胥輝旗，朱平云，陳望達(dá)

（海軍航空工程學(xué)院 a.科研部；b.研究生管理大隊(duì)，山東 煙臺 264001）

早期的導(dǎo)彈大部分設(shè)備間普遍采用點(diǎn)對點(diǎn)直接連接的電纜網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備間的信號傳輸。這種繁雜的連接線路降低了系統(tǒng)的可靠性，同時，彈上電纜中傳輸?shù)拇罅磕M信號易受干擾，甚至本身就是強(qiáng)干擾源，降低了系統(tǒng)的電磁兼容與抗毀能力。而總線方案能夠有效的提高導(dǎo)彈綜合信息處理能力、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減輕消極質(zhì)量，提高可靠性，提升系統(tǒng)的整體性能。印度的“烈火 Ⅱ”中程導(dǎo)彈、俄羅斯的“寶石”導(dǎo)彈及美國的MX 洲際導(dǎo)彈的彈上設(shè)備間信息傳輸均采用了標(biāo)準(zhǔn)1553B 總線[1]。

隨著導(dǎo)彈功能的增加、執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)復(fù)雜程度的提高，對導(dǎo)彈信息的獲取、交互、綜合處理等提出了更高的要求。新一代導(dǎo)彈武器綜合信息系統(tǒng)更是要求在信號一級實(shí)現(xiàn)綜合，大量中間信息的實(shí)時傳輸對彈上綜合信息一體化技術(shù)提出了更高的要求，高速光纖總線成為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈綜合信息一體化的有效途徑。

1 光纖總線的導(dǎo)彈綜合信息一體化技術(shù)

1.1 導(dǎo)彈綜合信息一體化需求分析

導(dǎo)彈作為一次性使用、無人控制的一種特殊飛行平臺，在使用中不可維修，而且在工作中存在較強(qiáng)的機(jī)械振動和電磁干擾，氣壓、溫濕度、潔凈度也難以保證，因此要求彈上總線具有極高的可靠性。再則，導(dǎo)彈運(yùn)動速度快，執(zhí)行任務(wù)時間短，對數(shù)據(jù)的實(shí)時性，傳輸確定性、容錯性等提出了極高的要求。同時，隨著新一代導(dǎo)彈各級傳感器的信息綜合，使彈上信息傳輸量大幅增加，并且傳輸?shù)男畔⒓扔行?shù)據(jù)包的指令信息又有雷達(dá)數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)包的信息，因此要求彈上信息傳輸系統(tǒng)不但要具有極高的傳輸速率，而且必須對大小不同數(shù)據(jù)包同時具有較高的傳輸效率。

光纖總線網(wǎng)絡(luò)以其質(zhì)量輕、帶寬高、電磁兼容性好等特點(diǎn)，已被證明是滿足飛行器平臺綜合信息系統(tǒng)需求的有效方案?；诜瓷鋬?nèi)存(Reflective Memory)的光纖總線網(wǎng)絡(luò)與MIL-STD-1773、FDDI、千兆光纖以太網(wǎng)等光通信方案相比，不但具有極高的數(shù)據(jù)傳輸率，還具有很強(qiáng)的實(shí)時性、可靠的傳輸糾錯能力、嚴(yán)格的傳輸確定性和可預(yù)測性等特征，已經(jīng)在波音777 測試系統(tǒng)、F35 戰(zhàn)斗機(jī)和新型阿里—伯克級驅(qū)逐艦的雷達(dá)、電子戰(zhàn)綜合信息系統(tǒng)中作為新一代總線得以應(yīng)用[2-3]。

1.2 反射內(nèi)存光纖總線原理

反射內(nèi)存光纖總線是采用共享內(nèi)存的機(jī)制，以光纖作為傳輸介質(zhì)的一種高速實(shí)時總線網(wǎng)絡(luò)?？偩€網(wǎng)絡(luò)的每個任務(wù)節(jié)點(diǎn)連接一個 RM接口適配器(Reflective Memory)，每個RM接口適配器均集成一塊專用的存儲空間，總線系統(tǒng)將該存儲空間映射到該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理系統(tǒng)的地址空間，這樣節(jié)點(diǎn)處理系統(tǒng)對RM接口適配器的操作就和對本機(jī)內(nèi)存操作方式一樣[4]。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)任務(wù)設(shè)備在映射到反射存儲器的虛擬地址空間的某個地址寫數(shù)據(jù)的時候，反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在納秒級的時間內(nèi)將數(shù)據(jù)傳播到網(wǎng)絡(luò)上的每個其他節(jié)點(diǎn)的同一地址空間。并且更新的傳播操作是異步的，沒有應(yīng)用系統(tǒng)處理器的介入[5-6]。

1.3 反射內(nèi)存光傳實(shí)時網(wǎng)的彈上總線結(jié)構(gòu)設(shè)想

根據(jù)反射內(nèi)存光纖總線的特點(diǎn)和彈上總線使用環(huán)境及彈上設(shè)備間信息交互特點(diǎn)，提出基于反射內(nèi)存實(shí)時網(wǎng)的彈上總線的連接形式如圖1所示。

圖1 彈上總線系統(tǒng)連接示意圖

彈上總線采用雙總線冗余設(shè)計(jì)，各彈上設(shè)備通過各自的RM接口適配器和總線相連，實(shí)現(xiàn)彈上各分系統(tǒng)軟/硬件資源共享和海量數(shù)據(jù)的實(shí)時交互[7]。彈上各任務(wù)設(shè)備信息經(jīng)過總線匯總后通過綜合控制計(jì)算機(jī)、作戰(zhàn)任務(wù)計(jì)算機(jī)等彈上計(jì)算機(jī)群實(shí)現(xiàn)信息的綜合處理。

為克服主從式總線結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致單點(diǎn)故障的問題，基于反射內(nèi)存光傳實(shí)時網(wǎng)彈上總線系統(tǒng)采用無主站自主組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。每個任務(wù)設(shè)備的RM接口適配器既是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口，又具有網(wǎng)絡(luò)管理、容錯及重構(gòu)能力等功能，從而顯著提高總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性和容錯能力。

2 RM接口適配器設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

RM接口適配器為各任務(wù)設(shè)備和反射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡(luò)相連的接口，具有數(shù)據(jù)傳輸及網(wǎng)絡(luò)管理雙重功能，是整個總線網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備。同時考慮到彈上應(yīng)用需要，系統(tǒng)采用雙光纖接口冗余設(shè)計(jì)、具有網(wǎng)絡(luò)容錯和重構(gòu)功能。系統(tǒng)主要由4部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 RM接口適配器功能框圖

1)FPGA邏輯控制。FPGA是RM接口適配器的控制中樞，為其他模塊提供了控制接口，并在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)控制、信號處理、數(shù)據(jù)傳輸、協(xié)議管理等功能。

2)SDRAM模塊。RM接口適配器上的共享存儲器資源，映射到操作系統(tǒng)的地址空間，存儲上層應(yīng)用所需要的網(wǎng)絡(luò)全局變量。

3)光電轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換，提供標(biāo)準(zhǔn)化的高速光纖通道。

4)任務(wù)設(shè)備接口管理。實(shí)現(xiàn)和任務(wù)設(shè)備上位機(jī)的信息交互，為適應(yīng)彈上應(yīng)用需要，系統(tǒng)采用嵌入式構(gòu)架的PC104Plus接口。

RM接口適配器FPGA 器件采用ALTERA 公司的Stratix GX EP1SGX40D，SDRAM模塊采用Micron 公司的MT46V32M8TG-5B，光纖收發(fā)器件采用Agilent 公司的HFBR-5921AL。

2.2 FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)FPGA在功能上主要由時鐘分配模塊、PCI 控制器、DDR 控制器、FIFO 緩存、PIO 控制器、DMA 引擎、DMA 控制器、網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)機(jī)、編解碼及串并轉(zhuǎn)換9個部分組成，組成框圖如圖3所示。

為簡化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)可靠性，前4 者主要利用了 FPGA 內(nèi)部的集成資源(鎖相環(huán)與存儲器)或ALTERA 公司的IP 核。其中，時鐘分配模塊利用FPGA 內(nèi)部集成的模擬鎖相環(huán)單元(PLL)，實(shí)現(xiàn)源時鐘的倍頻、移相等操作，供FPGA 內(nèi)部電路與DDR SDRAM模塊等使用；PCI 控制器和DDR 控制器分別利用ALTERA 公司的IP 核pci_mt64和DDR SDRAM Controller，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，生成適合RM接口適配器應(yīng)用需求的控制器；FIFO 緩存利用FPGA 內(nèi)部集成的M4K RAM塊，通過實(shí)例化LPM庫單元的dcfifo，生成各個FIFO，解決PCI 總線與SDRAM模塊異步時鐘域的數(shù)據(jù)傳輸問題[8]。

圖3 系統(tǒng)FPGA系統(tǒng)框圖

為同時兼顧彈上指令數(shù)據(jù)等小數(shù)據(jù)包傳輸及雷達(dá)數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)包傳輸?shù)母邆鬏斝剩到y(tǒng)針對反射內(nèi)存網(wǎng)小數(shù)據(jù)量傳輸時，PIO 方式(Programmable Input/Output)比 DMA 方式(Direct Memory Access)傳輸效率高，大數(shù)據(jù)量傳輸時，DMA 方式比PIO 方式傳輸效率高的特點(diǎn)，通過PIO控制器、DMA 引擎和DMA 控制器實(shí)現(xiàn)了PIO和DMA 兩種傳輸方式的動態(tài)選擇。從而使系統(tǒng)無論傳輸控制指令還是大數(shù)據(jù)量的傳感器信息均具有很高的效率。

網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)機(jī)及編解碼及串并轉(zhuǎn)換用于實(shí)現(xiàn)反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)協(xié)議管理、控制等。數(shù)據(jù)傳輸時，當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)寫入本地RM接口適配器內(nèi)部的某存儲器區(qū)域后，其內(nèi)部控制電路立即按照協(xié)議將該存儲區(qū)的數(shù)據(jù)與節(jié)點(diǎn)號、存儲器地址、數(shù)據(jù)長度等信息組合成長度不等的數(shù)據(jù)分組，通過光纖接口傳遞到網(wǎng)絡(luò)下一節(jié)點(diǎn)。下一節(jié)點(diǎn)收到該數(shù)據(jù)分組后對其進(jìn)行“解分組”，并把數(shù)據(jù)按照上一節(jié)點(diǎn)的寫入地址將信息相應(yīng)存入本地存儲器區(qū)域，同時將信息送發(fā)送模塊向下一節(jié)點(diǎn)傳輸。如此循環(huán)，直至該分組傳回到其源節(jié)點(diǎn)并被消除為止。此時，網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)接口適配器相應(yīng)存儲器區(qū)域的數(shù)據(jù)均已被更新為源節(jié)點(diǎn)所寫入的數(shù)據(jù)[9]。

RM接口適配器還具備網(wǎng)絡(luò)管理、容錯及重構(gòu)能力，包括以下幾方面：

1)故障節(jié)點(diǎn)隔離。若某個光端口未探測到光信號或探測到錯誤的同步碼，則自動隔離該端口或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并迅速重構(gòu)整個網(wǎng)絡(luò)。

2)自動旁路故障光纜。自動檢測到光纜故障，能自動旁路故障光纜，通過冗余光纜重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，確保所有節(jié)點(diǎn)均正常通信。

3)節(jié)點(diǎn)實(shí)時加入。有新節(jié)點(diǎn)加入或被隔離的節(jié)點(diǎn)恢復(fù)正常時，自動將該節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并通知其他節(jié)點(diǎn)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[10]。

3 反射內(nèi)存網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)

BBP(Bill-Board Protocol)是一種適用于反射內(nèi)存網(wǎng)的低延遲消息傳遞協(xié)議。協(xié)議采用加鎖/解鎖機(jī)制，使用極小的軟件開銷，提供基于反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送/接收和多路傳送服務(wù)等消息傳遞功能。BBP將反射內(nèi)存網(wǎng)內(nèi)每個RM接口適配器的共享存儲器被分成兩個區(qū)域：一個控制區(qū)域和一個消息區(qū)域。消息區(qū)域用于數(shù)據(jù)緩沖，而控制區(qū)域包含傳輸數(shù)據(jù)的其他相關(guān)信息。在數(shù)量為“NUM_NODE”個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)上，每個消息區(qū)域和控制區(qū)域又被劃分為“NUM_NODE”個獨(dú)立的小區(qū)域，每個獨(dú)立小區(qū)域?qū)?yīng)一個反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的消息區(qū)域只受本節(jié)點(diǎn)管理，消息區(qū)域又根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)劃分出不同塊的緩沖區(qū)(緩沖區(qū)數(shù)量為NUM_BUF)。

每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的控制區(qū)域用以存儲數(shù)據(jù)的描述塊，描述塊包含NUM_NODE個用以標(biāo)記傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)的MSG標(biāo)志、NUM_NODE個用以標(biāo)記傳輸數(shù)據(jù)接收狀態(tài)的ACK標(biāo)志及NUM_BUF個用以標(biāo)記傳輸數(shù)據(jù)相關(guān)信息的信息描述。

一個MSG標(biāo)志和ACK標(biāo)志代表一個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個 MSG標(biāo)志和ACK標(biāo)志包含NUM_BUF位，每一位標(biāo)志對應(yīng)該緩存的狀態(tài)。信息描述用來記錄每條傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)長度、地址、數(shù)據(jù)類型、序號、校驗(yàn)等相關(guān)信息。如此，對于每條傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對應(yīng)一個3元組(源、目的、緩沖區(qū))，存在一個唯一的MSG標(biāo)志、ACK標(biāo)志、相應(yīng)一個信息描述。

發(fā)送數(shù)據(jù)時，源節(jié)點(diǎn)在它的消息區(qū)域里分配一塊緩沖區(qū)，將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，然后系統(tǒng)組合該傳輸數(shù)據(jù)的消息描述，寫入控制區(qū)域，并設(shè)定相應(yīng)MSG標(biāo)志狀態(tài)，表示新數(shù)據(jù)發(fā)送完成。

接收數(shù)據(jù)時，目的節(jié)點(diǎn)檢查MSG標(biāo)志，在MSG標(biāo)志上的狀態(tài)的修改顯示新數(shù)據(jù)的到達(dá)。為了接收這個數(shù)據(jù)，目的節(jié)點(diǎn)從源消息區(qū)域讀取該數(shù)據(jù)，然后，設(shè)定相應(yīng)ACK標(biāo)志狀態(tài)。這意味著緩沖區(qū)現(xiàn)在被釋放，可以被源節(jié)點(diǎn)將來使用。為了廣播消息，發(fā)送者簡單地為多個接收者設(shè)定MSG 標(biāo)記。在BBP中，被節(jié)點(diǎn)寫入共享存儲器的所有數(shù)據(jù)在其他節(jié)點(diǎn)中以寫入的順序出現(xiàn)[11]。

反射內(nèi)存網(wǎng)Bill-Board協(xié)議設(shè)計(jì)構(gòu)架如圖4所示，圖中反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)共有N個節(jié)點(diǎn)，M個緩存。節(jié)點(diǎn)1分配了42字節(jié)和128字節(jié)兩個緩存，緩存3的起始地址為224，緩存1的起始地址為1 004。圖中MSG標(biāo)志1和ACK標(biāo)志1的第1位不同，第3位相同，表明節(jié)點(diǎn)1 中緩存1的數(shù)據(jù)傳輸未完成，緩存3的數(shù)據(jù)傳輸已完成。同樣，MSG標(biāo)志2和ACK標(biāo)志2的第1位和第3位均不同，表明節(jié)點(diǎn)2中緩存1和緩存3的數(shù)據(jù)傳輸均未完成。

圖4 反射內(nèi)存網(wǎng)Bill-Board協(xié)議設(shè)計(jì)構(gòu)架

4 基于反射內(nèi)存光傳實(shí)時網(wǎng)的性能測試

為測試反射內(nèi)存光傳實(shí)時網(wǎng)在不同大小數(shù)據(jù)包下的傳輸速率，驗(yàn)證其實(shí)時性、傳輸確定性、可靠性等，設(shè)計(jì)本測試。測試中反射內(nèi)存光傳實(shí)時網(wǎng)工作在Windows NT+RTX 環(huán)境下，其中 RTX是Windows NT的一種實(shí)時擴(kuò)展模塊，通過對Windows NT 操作系統(tǒng)的內(nèi)核加載實(shí)時擴(kuò)展模塊RTX 來保證系統(tǒng)的實(shí)時性[12]。

測試中設(shè)計(jì)了不同大小的數(shù)據(jù)包，每次傳輸一定數(shù)量的包數(shù)，統(tǒng)計(jì)耗時量，從而計(jì)算網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，測試結(jié)果分別如表1和如圖5所示。

表1 反射內(nèi)存光傳實(shí)時網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸測試表

圖5 反射內(nèi)存光傳實(shí)時網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸測試圖

從數(shù)據(jù)中可以看出在包大小為128字節(jié)和12 k的時候分別出現(xiàn)拐點(diǎn)。

第1個拐點(diǎn)是因?yàn)闇y試中網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的DMA 閾值為128字節(jié)，當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小于128字節(jié)的時候，系統(tǒng)默認(rèn)采用PIO 傳輸方式，反之則采用DMA傳輸方式。因此，隨著包大小的增加，其傳輸速率分別隨之增加。從圖5中可以看到，在128字節(jié)附近，隨著數(shù)據(jù)包增大，傳輸速率反而降低，這是因?yàn)樵贒MA 方式中，每次傳輸數(shù)據(jù)都要向CPU 請求，得到回應(yīng)信號后才能接管總線控制權(quán)，傳輸結(jié)束后還需要向CPU發(fā)送結(jié)束DMA 請求信號，釋放總線控制權(quán)。所以，雖然DMA 方式有利于提高通信速率，但小數(shù)據(jù)量的時候每傳輸一次都需要做這些工作，耗費(fèi)時間，影響通信效率。反射內(nèi)存光傳實(shí)時網(wǎng)通過PIO和DMA 兩種傳輸方式的結(jié)合使用，確保了不同大小數(shù)據(jù)包的高傳輸速率。

第2個拐點(diǎn)可以看出當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包在12 k以后網(wǎng)絡(luò)傳輸速度基本穩(wěn)定在80 MByte/s的水平以上。

為了測試反射內(nèi)存光傳實(shí)時網(wǎng)的傳輸延遲，設(shè)置數(shù)據(jù)包大小為12 k，利用中斷方式進(jìn)行了500次傳輸測試，統(tǒng)計(jì)每次節(jié)點(diǎn)間傳輸延遲時間，如圖6所示。從圖中可以看出，每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r大約為0.142 ms，并且延遲時間均很穩(wěn)定。確保數(shù)據(jù)傳輸在可預(yù)知的時間內(nèi)到達(dá)預(yù)定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，即數(shù)據(jù)通信具有高可預(yù)見性，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。

圖6 反射內(nèi)存光傳實(shí)時網(wǎng)傳輸延遲統(tǒng)計(jì)圖

在可靠性測試中，對上述測試的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，從而評估反射內(nèi)存光傳實(shí)時網(wǎng)傳輸?shù)目煽啃?。測試表明2節(jié)點(diǎn)的反射內(nèi)存光傳實(shí)時網(wǎng)環(huán)境下，24 h 內(nèi)，其傳輸可靠性達(dá)到100%，證明了反射內(nèi)存光傳實(shí)時網(wǎng)傳輸?shù)母呖煽啃浴?/p>

5 結(jié)束語

本文所研究的基于反射內(nèi)存的光纖總線網(wǎng)絡(luò)與FDDI、MIL-STD-1773、千兆光纖以太網(wǎng)等光通信方案相比不但具有極高傳輸數(shù)據(jù)率、還具有很強(qiáng)的實(shí)時性、可靠的傳輸糾錯能力、嚴(yán)格的傳輸確定性和可預(yù)測性等特點(diǎn)，能夠更好的滿足新一代導(dǎo)彈信息傳輸?shù)男枨?。文中針對彈上設(shè)備使用環(huán)境和信息傳輸特點(diǎn)提出的雙環(huán)冗余設(shè)計(jì)及動態(tài)傳輸方式選擇策略增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的可靠性及容錯性，提高了系統(tǒng)不同數(shù)據(jù)包的傳輸效率。測試結(jié)果表明，該光纖總線系統(tǒng)可在一定程度上滿足彈上綜合信息一體化在傳輸速率、可靠性、實(shí)時性、容錯能力等方面不斷增長的要求。

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