高速SpaceFibre總線節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

祝 平，朱 巖，安軍社，江源源，周 莉

(1.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心 復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

隨著空間技術(shù)的飛速發(fā)展，星上任務(wù)的規(guī)模和復(fù)雜度也相應(yīng)地提升，面對星上各類載荷設(shè)備越來越多的數(shù)據(jù)量，需要考慮不同數(shù)據(jù)源的傳輸需求和載荷設(shè)備之間靈活的互聯(lián)方案。傳統(tǒng)的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN) 總線、1553 B越來越難以滿足空間任務(wù)的發(fā)展需求。2003年，歐空局提出的SpaceWire總線協(xié)議支持全雙工點(diǎn)對點(diǎn)和靈活的路由組網(wǎng)，但傳輸速度最高只有400 Mbit/s。

針對航天傳輸任務(wù)中的諸多需求，2019年歐空局在SpaceWire總線的基礎(chǔ)上提出了面向高速傳輸?shù)男乱淮咚倩ヂ?lián)總線網(wǎng)絡(luò)SpaceFibre[1]的標(biāo)準(zhǔn)。SpaceFibre支持點(diǎn)對點(diǎn)全雙工傳輸，采用8 B/10 B編碼，單通道速率最高可達(dá)6.25 Gbit/s，多通道傳輸速率可達(dá)50 Gbit/s，支持光纖和電纜傳輸；支持路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，拓?fù)潇`活，能夠?qū)崿F(xiàn)各類星載設(shè)備的互聯(lián)。同時(shí)SpaceFibre能夠在網(wǎng)絡(luò)層兼容SpaceWire，實(shí)現(xiàn)已有SpaceWire設(shè)備的平穩(wěn)升級。

SpaceFibre技術(shù)在國外的研究開始較早，逐漸成為國際上星載總線技術(shù)的研究熱點(diǎn)。英國鄧迪大學(xué)的Parks等[2-4]研發(fā)了基于各類抗輻照和商業(yè)FPGA的SpaceFibre節(jié)點(diǎn)知識產(chǎn)權(quán)(Intellectual Property，IP)核和路由IP，以及路由設(shè)備SUNRISE及配套的測試分析儀STAR Fire和STAR Fire MK3[5]，并設(shè)計(jì)了一款抗輻照的SpaceFibre超高速串行接口VHiSSI[6]，完成了測試和流片。德國比勒費(fèi)爾德大學(xué)的Jungewelter等[7]和瑞典Cobham Gaisler公司的Siegle等[8]也研制了相關(guān)的節(jié)點(diǎn)IP。日本電氣股份有限公司的Hiroki等[9]在研發(fā)的新型納米橋現(xiàn)場可編程門陣列(NanoBridge Filed Programmable Gate Array，NBFPGA)上實(shí)現(xiàn)了SpaceFibre傳輸來自光學(xué)傳感器和合成孔徑雷達(dá)的高清圖像，并在“創(chuàng)新衛(wèi)星技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目”中進(jìn)行了驗(yàn)證。

國內(nèi)對SpaceWire技術(shù)的研究較成熟，對 SpaceFibre技術(shù)的研究尚處于起步階段。上海創(chuàng)景計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有限公司的徐曙清等[10]對SpaceWire和SpaceFibre的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述。北京航空航天大學(xué)的伊小素等[11]針對SpaceFibre的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)機(jī)制進(jìn)行了仿真研究，張春熹等[12]對SpaceFibre的即插即用技術(shù)進(jìn)行了性能分析。

本文通過研究SpaceFibre網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，針對SpaceFibre網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵問題和技術(shù)，提出一種SpaceFibre總線節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。為了解決多路虛擬通道的流量控制申請沖突，提出了輪詢仲裁算法；針對QoS調(diào)度機(jī)制中諸多參數(shù)和變量的計(jì)算比較，設(shè)計(jì)了一個(gè)能高效進(jìn)行QoS參數(shù)計(jì)算并完成QoS調(diào)度的狀態(tài)機(jī)；針對復(fù)雜的錯(cuò)誤檢測隔離恢復(fù)(Fault Detection Isolation and Recovery, FDIR)機(jī)制設(shè)計(jì)了一個(gè)并行的分區(qū)存儲架構(gòu)和重發(fā)控制算法，能實(shí)現(xiàn)備份的清除和重發(fā)，降低了處理延遲；針對各類數(shù)據(jù)的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼和偽隨機(jī)序列的生成，設(shè)計(jì)了對應(yīng)的并行處理方案。最后搭建仿真平臺，通過仿真驗(yàn)證和板上測試，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了SpaceFibre總線節(jié)點(diǎn)的功能，串行傳輸速度可達(dá)3.125 Gbit/s，滿足實(shí)際高速數(shù)據(jù)傳輸需求。

1 SpaceFibre協(xié)議棧

SpaceFibre協(xié)議棧包括物理層、通道層、多通道層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及管理層，協(xié)議棧框架如圖1所示。

圖1 SpaceFibre協(xié)議棧Fig.1 Protocol of SpaceFibre

物理層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換、串行收發(fā)以及時(shí)鐘恢復(fù)，傳輸介質(zhì)可采用光纖或者電纜；通道層主要通過鏈路初始化狀態(tài)機(jī)以及通道控制字實(shí)現(xiàn)鏈路的連接，并完成8 B/10 B編解碼、字符同步字同步、時(shí)鐘矯正等功能；多通道層主要實(shí)現(xiàn)多通道的控制，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏侣?；?shù)據(jù)鏈路層主要實(shí)現(xiàn)對多路數(shù)據(jù)的管理調(diào)度發(fā)送和接收，為虛擬通道和廣播通道提供流量控制、QoS服務(wù)、FDIR錯(cuò)誤恢復(fù)以及數(shù)據(jù)編號、組幀解幀等功能；網(wǎng)絡(luò)層主要通過虛擬網(wǎng)絡(luò)的劃分實(shí)現(xiàn)路由各個(gè)端口虛擬通道之間的數(shù)據(jù)交換和路由；管理層主要實(shí)現(xiàn)各層命令參數(shù)的配置和狀態(tài)的讀取。

相比SpaceWire總線，SpaceFibre在傳輸性能和傳輸速度上都有很大的提升，其性能對比見表1。SpaceFibre采用多路虛擬通道機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)對多路數(shù)據(jù)的傳輸；引入QoS機(jī)制，為各類數(shù)據(jù)流提供不同帶寬和優(yōu)先級的管理調(diào)度和傳輸服務(wù)；傳輸過程中為數(shù)據(jù)流提供確認(rèn)，傳輸錯(cuò)誤時(shí)能實(shí)現(xiàn)基于FDIR的錯(cuò)誤恢復(fù)，并提供有保障的高可靠傳輸服務(wù)。由于其優(yōu)越的性能，SpaceFibre成為星載互聯(lián)總線技術(shù)的研究熱點(diǎn)，有重要的研究意義。

表 1 SpaceWire和SpaceFibre性能對比

2 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對SpaceFibre網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究，提出了一種基于FPGA的單通道SpaceFibre總線節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。其中，數(shù)據(jù)鏈路層包括4路虛擬通道，通道層為單通道，物理層傳輸速度可達(dá)3.125 Gbit/s。FPGA內(nèi)部提供了豐富的可編程邏輯資源，集成了高速串行接口吉比特收發(fā)器(Gigabit Transceiver X, GTX)核，便于編程實(shí)現(xiàn)和靈活移植，具備一定的通用性。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)鏈路層、通道層、物理層以及管理層，架構(gòu)如圖2所示。

圖2 SpaceFibre節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.2 System design scheme of SpaceFibre node

2.1 物理層

物理層采用FPGA的GTX IP實(shí)現(xiàn)。在配置GTX IP時(shí)，參考時(shí)鐘為125 MHz，數(shù)據(jù)位寬設(shè)置為32位，串行速率可設(shè)置為3.125 Gbit/s，對應(yīng)的GTX用戶時(shí)鐘為78.125 MHz。同時(shí)GTX實(shí)現(xiàn)了通道層的部分功能，如8 B /10 B編解碼、字符及字同步、時(shí)鐘矯正等功能。

2.2 通道層

通道層功能包括通道層控制功能和GTX所實(shí)現(xiàn)的通道層部分功能。通道層控制功能包括通道初始化狀態(tài)機(jī)、通道字插入以及通道字檢測。通道初始化狀態(tài)機(jī)通過INIT1、INIT2以及INIT3控制字三次握手成功后，在ACTIVE狀態(tài)下進(jìn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)收發(fā)。通道字插入根據(jù)狀態(tài)機(jī)指令生成通道控制字，并發(fā)送來自數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)字。通道字檢測根據(jù)接收到的通道控制字生成狀態(tài)機(jī)指令，同時(shí)把接收的數(shù)據(jù)字傳輸?shù)綌?shù)據(jù)鏈路層。

2.3 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層主要包括發(fā)送模塊、接收模塊，以及鏈路復(fù)位模塊。

發(fā)送模塊發(fā)送來自上層的數(shù)據(jù)和廣播信息。由介質(zhì)訪問控制(Media Access Control，MAC)模塊實(shí)現(xiàn)多路輸出虛擬通道(Virtual Channel, VC)，基于QoS機(jī)制的調(diào)度，對三類重要數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)幀、廣播幀和流量控制字(Flow Control Token，F(xiàn)CT)按照發(fā)送順序依次編號，進(jìn)行基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check，CRC)的組幀。在數(shù)據(jù)發(fā)送的同時(shí)，備份到錯(cuò)誤恢復(fù)緩存，以便接收方接收錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)行重發(fā)恢復(fù)。數(shù)據(jù)復(fù)用模塊按照數(shù)據(jù)優(yōu)先級順序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行搶占式發(fā)送，無數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)發(fā)送空閑幀。

接收模塊主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，并根據(jù)接收狀態(tài)生成確認(rèn)控制字和非確認(rèn)控制字(ACKnowledge/Negative ACKnowledge，ACK/NACK)。當(dāng)廣播幀、數(shù)據(jù)幀以及FCT控制字正確接收時(shí)，生成ACK發(fā)送到發(fā)送方，以刪除發(fā)送方錯(cuò)誤恢復(fù)緩存中已成功接收的備份；當(dāng)接收時(shí)發(fā)生CRC錯(cuò)誤或序列號錯(cuò)誤，錯(cuò)誤恢復(fù)控制模塊生成NACK發(fā)送到發(fā)送方，以請求發(fā)送方的錯(cuò)誤恢復(fù)緩存進(jìn)行備份重發(fā)恢復(fù)。當(dāng)接收數(shù)據(jù)從輸入虛擬通道緩存中被讀走，向發(fā)送方發(fā)送FCT，告知空出的接收緩存空間，實(shí)現(xiàn)流量的控制。

鏈路復(fù)位模塊通過接收管理層的復(fù)位命令，實(shí)現(xiàn)了鏈路復(fù)位的控制，完成各層的復(fù)位。

2.4 管理層

管理層包括命令配置模塊和狀態(tài)讀取模塊，分別對各層的命令配置寄存器進(jìn)行實(shí)時(shí)的配置，對狀態(tài)寄存器進(jìn)行實(shí)時(shí)的讀取。

3 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

3.1 基于輪詢仲裁的多虛擬通道流量控制

SpaceFibre節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈路層支持多路虛擬通道，通過FCT控制字實(shí)現(xiàn)對每個(gè)VC的流量控制：每當(dāng)被從輸入VC中讀取64個(gè)數(shù)據(jù)字后，接收方都會向數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)送一個(gè)FCT，每個(gè)FCT攜帶對應(yīng)的VC編號；發(fā)送方收到FCT后，被告知在接收方相應(yīng)的輸入VC中空出了緩存空間，可繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)VC的流量控制。

由于多路輸入VC中的數(shù)據(jù)可以同時(shí)被讀出，會存在多路輸入VC同時(shí)有空閑并同時(shí)向發(fā)送方提出FCT發(fā)送申請，因此會產(chǎn)生FCT發(fā)送申請沖突。為了解決多路VC的FCT發(fā)送申請沖突，對多路VC采用了輪詢仲裁算法，輪詢仲裁算法按照默認(rèn)的輪詢順序，對各路VC的FCT發(fā)送申請沖突依次完成仲裁。FCT輪詢仲裁算法步驟如下所示。

步驟1：初始化設(shè)置默認(rèn)輪詢順序。

步驟2：收到多個(gè)VC的FCT申請，按輪詢順序響應(yīng)第一順位申請，發(fā)送對應(yīng)的申請F(tuán)CT_req(i)。

步驟3：收到FCT已發(fā)送確認(rèn)FCT_ack(i)，根據(jù)輪詢順序置i+1為第一順位。

步驟4：響應(yīng)申請直至發(fā)送完所有申請。

3.2 基于處理狀態(tài)機(jī)的QoS機(jī)制

QoS機(jī)制通過配置QoS參數(shù)實(shí)現(xiàn)對各個(gè)VC中數(shù)據(jù)的調(diào)度，為各路VC中的數(shù)據(jù)提供不同質(zhì)量的傳輸服務(wù)。QoS機(jī)制主要由MAC模塊實(shí)現(xiàn)，過程如下：在滿足發(fā)送條件的VC中選擇優(yōu)先級最高的VC中的數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀發(fā)送，每發(fā)送完一段數(shù)據(jù)幀后，更新各個(gè)VC的優(yōu)先級并進(jìn)行下一輪發(fā)送。由于QoS機(jī)制涉及諸多參數(shù)和變量，在每幀數(shù)據(jù)被發(fā)送調(diào)度之前需要對各參數(shù)變量進(jìn)行計(jì)算和比較，因此參數(shù)變量的計(jì)算和比較的效率關(guān)系到數(shù)據(jù)幀的傳輸效率。

若節(jié)點(diǎn)中存在i個(gè)VC，每個(gè)VC都會被分配對應(yīng)的QoS參數(shù)：一個(gè)優(yōu)先權(quán)R[i],一個(gè)帶寬預(yù)留比例BwPer[i],以及一個(gè)64位寬的時(shí)間片調(diào)度表TimeSlot[i]。優(yōu)先權(quán)R[i]=0時(shí)優(yōu)先等級最高；預(yù)留帶寬比例是為該VC所預(yù)留的可用帶寬比例；時(shí)間片調(diào)度表中的01序列指示了當(dāng)前時(shí)間片中該VC是否具有發(fā)送權(quán)；時(shí)間片長度可由上層網(wǎng)絡(luò)定義。QoS變量包括帶寬信用(BwCredit)和優(yōu)先級(Precedence)，其中優(yōu)先權(quán)和優(yōu)先級的換算公式如式(1)所示；帶寬信用和帶寬預(yù)留比例，以及每次VC發(fā)送的數(shù)據(jù)量相關(guān)，如式(2)所示；優(yōu)先級為優(yōu)先權(quán)和帶寬信用之和，綜合考量了各個(gè)VC的優(yōu)先權(quán)等級和剩余的帶寬信用情況，如式(3)所示，各參數(shù)如表2所示。

Priority[i]=2B(Q-1-R[i])+B

(1)

(2)

Precedence[i]=Priority[i]+BwCredit[i]

(3)

為了高效地進(jìn)行QoS調(diào)度，設(shè)計(jì)了一個(gè)處理狀態(tài)機(jī)：每次調(diào)度前，先選出當(dāng)前時(shí)間片內(nèi)允許發(fā)送數(shù)據(jù)的VC發(fā)送申請，比較各VC的優(yōu)先級，并選出優(yōu)先級最高的VC進(jìn)行組幀發(fā)送；在該VC發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)統(tǒng)計(jì)所有VC鏈路上的AvailableBw[n]和該VC發(fā)送的數(shù)據(jù)字UsedBw[i]，數(shù)據(jù)段發(fā)送截止時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送量也已計(jì)數(shù)完畢；最后在發(fā)送幀尾時(shí)進(jìn)行QoS變量計(jì)算更新，以進(jìn)行下一輪的優(yōu)先級比較和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了與數(shù)據(jù)發(fā)送的并行處理。各QoS參數(shù)由管理層寫入，變量的計(jì)算和比較各占一個(gè)時(shí)鐘周期，發(fā)生在數(shù)據(jù)幀幀頭和幀尾的發(fā)送過程，對數(shù)據(jù)幀的發(fā)送幾乎無延遲。QoS狀態(tài)機(jī)流程如圖3所示。

表2 QoS公式參數(shù)

圖3 QoS狀態(tài)機(jī)流程Fig.3 QoS state machine flow

3.3 基于重發(fā)控制算法的FDIR機(jī)制

FDIR機(jī)制對已發(fā)送的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤恢復(fù)。SpaceFibre中三類重要數(shù)據(jù)分別為廣播幀、FCT和數(shù)據(jù)幀，優(yōu)先級依次降低，如圖4所示。在發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，對各類數(shù)據(jù)按照發(fā)送序列號Tx_seq編號依次備份，按優(yōu)先級搶占式發(fā)送。接收方若成功接收數(shù)據(jù)，則發(fā)送正確確認(rèn)控制字ACK；若數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤，則發(fā)送錯(cuò)誤確認(rèn)控制字NACK。ACK和NACK均攜帶接收方已成功接收的序列號Rx_seq，發(fā)送方收到ACK(Rx_seq)后清除備份中Tx_seq小于等于Rx_seq的備份，即刪除接收方已成功接收的數(shù)據(jù)備份；收到NACK(Rx_seq)后先清除已成功接收的數(shù)據(jù)備份，再對未成功接收的數(shù)據(jù)備份按照優(yōu)先級進(jìn)行重發(fā)恢復(fù)，重發(fā)序號從Rx_seq+1開始，備份重新進(jìn)行校驗(yàn)組幀。

由于三類數(shù)據(jù)格式不同，發(fā)送時(shí)按照優(yōu)先級搶占式發(fā)送，發(fā)送編號混雜，給按優(yōu)先級重發(fā)恢復(fù)帶來困難；在清除和重發(fā)時(shí)，需要對比接收序列號Rx_seq和各備份的發(fā)送序列號Tx_seq的大小，而發(fā)送序列號均在各備份的幀尾，直接比較會導(dǎo)致延時(shí)過大。因此，需要設(shè)計(jì)合理的存儲結(jié)構(gòu)和重發(fā)控制算法。

圖4 SpaceFibre的重要數(shù)據(jù)格式Fig.4 Important data format of SpaceFibre

為了提高FDIR的處理效率，本文提出了一種邊發(fā)邊備的并行分區(qū)存儲架構(gòu)，按數(shù)據(jù)類型對備份進(jìn)行分區(qū)存儲，在數(shù)據(jù)發(fā)送的同時(shí)進(jìn)行備份。同時(shí)，針對該并行分區(qū)存儲架構(gòu)，提出了FDIR機(jī)制的主控狀態(tài)機(jī)和一種高效的存儲分區(qū)重發(fā)控制算法，實(shí)現(xiàn)對不同數(shù)據(jù)類型的備份、清除和快速重發(fā)恢復(fù)。

邊發(fā)邊備的并行分區(qū)存儲架構(gòu)按照數(shù)據(jù)優(yōu)先級對三類數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)備份，在數(shù)據(jù)正常組幀發(fā)送的同時(shí)備份到各自的存儲分區(qū)，備份操作對數(shù)據(jù)發(fā)送不會造成延遲。當(dāng)收到ACK/NACK進(jìn)行備份清除或錯(cuò)誤重發(fā)恢復(fù)時(shí)，根據(jù)不同數(shù)據(jù)形式設(shè)計(jì)了并行分區(qū)存儲的內(nèi)部架構(gòu)，如圖5所示。

圖5 并行分區(qū)存儲架構(gòu)Fig.5 Parallel partitioned storage architecture

對于廣播幀和數(shù)據(jù)幀，雖幀長不同但幀格式相似，故存儲分區(qū)架構(gòu)相同，分區(qū)內(nèi)部包括備份緩存和標(biāo)識緩存。其中，備份緩存用來存放數(shù)據(jù)備份，標(biāo)識緩存用來存放備份標(biāo)識。當(dāng)每幀數(shù)據(jù)存入備份緩存時(shí)，對應(yīng)的地址指針更新以指示該備份的存儲地址，同時(shí)該備份對應(yīng)的備份標(biāo)識也存入標(biāo)識緩存。為了高效地識別備份，設(shè)計(jì)了備份標(biāo)識結(jié)構(gòu)：{重發(fā)標(biāo)識+備份幀尾地址+備份發(fā)送序列號}。重發(fā)標(biāo)識是為了區(qū)分備份緩存未重發(fā)的數(shù)據(jù)和已重發(fā)且又再次被備份到緩存中的數(shù)據(jù)，從而避免多次重發(fā)；備份幀尾地址是對幀的存儲位置進(jìn)行標(biāo)識，當(dāng)收到ACK/NACK進(jìn)行備份清除時(shí)，以便及時(shí)地釋放備份中的緩存空間；備份發(fā)送序列號是為了在備份清除時(shí)無須讀出完整數(shù)據(jù)備份，即可進(jìn)行序列號比較。

對于FCT控制字備份，由于僅有一個(gè)數(shù)據(jù)字，序列號便于讀取比較，故為了節(jié)省存儲資源，僅設(shè)置一個(gè)FCT緩存，同時(shí)為了區(qū)分已重發(fā)數(shù)據(jù)和未重發(fā)數(shù)據(jù)，F(xiàn)CT備份數(shù)據(jù)的高位加入重發(fā)標(biāo)識。

針對該并行分區(qū)存儲架構(gòu)，設(shè)計(jì)了FDIR機(jī)制主控狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)如圖6所示。針對各備份分區(qū)內(nèi)部的存儲架構(gòu)，提出了重發(fā)控制算法，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)分區(qū)的正確備份清除和錯(cuò)誤備份重發(fā)恢復(fù)。重發(fā)控制算法步驟如下所示。

圖6 FDIR主控狀態(tài)機(jī)Fig.6 Main state machine of FDIR

步驟1：收到ACK/NACK，得到Rx_seq，與各分區(qū)中備份的Tx_seq比較，各分區(qū)并行執(zhí)行備份刪除：對數(shù)據(jù)幀和廣播幀分區(qū)中的標(biāo)識緩存，若Tx_seq≤Rx_seq，則刪除該備份的標(biāo)識，同時(shí)更新該備份數(shù)據(jù)緩存中的地址指針以釋放緩存空間；對于FCT分區(qū)，直接比較備份緩存中的Tx_seq和Rx_seq, 若Tx_seq≤Rx_seq，則直接刪除備份。當(dāng)分區(qū)的備份數(shù)據(jù)Tx_seq>Rx_seq時(shí)，無須刪除備份。

步驟2：數(shù)據(jù)備份清除完畢后，若主控狀態(tài)是ACK，則返回正常備份狀態(tài)；若主控狀態(tài)是NACK，則進(jìn)入數(shù)據(jù)重發(fā)狀態(tài)。

步驟3：在數(shù)據(jù)重發(fā)時(shí)，先翻轉(zhuǎn)重發(fā)標(biāo)識，更新發(fā)送序列號Tx_seq=Rx_seq。首先根據(jù)優(yōu)先級重發(fā)廣播幀，重發(fā)的同時(shí)備份重發(fā)數(shù)據(jù)和備份標(biāo)識，當(dāng)備份標(biāo)識中的重發(fā)標(biāo)識均為翻轉(zhuǎn)后的重發(fā)標(biāo)識時(shí)說明重發(fā)結(jié)束，緩存中均為重發(fā)數(shù)據(jù)；然后重發(fā)FCT，重發(fā)的同時(shí)備份FCT，當(dāng)備份標(biāo)識中的重發(fā)標(biāo)識均為翻轉(zhuǎn)后的重發(fā)標(biāo)識說明重發(fā)結(jié)束；最后重發(fā)數(shù)據(jù)幀，重發(fā)過程同廣播幀。

步驟4：重發(fā)結(jié)束后，返回?cái)?shù)據(jù)正常備份狀態(tài)。

通過重發(fā)控制算法，在清除備份時(shí)無須從緩存中依次讀出備份，僅需刪除標(biāo)識緩存中的備份標(biāo)識，并更新備份的地址指針，即可釋放備份的緩存空間，操作簡單高效，提高了備份緩存的利用率。同時(shí)，各分區(qū)在接收正常數(shù)據(jù)備份的過程中，能夠并行地執(zhí)行備份清除操作，對數(shù)據(jù)的正常發(fā)送無延遲影響。在錯(cuò)誤重發(fā)時(shí)，通過重發(fā)控制算法能夠?qū)Ω黝悢?shù)據(jù)按照優(yōu)先級依次重發(fā)，并可以對重發(fā)后的數(shù)據(jù)再次備份，利用重發(fā)標(biāo)識能有效地區(qū)分原有備份和重發(fā)備份。針對不同的數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)了不同的備份分區(qū)存儲架構(gòu)和重發(fā)控制算法，提升了FDIR的數(shù)據(jù)處理效率。

3.4 數(shù)據(jù)并行處理方案

3.4.1 并行CRC

SpaceFibre中數(shù)據(jù)幀、廣播幀、FCT及其他控制字均需要進(jìn)行CRC校驗(yàn)，其中數(shù)據(jù)幀CRC校驗(yàn)生成式為G(X)=X16+X12+X5+ 1，原理如圖7所示，CRC校驗(yàn)范圍包括32位的幀頭、32位的數(shù)據(jù)以及高16位的幀尾。廣播幀的CRC生成式為G(X) =X8+X2+X+ 1，CRC校驗(yàn)范圍包括32位的幀頭、32位的數(shù)據(jù)以及高24位的幀尾。FCT及其他控制字為一個(gè)32位的數(shù)據(jù)字，CRC校驗(yàn)范圍均為高24位，CRC生成式與廣播幀相同。

圖7 CRC16計(jì)算原理Fig.7 Principle of CRC16

由于串行CRC算法需要占用多個(gè)時(shí)鐘周期才能得到多位數(shù)據(jù)的CRC，若通過對串行CRC校驗(yàn)進(jìn)行時(shí)鐘倍頻，會因頻率過高導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；采用查表法則會占用過多的存儲資源，通過對CRC算法的比較[13-15]，選擇采用基于公式遞推法的并行CRC算法，能夠在一個(gè)時(shí)鐘下實(shí)現(xiàn)多位數(shù)據(jù)的CRC計(jì)算。以數(shù)據(jù)幀為例，若32位的數(shù)據(jù)為D[i](i=0,…,31)，在第1個(gè)時(shí)鐘時(shí)對D[0]進(jìn)行校驗(yàn)，可以計(jì)算出該時(shí)鐘下各CRC寄存器的表達(dá)式C[i](i=0,…,15)；以此類推，即可得到32個(gè)時(shí)鐘后，對32位數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)后的各CRC寄存器表達(dá)式C[i]。故根據(jù)CRC寄存器的初始值和各表達(dá)式，即可完成在一個(gè)時(shí)鐘下32位數(shù)據(jù)的并行CRC計(jì)算。

由于不同數(shù)據(jù)格式的CRC校驗(yàn)范圍不同，如數(shù)據(jù)幀既需要對32位數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC計(jì)算，又需要對幀尾的16位數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC計(jì)算，僅采用32位并行CRC表達(dá)式不能滿足校驗(yàn)需求。故針對不同數(shù)據(jù)特征設(shè)計(jì)了不同的CRC校驗(yàn)方案：對數(shù)據(jù)幀采用了基于CRC16的32位數(shù)據(jù)和16位數(shù)據(jù)的組合并行CRC算法；對廣播幀采用了基于CRC8的32位數(shù)據(jù)和24位數(shù)據(jù)的組合并行CRC算法；對FCT等控制字采用基于CRC8的24位數(shù)據(jù)并行CRC。采用不同的組合并行CRC算法，一個(gè)時(shí)鐘即可對多位數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)時(shí)能應(yīng)對數(shù)據(jù)校驗(yàn)長度的變化，提高了節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理效率。

3.4.2 并行偽隨機(jī)碼

在SpaceFibre中，空閑幀的內(nèi)部由32位寬的偽隨機(jī)數(shù)組成，偽隨機(jī)數(shù)的生成式為G(X)=X16+X5+X4+X3+1。不同于CRC校驗(yàn)，偽隨機(jī)碼的生成無須數(shù)據(jù)輸入，僅需偽隨機(jī)寄存器的串行輸出序列。但若串行計(jì)算偽隨機(jī)碼則會占用過多的時(shí)鐘周期，采用倍頻會導(dǎo)致高速系統(tǒng)不穩(wěn)定，故借鑒CRC校驗(yàn)中的方法，采用并行的公式遞推法。由于沒有外部輸入，因此32位偽隨機(jī)序列的表達(dá)式可以只由偽隨機(jī)序列的初始值I(i)(i= 0,…,15)表示。16位的偽隨機(jī)序列寄存器表達(dá)式為L(i)(i= 0,…,15)，輸出32位的偽隨機(jī)序列表達(dá)式依次為P(i)(i= 0,…,31)。

偽隨機(jī)碼計(jì)算原理如圖8所示，輸出偽隨機(jī)碼P(i)即為每個(gè)時(shí)鐘偽隨機(jī)序列寄存器L(15)。以一個(gè)字節(jié)的偽隨機(jī)碼為例，第1個(gè)時(shí)鐘后P(0)=L(15)=I(15)；第2個(gè)時(shí)鐘后P(1)=L(15)=I(14),…,P(8)=L(15)=I(8)。通過遞推可以看出，在已知偽隨機(jī)序列的初始值I(i)的情況下，只需依次求得8個(gè)時(shí)鐘下所有L(15)的表達(dá)式，即可一次性求得一個(gè)并行的8位并行偽隨機(jī)碼。經(jīng)過8個(gè)時(shí)鐘后，偽隨機(jī)序列寄存器的表達(dá)式如下：

(4)

圖8 PRBS計(jì)算原理Fig.8 Principle of PRBS

由于需要計(jì)算一組32位的偽隨機(jī)序列碼，為了便于進(jìn)行公式推導(dǎo)，32位偽隨機(jī)序列的表達(dá)式可以分為4個(gè)字節(jié)的偽隨機(jī)序列。在第2個(gè)字節(jié)的偽隨機(jī)碼計(jì)算時(shí)，以上述第1個(gè)字節(jié)經(jīng)過8個(gè)時(shí)鐘后的偽隨機(jī)序列寄存器的值作為第2個(gè)字節(jié)推導(dǎo)時(shí)的初始值，再次對第2個(gè)字節(jié)進(jìn)行如第1個(gè)字節(jié)的推導(dǎo)過程，求出8個(gè)時(shí)鐘下P(i)(i=8,…,15)的值。通過重復(fù)上述迭代推導(dǎo)，最終可以獲得32個(gè)時(shí)鐘內(nèi)，每個(gè)時(shí)鐘下各個(gè)輸出的偽隨機(jī)數(shù)表達(dá)式P(0)～P(31)。因此，在一個(gè)時(shí)鐘下，通過計(jì)算32位偽隨機(jī)碼的表達(dá)式，可以一次得出并行的32位偽隨機(jī)碼，提高了空閑幀中偽隨機(jī)碼的計(jì)算效率。此外，32個(gè)時(shí)鐘周期后的偽隨機(jī)序列寄存器的值可以作為下一個(gè)32位偽隨機(jī)碼計(jì)算的初始值I(i)(i=0,…,15)，將其直接代入偽隨機(jī)碼表達(dá)式P(i)即可計(jì)算下一個(gè)32位偽隨機(jī)碼序列。迭代計(jì)算簡單，表達(dá)式利用初始值寄存器和邏輯門表示，節(jié)省了時(shí)鐘資源。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用自頂向下的方法使用Verilog硬件描述語言完成了節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，以ModelSim10.5作為仿真平臺，對節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸、FCT申請的輪詢仲裁、虛擬通道的QoS調(diào)度、FDIR機(jī)制以及數(shù)據(jù)的并行處理等關(guān)鍵功能進(jìn)行了仿真分析。

在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)例化兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，并為發(fā)送方的4個(gè)虛擬通道構(gòu)造4路數(shù)據(jù)源，搭建一個(gè)雙節(jié)點(diǎn)的收發(fā)系統(tǒng)。將4路數(shù)據(jù)源分別寫入4個(gè)對應(yīng)的輸出虛擬通道，經(jīng)過發(fā)送方QoS調(diào)度、數(shù)據(jù)編號組幀以及GTX發(fā)送，在接收方通過GTX接收、數(shù)據(jù)校驗(yàn)解幀以及寫入對應(yīng)的輸入虛擬通道等操作后，從接收方對應(yīng)的輸入虛擬通道讀出。數(shù)據(jù)收發(fā)如圖9所示，在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)虛擬通道之間的數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖9 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收Fig.9 Sending and receiving of data

在輸入虛擬通道中，當(dāng)各路緩存中的數(shù)據(jù)同時(shí)被讀走后產(chǎn)生了FCT申請沖突，為了解決該沖突，對FCT申請進(jìn)行輪詢仲裁。FCT輪詢仲裁如圖10所示，當(dāng)4路VC同時(shí)出現(xiàn)FCT申請沖突時(shí),依次受理了VC0、VC1、VC2、VC3的FCT申請，實(shí)現(xiàn)了輪詢仲裁功能，處理了FCT的發(fā)送申請沖突。

圖10 FCT申請輪詢仲裁Fig.10 Polling arbitration of FCT request

在基于QoS調(diào)度過程中，為了給不同數(shù)據(jù)流提供不同質(zhì)量的傳輸服務(wù)，需要為各路VC配置不同的QoS參數(shù)。給出一種QoS參數(shù)配置方案：VC0、VC1、VC2和VC3的優(yōu)先權(quán)分別為R[0]=0，R[1]=1，R[2]=2，R[3]=3；帶寬百分比BwPer[0]=10%，BwPer[1]=20%，BwPer[2]=20%，BwPer[3]=25%，VC的調(diào)度表TimeSlot[i]均設(shè)置為全1，帶寬信用限制B=10 000。QoS調(diào)度仿真如圖11所示，MAC模塊先選擇最高優(yōu)先級VC0中的數(shù)據(jù)發(fā)送，并按照優(yōu)先級依次發(fā)送VC1、VC2、VC3中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送后各VC對應(yīng)的帶寬信用BwCredit降低，而各VC的優(yōu)先級Precedence也隨之降低；數(shù)據(jù)不發(fā)送時(shí)，帶寬信用和優(yōu)先級緩慢增長。各QoS參數(shù)變化規(guī)律符合式(2)和式(3)，滿足QoS的調(diào)度規(guī)則，同時(shí)QoS參數(shù)計(jì)算和比較對每幀數(shù)據(jù)的發(fā)送幾乎無延遲影響，為各路數(shù)據(jù)源的傳輸提供了QoS服務(wù)。

圖11 QoS調(diào)度仿真Fig.11 Simulation of QoS scheduling

在基于FDIR機(jī)制進(jìn)行錯(cuò)誤重發(fā)時(shí)，結(jié)合重發(fā)控制算法，該分區(qū)存儲架構(gòu)能實(shí)現(xiàn)高效的重發(fā)恢復(fù)。當(dāng)發(fā)送方發(fā)送Tx_seq分別為2、3、4、5、6、7號數(shù)據(jù)幀的同時(shí)，進(jìn)行了數(shù)據(jù)備份。接收方在成功接收2、3、4號后產(chǎn)生接收錯(cuò)誤，并發(fā)送錯(cuò)誤確認(rèn)NACK(Rx_seq=4)，即已正確接收序號為前4的數(shù)據(jù)。發(fā)送方通過重發(fā)控制算法比較Tx_seq和Rx_seq，刪除了標(biāo)識緩存中的標(biāo)識釋放備份緩存，并重發(fā)了備份緩存中未成功接收的5、6、7號數(shù)據(jù)幀。通過與普通重發(fā)控制算法的對比，如圖12所示，在對序號為2、3、4的數(shù)據(jù)備份進(jìn)行清除時(shí)，僅用3個(gè)時(shí)鐘即可實(shí)現(xiàn)備份的刪除，并成功重發(fā)了后續(xù)備份，降低了3個(gè)數(shù)據(jù)幀長的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)了高效的錯(cuò)誤重發(fā)恢復(fù)。

(a) 重發(fā)控制算法(a) Retransmission control algorithm

在數(shù)據(jù)的并行處理中，通過計(jì)算CRC的32位并行表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)完成32位數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)，其他CRC計(jì)算同理。通過計(jì)算推導(dǎo)出的并行32位偽隨機(jī)序列寄存器和并行偽隨機(jī)序列的輸出表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)時(shí)鐘即可計(jì)算出32位并行的偽隨機(jī)數(shù)。并行數(shù)據(jù)計(jì)算如圖13所示，并行的數(shù)據(jù)處理方案提高了節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理效率。

(a) 并行CRC計(jì)算(a) CRC parallel computation

最后，在Xilinx XC6VLX240T-2FFG1156 FPGA上實(shí)現(xiàn)了SpaceFibre節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。通過搭建測試平臺，把節(jié)點(diǎn)IP分別例化到兩塊Virtex-6官方評估板的 FPGA上，利用串行光纖實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，板上主時(shí)鐘頻率為78.125 MHz，串行傳輸速率可達(dá)3.125 Gbit/s。該節(jié)點(diǎn)傳輸性能可以滿足在大容量存儲等高速數(shù)傳項(xiàng)目中的傳輸要求。其資源占用情況如表3所示。

表3 Virtex-6 XC6VLX240T資源占用

5 結(jié)論

SpaceFibre總線網(wǎng)絡(luò)能夠提供基于QoS機(jī)制和FDIR機(jī)制的高速數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活，成了未來航天高速總線網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)。本文在對SpaceFibre協(xié)議研究的基礎(chǔ)上提出了一種基于FPGA的SpaceFibre總線終端節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并針對節(jié)點(diǎn)中的關(guān)鍵問題和技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了FCT申請輪詢仲裁、基于QoS機(jī)制的調(diào)度處理、基于FDIR機(jī)制的錯(cuò)誤重發(fā)恢復(fù)以及數(shù)據(jù)并行處理等關(guān)鍵技術(shù)；最后給出了數(shù)據(jù)傳輸和各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的仿真測試結(jié)果，驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)的功能，為后續(xù)SpaceFibre總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)和在軌應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。