摘 要：介紹了AOS(高等在規(guī)系統(tǒng))的主要功能及其數(shù)據(jù)流特性，進(jìn)而分析了合路器和分路器在該系統(tǒng)的仿真演示和驗(yàn)證中的重要作用。最后，以美國(guó)Xilinx公司的Vietex4芯片為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了合路器和分路器，兩者之間通過(guò)物理信道以帶有優(yōu)先級(jí)的輪詢方式傳遞數(shù)據(jù)。通過(guò)邏輯分析儀觀察測(cè)試測(cè)試數(shù)據(jù)流，取得了較好的結(jié)果，基本滿足系統(tǒng)要求。

關(guān)鍵詞：FPGA；VCDU；分路器；合路器

中圖分類號(hào)：TN919.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004373X(2008)0311103

Study and Implementation of Multiplexer and Demultiplexer in AOS

LIU Yonggang，ZHANG Tianqiao，ZHU Shouzheng

(East China Normal University，Shanghai，200062，China)

Abstract：Firstly，this paper presents the main function of AOS(Advanced Orbiting Systems) and its data flow characteristic，then focuses on the important role of multiplexer and demultiplexer in the system stimulation and verification.Finally，multiplexer and demultiplexer are realized based on the Virtex4 of Xilinx，Inc.in America，and can transfers data through physical channel to each other in the polling with priority，then a well result is got after testing data flow by logic analyzer.The design satisfies the demand of system.

Keywords：FPGA;VCDU;multiplexer;demultiplexer

1 引 言

為了適應(yīng)空間技術(shù)的發(fā)展，尤其是“國(guó)際空間站”的建立與發(fā)展的需要，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)在提出常規(guī)分包遙測(cè)遙控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上又面向載人空間站、無(wú)人空間平臺(tái)、自由飛行器、深空探測(cè)器以及高級(jí)空間運(yùn)輸系統(tǒng)等復(fù)雜航天器提出了靈活性更強(qiáng)，更多樣化的數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)——高等在軌數(shù)據(jù)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱高等在軌系統(tǒng)(AOS)。

空間實(shí)驗(yàn)室AOS的數(shù)據(jù)流有如下特性：(1) 數(shù)據(jù)種類多；(2) 碼率差異大；(3) 異步工作，其數(shù)據(jù)的產(chǎn)生可看作隨即過(guò)程；(4) 數(shù)據(jù)源可更換。

因此，AOS系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1) 根據(jù)數(shù)據(jù)源的性質(zhì)分類，將特性相同或相近的數(shù)據(jù)源合并成一類，并使用相同的虛擬信道；

(2) 高速和低速數(shù)據(jù)在不同的級(jí)別處理；

(3) 各數(shù)據(jù)源的碼率之和大于信道碼速率；

(4) 數(shù)據(jù)處理設(shè)備具有通用的功能和接口。

根據(jù)AOS標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，可以將系統(tǒng)分成如下幾個(gè)主要部分：信號(hào)源、鏈路控制器、合路器、分路器和信號(hào)宿。鏈路控制器在數(shù)據(jù)源端將待傳數(shù)據(jù)打包成符合AOS標(biāo)準(zhǔn)(VCDU格式)的包后發(fā)送給合路器，同時(shí)在數(shù)據(jù)宿端將分路器傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，然后傳到數(shù)據(jù)宿。合路器、分路器主要完成多個(gè)鏈路控制器之間數(shù)據(jù)的調(diào)度和可靠傳送。

由以上功能劃分來(lái)看，信道合路器、分路器是整個(gè)AOS系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。他們屬于空間鏈路層中的硬件實(shí)體，其作用相當(dāng)于虛擬信道存取子層(VCA)中的信道存取過(guò)程。

2 合路器與分路器的研究設(shè)計(jì)

2.1 合路器設(shè)計(jì)

2.1.1 傳輸數(shù)據(jù)類型及其主要功能

AOS體制主要用于復(fù)雜航天器的數(shù)據(jù)系統(tǒng)中。復(fù)雜航天器需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)種類很多，有圖像、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、文件、電子郵件等，數(shù)據(jù)的碼速率也相差很大。高等在軌系統(tǒng)能夠?qū)⒉煌愋?、不同速率的眾多?shù)據(jù)合一形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)流(虛擬信道數(shù)據(jù)單元，VCDU)，經(jīng)過(guò)組織后送到空間物理信道進(jìn)行傳輸。

采用AOS體制的航天器數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，信道合路器存在于空間數(shù)據(jù)鏈路層與物理層之間，其主要功能有：將不同類型和速率的數(shù)據(jù)進(jìn)行合路后形成下行統(tǒng)一數(shù)據(jù)幀，完成對(duì)VCDU的合路調(diào)度。向插入?yún)^(qū)插入數(shù)據(jù)，進(jìn)行信道編碼，數(shù)據(jù)幀同步，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)化處理等任務(wù)以及填充VCDU產(chǎn)生功能。

2.1.2 功能實(shí)現(xiàn)手段

不同種類信源的數(shù)據(jù)(根據(jù)具體情況而定，這里定為5種)經(jīng)過(guò)各自對(duì)應(yīng)的鏈路控制器形VCDU后傳送到合路器。鏈路控制器(VCLC)向合路器傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程如圖1所示：當(dāng)鏈路控制器生成一個(gè)VCDU需要傳送時(shí)，首先由鏈路控制器向合路器提出發(fā)送請(qǐng)求；合路器在滿足接收該鏈路控制器VCDU的條件下，給出允許發(fā)送信號(hào)；鏈路控制器在收到允許發(fā)送信號(hào)完畢；當(dāng)一個(gè)VCDU傳送完畢時(shí)，雙方的計(jì)數(shù)機(jī)制使請(qǐng)求發(fā)送和允許發(fā)送信號(hào)復(fù)位，傳送周期結(jié)束。

圖1 信道合路器與VC鏈路控制器的接口

合路器做出必要的保護(hù)，如：在鏈路控制器與合路器傳送數(shù)據(jù)的過(guò)程中，不滿一個(gè)完整的VCDU時(shí)突然停止繼續(xù)傳送，此時(shí)合路器在等待足夠長(zhǎng)時(shí)間后應(yīng)對(duì)已接收到的數(shù)據(jù)用填充格式拼成一個(gè)完整VCDU后申請(qǐng)發(fā)送。

合路器將各路傳送來(lái)的VCDU分別緩存在對(duì)應(yīng)的FIFO中，并在傳送的每個(gè)VCDU前加上32位的同步碼1ACFFC1DH以形成CADU。通過(guò)合路器的綜合調(diào)度，5路VCDU最后將合路成一個(gè)連續(xù)的速率為200 Mb/s的數(shù)據(jù)流，并在5路都無(wú)輸出的情況下輸出填充VCDU (此VCDU的VCID置為保留值“全1”)以保持輸出數(shù)據(jù)的連續(xù)性。在每個(gè)CADU發(fā)送過(guò)程中，適時(shí)從插入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)源取得插入數(shù)據(jù)，并將插入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)放到每一個(gè)正在傳送的VCDU的插入域。時(shí)序電路產(chǎn)生各個(gè)模塊所需的時(shí)鐘信號(hào)和門控信號(hào)。高速數(shù)據(jù)傳送單元負(fù)責(zé)將合路后的200 Mb/s的數(shù)據(jù)流通過(guò)物理信道(LVDS標(biāo)準(zhǔn)電平)可靠傳送到分路器。

2.1.3 合路器的調(diào)度

虛擬信道多路技術(shù)是AOS的精髓，他是一種信道時(shí)分制，但又根本不同于傳統(tǒng)的時(shí)分制。傳統(tǒng)的時(shí)分制是固定的傳輸時(shí)隙，而多路復(fù)用技術(shù)是按需動(dòng)態(tài)劃分的，實(shí)現(xiàn)了多類型數(shù)據(jù)源的合路傳輸，同時(shí)提高了空間數(shù)據(jù)信道的利用率。虛擬信道(VC)是建立在一個(gè)物理信道上的多個(gè)并行的“虛擬”通路，使該物理信道可以被多個(gè)不同類型的用戶共享。在該方案中采用帶有優(yōu)先級(jí)的輪詢的方式占用物理信道，即當(dāng)兩個(gè)或者兩個(gè)以上優(yōu)先級(jí)不同的VCDU同時(shí)存在時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的VCDU先占用物理信道；當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上優(yōu)先級(jí)相同的VCDU同時(shí)存在時(shí)，以輪詢方式占用物理信道。

2.2 分路器設(shè)計(jì)

2.2.1 分路器的主要功能

分路器的主要功能是：幀同步以及信道譯碼、提取插入數(shù)據(jù)、丟棄填充VCDU等，從而完成對(duì)信道合路器合路后數(shù)據(jù)的分路處理。他將一個(gè)連續(xù)的速率為200 Mb/s的數(shù)據(jù)流恢復(fù)為合路前的5路不同速率、不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)。

2.2.2 功能實(shí)現(xiàn)手段

合路器完成合路后的數(shù)據(jù)經(jīng)物理信道傳至分路器。分路器負(fù)責(zé)接收合路器傳送過(guò)來(lái)的200 Mb/s的數(shù)據(jù)流，然后將接收到的數(shù)據(jù)流傳送到數(shù)據(jù)緩存區(qū)同時(shí)提取同步及導(dǎo)頭輸出至分路控制單元。分路控制單元根據(jù)主導(dǎo)頭中的信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，及時(shí)將來(lái)自不同信源的VCDU分別輸出至對(duì)應(yīng)VC的數(shù)據(jù)緩存區(qū)。一旦分路控制單元根據(jù)VCDU導(dǎo)頭解算出了VCID，就可將VCDU寫(xiě)入各VC對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。同時(shí)，分路控制單元在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候取出VCDU導(dǎo)頭后插入域中的數(shù)據(jù)并傳送給插入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存區(qū)。如果是填充VCDU，則不選通數(shù)據(jù)緩存區(qū)，直接舍去，防止無(wú)效數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理設(shè)備。VC鏈路控制器接收信道分路器中數(shù)據(jù)緩沖器發(fā)送的數(shù)據(jù)。如圖2所示：每一個(gè)VCDU為一個(gè)獨(dú)立的傳送周期。信道分路器在其接收到一個(gè)完整的VCDU后給出數(shù)據(jù)有效信號(hào)，并送出時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，直到該VCDU傳送完畢，當(dāng)一個(gè)VCDU傳送完畢時(shí)，數(shù)據(jù)有效信號(hào)復(fù)位，傳送周期結(jié)束。

圖2 信道分路器與VC鏈路控制器的接口

3 Virtex4在研究中的應(yīng)用

Virtex4 FPGA是美國(guó)Xilinx公司出品的新一代的平臺(tái)FPGA，他使用高級(jí)硅片組合模塊(ASMBL)柱狀架構(gòu)構(gòu)建，使用300 mm(12英寸)晶圓技術(shù)，采用90 nm銅工藝制造。Virtex4 FPGA的基本構(gòu)造塊是其他Virtex系列器件的增強(qiáng)版本，這就使得現(xiàn)存的設(shè)計(jì)能夠向上兼容。其自帶的IPCore供用戶方便使用，加快設(shè)計(jì)研發(fā)的速度。

BlockRAM提供了18 kb的雙端口RAM，他還可以通過(guò)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)更大的RAM。此外，VirtexTM—4 FPGA對(duì)BlockRAM的一個(gè)改進(jìn)就是增加了可編程的FIFO邏輯，因此合路器和分路器的緩存器實(shí)現(xiàn)就盡可能簡(jiǎn)單。

此外， Virtex4的LVDS的IPCore輕松實(shí)現(xiàn)速率為200 MHz的物理信道。LVDS是一種低擺幅的差分信號(hào)技術(shù)，他使得信號(hào)能在差分PCB線對(duì)或平衡電纜上以幾百M(fèi)b/s的速率傳輸。通過(guò)一個(gè)LVDS接口把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，能把串行信號(hào)傳送更遠(yuǎn)的距離(達(dá)到10 m)，而典型的邏輯總線只能把信號(hào)傳送50 cm的距離。

如圖3所示，分路器位于上方，合路器位于下方，中間以雙絞線相連，傳送CADU，接口電平均為L(zhǎng)VDS標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 分路器和合路器

4 測(cè)試及驗(yàn)證

合路器/分路器可以支持5路數(shù)據(jù)，其中1路支持150 Mb/s的高速率，其他4路支持小于50 Mb/s的任意速率(測(cè)試全部用50 Mb/s)，插入數(shù)據(jù)采用150 Mb/s的速率。在合路速率為200 Mb/s的情況下(即物理信道速率為200 Mb/s)進(jìn)行了驗(yàn)證。由于合路器在合路的過(guò)程中，需要在鏈路控制器傳過(guò)來(lái)的VCDU前增加一些同步信號(hào)(如前所示)以形成實(shí)際物理信道傳送的CADU(信道存取數(shù)據(jù)單元)，增加了一些額外的開(kāi)銷，因此5路信號(hào)源輸入的平均速率之和應(yīng)略小于合路速率200 Mb/s，以保證傳輸中無(wú)數(shù)據(jù)幀丟失。

用Tektronix TLA 5201邏輯分析儀捕捉到合路器和分路器所傳遞的數(shù)據(jù)流(見(jiàn)圖4，圖5)。

圖4 信道合路器向VC鏈路控制器傳送數(shù)據(jù)

圖4所示為信道合路器向VC鏈路控制器傳送數(shù)據(jù)，信號(hào)為req，ack，clk，vcdu；圖5所示為信道分路器向VC鏈路控制器傳送數(shù)據(jù)，信號(hào)依次為insert_data_req，insert_clk，insert_data(皆為插入數(shù)據(jù)相關(guān))，main_data_req，main_clk，main_data(主要數(shù)據(jù)相關(guān))。

圖5 信道分路器向VC鏈路控制器傳送數(shù)據(jù)

由圖5可以看出，分路器接收到物理信道傳過(guò)來(lái)的CADU，判斷出同步頭后(同時(shí)，也解出VCID)，首先將插入數(shù)據(jù)送入插入數(shù)據(jù)宿，然后再將后面的信號(hào)送到對(duì)應(yīng)的信號(hào)宿。

測(cè)試結(jié)果表明：合路器/分路器可以較好地保持合路與分路能力，各虛擬信道數(shù)據(jù)保持流暢，無(wú)丟失現(xiàn)象。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了合路器和分路器在空間實(shí)驗(yàn)室AOS仿真演示和驗(yàn)證中的重要作用，對(duì)虛擬信道進(jìn)行帶有優(yōu)先級(jí)的輪詢算法的動(dòng)態(tài)調(diào)度和多路復(fù)用，提高了物理信道的利用率，使系統(tǒng)可以對(duì)5路不同信源和碼率的信號(hào)進(jìn)行合路和分路，最后用FPGA電路實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠^察，進(jìn)行了功能驗(yàn)證，進(jìn)而對(duì)下一步設(shè)計(jì)(如實(shí)現(xiàn)更好的調(diào)度算法，提高物理信道的傳輸速率)打下了基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介 劉永剛 男，1982年出生，河北省沙河市人，華東師范大學(xué)電子系碩士研究生。主要研究FPGA在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。