出原始碼流；后者在5條傳輸通道上均傳輸獨(dú)立和完整的連接性測試命令與響應(yīng)。為避免通道間信號相互串?dāng)_影響測試結(jié)果，連接性測試命令幀和響應(yīng)幀使用數(shù)據(jù)通道編號標(biāo)識段，來實(shí)現(xiàn)任意兩條數(shù)據(jù)通道上傳輸?shù)拇a流存在至少2bit的差異。連接性測試命令幀的數(shù)據(jù)傳輸段對應(yīng)目標(biāo)從節(jié)點(diǎn)的5bit ID號；從站點(diǎn)在接收到有效連接性測試命令且ID號匹配的通道上返回響應(yīng)幀；主站點(diǎn)通過檢測有效的響應(yīng)幀來判斷各傳輸通道的健康狀況，并以此作為下一次數(shù)據(jù)讀寫命令選擇傳輸通道的依據(jù)。

3 數(shù)字相位鎖定與采樣機(jī)制

總線各節(jié)點(diǎn)采樣電路主要由同步頭檢測邏輯、相位自動跟蹤與采樣點(diǎn)自動修正邏輯、以及環(huán)形緩存等組成，工作時序如圖5所示。采用3倍頻率時鐘對數(shù)據(jù)碼流進(jìn)行采樣。在同步頭檢測邏輯中，使用計(jì)數(shù)器檢測輸入數(shù)據(jù)碼流值連續(xù)為1的時鐘周期數(shù)，在計(jì)數(shù)器超過預(yù)定值后，若監(jiān)測到數(shù)據(jù)碼流的下降沿跳變信號rx_fal_edge有效，判定檢測到一次有效的同步頭，并置相位鎖定信號line_n_lock為有效值。

在理想情況下，對于輸入碼流的1bit碼流值，3倍采樣時鐘在該比特碼流的3個等間隔相位點(diǎn)采樣到3個連續(xù)的相同碼值，但在實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)中，存在時鐘頻率偏差以及采樣點(diǎn)輸入碼流相位隨機(jī)因素的影響，對于1bit的輸入碼流，采樣時鐘還可能采樣到2個或4個采樣值。因此，在采樣電路檢測到輸入碼流跳變后，使用3bit的移位寄存器samp_phase_idx1、samp_phase_idx2和samp_phase_idx3來跟蹤輸入碼流相位。在samp_phase_idx2信號有效時，采樣點(diǎn)對應(yīng)碼流的中間相位，可確保采樣電路對輸入碼流采樣的可靠性。命令幀和狀態(tài)幀均采用曼徹斯特-II型編碼和8B/10B編碼來保證碼流的快速翻轉(zhuǎn)，且采樣電路通過檢測輸入碼流跳變沿對相位跟蹤寄存器進(jìn)行強(qiáng)行復(fù)位，有效地消除了由采樣時鐘頻率與輸入碼流3倍頻率差異帶來的累積采樣相位誤差的影響，從而允許串行通信系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)使用時鐘源的頻率值存在較大差異，利于工程實(shí)現(xiàn)。

圖5 相位跟蹤鎖定與采樣時序

4 通道采樣對齊與彈性緩存技術(shù)

總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)主節(jié)點(diǎn)與任意從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時,發(fā)送節(jié)點(diǎn)在4或5條通道上發(fā)送串行碼流。由于不同碼流信號在發(fā)送節(jié)點(diǎn)端從碼流產(chǎn)生寄存器到輸出引腳傳輸延遲、總線收發(fā)器發(fā)送延遲、電路板走線延遲、接收節(jié)點(diǎn)端總線收發(fā)器接收延遲以及碼流從輸入引腳到采樣寄存器的傳輸延遲等方面均存在差異，總線節(jié)點(diǎn)接收的各條數(shù)據(jù)通道碼流在時序上是異步的，總線節(jié)點(diǎn)在對不同工作通道進(jìn)行碼流采樣的同時，還必須對各通道上檢測的信息進(jìn)行對齊處理，從而合并成一條完整的信息。數(shù)據(jù)通道采樣對齊與彈性緩存邏輯結(jié)構(gòu)如圖 6所示，5條數(shù)據(jù)通道均配置獨(dú)立的相位鎖定信號line_n_lock(n∈[1,5])和深度為16的環(huán)形緩沖line_n_buf。在一次碼流采樣過程中,5條數(shù)據(jù)通道各自獨(dú)立地檢測有效同步頭，待相位鎖定信號有效后，首先復(fù)位對應(yīng)通道環(huán)形緩沖的寫入地址，然后開始采樣并將采樣值寫入通道環(huán)形緩沖內(nèi)。通過監(jiān)測5條數(shù)據(jù)傳輸通道的相位鎖定信號，并進(jìn)行總線通信有效表決，產(chǎn)生數(shù)據(jù)線有效通訊標(biāo)志信號bus_activity_det?？紤]到5條數(shù)據(jù)通道間的碼流延遲差異，將數(shù)據(jù)線有效通訊標(biāo)志信號延遲數(shù)拍，保證延遲較大的通道碼流的同步頭也能完成檢測與相位鎖定操作。將信號bus_activity_det延遲后產(chǎn)生環(huán)形緩存讀指針累加標(biāo)志信號buf_rd_ptr_add，該信號為低時，復(fù)位環(huán)形緩沖line_n_buf的讀取地址指針；該信號為高時，環(huán)形緩存讀取地址以1為單位進(jìn)行累加。5條通道的環(huán)形緩存共用一個環(huán)形緩存讀取地址指針，從而實(shí)現(xiàn)以相同的節(jié)拍輸出對齊的通道碼流。

圖6 數(shù)據(jù)通道采樣對齊與彈性緩存邏輯

5 消息傳輸與重傳機(jī)制

在主站點(diǎn)與從站點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換過程中，主站點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)起命令幀，從站點(diǎn)監(jiān)測命令幀并發(fā)送響應(yīng)幀。在傳輸過程中，若由于傳輸通道瞬態(tài)故障或永久故障的影響，導(dǎo)致從站點(diǎn)未檢測到有效命令幀或者主站點(diǎn)未檢測到有效響應(yīng)幀，主站點(diǎn)將啟動通道故障診斷操作，從5條數(shù)據(jù)傳輸通道中重新選擇4條通道作為工作通道，并啟動消息的重新傳輸操作。在該過程中，故障通道定位與隔離、消息重傳操作均是硬件底層行為，無需軟件干預(yù)，提高了總線通信的自動化程度。

一次消息傳輸與重傳流程如圖7所示，其具體步驟如下：

1)主站點(diǎn)在當(dāng)前處于工作狀態(tài)的4條數(shù)據(jù)傳輸通道上發(fā)出傳輸命令后，等待從站點(diǎn)響應(yīng)；

2)從站點(diǎn)監(jiān)聽全部數(shù)據(jù)傳輸通道，通過將接收的碼流與已定義傳輸命令的格式進(jìn)行比對，來區(qū)分命令類型。當(dāng)解析出正確的傳輸命令、且接收的地址與從站點(diǎn)分配的地址空間匹配后，從站點(diǎn)完成與命令相對應(yīng)的讀寫操作，并在檢測到本次傳輸命令的4條數(shù)據(jù)傳輸通道上發(fā)送響應(yīng)給主站點(diǎn)，否則，從站點(diǎn)繼續(xù)監(jiān)聽數(shù)據(jù)傳輸通道；

3)主站點(diǎn)在4條工作數(shù)據(jù)傳輸通道上檢測響應(yīng)，若在系統(tǒng)允許的最大響應(yīng)時間內(nèi)未檢測到同步頭段，或者主控制器檢測到同步頭段，但同步頭段后續(xù)的位流組成與預(yù)期響應(yīng)格式不一致，主站點(diǎn)判定本次傳輸失敗，跳至步驟4；若主站點(diǎn)在允許響應(yīng)的時間內(nèi)檢測到正確的響應(yīng)，跳至步驟7執(zhí)行；

4)若當(dāng)前傳輸?shù)闹貍鞔螖?shù)小于預(yù)設(shè)的最大重傳次數(shù)，主站點(diǎn)發(fā)出一次數(shù)據(jù)傳輸通道故障診斷命令，跳至步驟5；否則，判定當(dāng)前傳輸?shù)闹貍鬟^程失敗，跳至步驟7執(zhí)行；

5)從站點(diǎn)監(jiān)聽全部數(shù)據(jù)傳輸通道，若收到與站點(diǎn)ID相匹配的數(shù)據(jù)傳輸通道故障診斷命令的通道個數(shù)大于或等于2時，認(rèn)定數(shù)據(jù)傳輸通道故障診斷命令有效，從站點(diǎn)在接收到正確的數(shù)據(jù)傳輸通道故障診斷命令碼流的數(shù)據(jù)傳輸通道上發(fā)出相應(yīng)的響應(yīng)；

6)主站點(diǎn)在全部數(shù)據(jù)傳輸通道上檢測響應(yīng)，若響應(yīng)超時或者檢測到正常響應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸通道條數(shù)小于4時，跳至步驟4執(zhí)行；否則，主站點(diǎn)從正常響應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸通道中選出4條作為下一次傳輸?shù)墓ぷ鲾?shù)據(jù)傳輸通道,并跳轉(zhuǎn)至步驟1執(zhí)行；

7)本次傳輸結(jié)束。

圖7 消息傳輸與重傳流程

6 總線控制器邏輯實(shí)現(xiàn)

總線控制器設(shè)計(jì)包括主站點(diǎn)控制器和從站點(diǎn)控制器2部分。主站點(diǎn)控制器邏輯結(jié)構(gòu)如圖8所示，主要由CPU總線接口、深度為16的單次訪問序列、總通道數(shù)為16的DMA批量訪問序列、存儲器訪問仲裁器、傳輸事務(wù)控制、8B/10B編解碼、CRC-16計(jì)算、位發(fā)送、位采樣以及位接收等邏輯單元組成。從站點(diǎn)控制器邏輯單元組成與主站點(diǎn)控制器相似，不再贅述。

圖8 主站點(diǎn)總線主控制器邏輯結(jié)構(gòu)框圖

在單次IO讀寫操作過程中，MC依據(jù)DSP發(fā)出訪問地址的高位地址段來實(shí)現(xiàn)與分配特定ID的從站點(diǎn)SC地址空間的自動關(guān)聯(lián)。MC使用單次訪問序列對解析的SCID號、訪問地址、訪問類型以及訪問數(shù)據(jù)信息進(jìn)行先進(jìn)先出管理。傳輸事務(wù)控制模塊查詢單次訪問序列狀態(tài)，待該序列非空時，啟動位發(fā)送操作。位發(fā)送單元依據(jù)單次IO讀寫操作命令格式完成曼徹斯特編碼和奇校驗(yàn)編碼操作，并移位輸出至串行總線。MC依據(jù)IO讀寫操作命令響應(yīng)格式對SC發(fā)出的響應(yīng)進(jìn)行有效性判斷和數(shù)據(jù)提取操作。

對于批量讀寫操作命令，MC使用DMA訪問序列進(jìn)行命令緩存。在MC執(zhí)行批量寫操作命令時，MC根據(jù)DMA通道屬性訪問MC外部擴(kuò)展RAM，將訪問返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行8B/10B編碼和CRC編碼后，按照批量傳輸命令格式移位輸出至數(shù)據(jù)總線。與之相對應(yīng)，在MC執(zhí)行批量讀操作命令時，MC將從總線采樣的位流進(jìn)行8B/10B解碼和CRC解算，并將解碼后的數(shù)據(jù)寫入由當(dāng)前DMA通道屬性參數(shù)指定的RAM地址區(qū)域。DSP可通過中斷或查詢的方式獲取批量傳輸?shù)臓顟B(tài)。

主從站點(diǎn)控制器采用Xilinx K7系列FPGA實(shí)現(xiàn)，邏輯綜合結(jié)果表明單條差分?jǐn)?shù)據(jù)線最高傳輸帶寬可達(dá)100MHz，從而可實(shí)現(xiàn)400Mbps的峰值傳輸帶寬。IP仿真結(jié)果表明，執(zhí)行單次IO操作耗時低于0.7μs；DSP執(zhí)行一次傳輸長度為512字節(jié)的批量讀寫操作耗時低于14μs。與傳統(tǒng)航電設(shè)備采用的并行總線相比，本串行總線通信帶寬優(yōu)勢明顯，且支持2種通信方式，使用方式更靈活。

7 結(jié)束語

針對航電設(shè)備高傳輸帶寬、高可靠與小型化的發(fā)展趨勢，提出1種新型多點(diǎn)互聯(lián)高速冗余總線通信方法以及總線控制器IP的實(shí)現(xiàn)策略?；诒救哂喔咚俅型ㄐ趴偩€的飛控裝置已通過各種試驗(yàn)考核，運(yùn)行穩(wěn)定。與傳統(tǒng)機(jī)內(nèi)并行總線相比，該冗余高速串行通信總線在傳輸帶寬、可靠性、可動態(tài)擴(kuò)展、可維護(hù)、可測性、小型化和集成化方面具備顯著優(yōu)勢，有良好的工程應(yīng)用前景。