(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

在可靠性要求較高的航空、航天等領(lǐng)域，當前廣泛采用MIL-STD-1553B總線作為高可靠互連數(shù)據(jù)總線。隨著航天器電子系統(tǒng)的不斷發(fā)展，星上數(shù)據(jù)處理任務(wù)日益復(fù)雜化多樣化，傳統(tǒng)1553總線1 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)遠不能滿足快速增長的數(shù)據(jù)吞吐需求。此外，隨著星載電子系統(tǒng)綜合集成的復(fù)雜度不斷提高，航天器對來自系統(tǒng)內(nèi)外的各類電磁輻射越來越敏感，而由于傳統(tǒng)1553總線采用電纜作為傳輸介質(zhì)，易受電磁環(huán)境的輻射干擾，從而限制了它的進一步擴展與應(yīng)用[1]。

FC-AE-1553協(xié)議由美國國家標準協(xié)會(American National Standards Institute，ANSI)制定[2]，它基于光纖通道-航空電子環(huán)境(Fibre Channel-Avionics Environment，F(xiàn)C-AE)協(xié)議，是傳統(tǒng)1553協(xié)議在光纖通道上的映射，為光纖1553總線設(shè)備的具體實現(xiàn)提供了相應(yīng)的協(xié)議支撐。雖然FC-AE-1553仍采用基于命令/響應(yīng)式交互的總線通信模式，但是其相對于傳統(tǒng)1553總線在傳輸速率、總線設(shè)備容量、傳輸介質(zhì)可靠性等方面均有很大的提高。FC-AE-1553總線另一個重要特性是支持現(xiàn)有傳統(tǒng)1553總線設(shè)備的橋接接入，實現(xiàn)傳統(tǒng)1553總線的平滑升級，從而最大限度保留現(xiàn)存1553總線設(shè)備，節(jié)約資源。FC-AE-1553各類優(yōu)異特性使其成為總線技術(shù)的研究熱點，是高可靠航天數(shù)據(jù)總線的重要發(fā)展方向[3]。

本文在分析FC-AE-1553協(xié)議基礎(chǔ)上，提出了一種基于中止序列協(xié)議(Abort Sequence Protocol，ABTS)的FC-AE-1553交換管理模塊設(shè)計方案，根據(jù)總線交換模型對交換處理流程進行了分析和研究，并基于FPGA硬件平臺完成模塊的工程實現(xiàn)和仿真，最后搭建測試系統(tǒng)對FC-AE-1553總線交換和總線差錯處理功能進行了驗證，在硬件平臺上實現(xiàn)了FC-AE-1553總線數(shù)據(jù)的5 Gb/s光纖傳輸。

1 FC-AE-1553總線交換分析

1.1 FC-AE-1553協(xié)議

光纖通道(Fibre Channel，F(xiàn)C)標準協(xié)議體系采用分層架構(gòu)，包含一系列復(fù)雜的子標準，由相應(yīng)的標準化組織開發(fā)。協(xié)議層與層之間通過固定接口或服務(wù)類進行交互，從而保證各層相互獨立，并為設(shè)計者留有足夠的拓展空間。FC協(xié)議共分為五層，其中FC-0，F(xiàn)C-1，F(xiàn)C-2層規(guī)定了光纖通道的物理和信號接口，是光纖通道協(xié)議的基本層，F(xiàn)C-3和FC-4定義為服務(wù)層和協(xié)議映射層，屬于協(xié)議拓展層。

FC-AE-1553總線基于光纖通道標準，將傳統(tǒng)1553總線映射到光纖通道FC-4層，其映射關(guān)系如圖1所示[4]。

圖1 FC-AE-1553協(xié)議映射

FC-AE-1553采用網(wǎng)絡(luò)型拓撲結(jié)構(gòu)，其總線容量、靈活性和可擴展能力大大提升，總線包含網(wǎng)絡(luò)控制器(Network Controller，NC)和網(wǎng)絡(luò)終端(Network Terminal，NT)兩種總線單元。NC是總線網(wǎng)絡(luò)的管理者，負責(zé)總線任務(wù)的分配和調(diào)度管理，所有總線交換均由NC發(fā)起。NT屬于總線終端設(shè)備，是總線交換的參與者，在NC的統(tǒng)一管理下與其它總線單元進行數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)C-AE-1553協(xié)議支持多個NC同時工作。在FC-AE-1553交換的的命令幀和狀態(tài)幀中定義了MIL-STD-1553B遠程終端的屬性[5]，方便FC-AE-1553總線單元與傳統(tǒng)1553設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，從而支持傳統(tǒng)1553總線設(shè)備的橋接接入，實現(xiàn)平滑升級。

1.2 FC-AE-1553總線交換模式

FC-AE-1553交換與傳統(tǒng)1553交換類似，可分為NC向NT傳輸、NT向NC傳輸、NT向NT傳輸和方式命令等四大類。FC-AE-1553新增對大量數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸?shù)闹С郑瑓f(xié)議中定義了“NT突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸請求”位和“延遲突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸請求”位，用于NT的突發(fā)傳輸請求。同時，協(xié)議新增了“抑制”(Suppress)位，用戶可以抑制NT的狀態(tài)回復(fù)與確認，以適應(yīng)實時性和可靠性需求不同的數(shù)據(jù)傳輸，充分利用總線帶寬。

下面以NT到NT傳輸類型交換為例，分析FC-AE-1553交換具體過程，如圖2所示，其它類型交換與之類似。在此交換中，“NT突發(fā)傳輸請求”位置‘0’，“延遲NT突發(fā)傳輸請求”位置‘0’。

圖2 NT到NT傳輸過程示意圖

該交換涉及三個總線單元，分別為NC、發(fā)送NT和接收NT。交換過程如下：

1)NC根據(jù)上層交換任務(wù)需求，發(fā)起“原始”交換，向發(fā)送NT發(fā)送“發(fā)送”命令序列，通知發(fā)送NT準備進行發(fā)數(shù)，該“發(fā)送”命令序列中包含了交換類型(“NT-NT 傳輸”標志)、接收NT的目標地址和子地址等“響應(yīng)交換”所需的信息。

2)發(fā)送NT收到命令序列后，從中提取接收NT目標地址、子地址和數(shù)據(jù)量等交換信息，并向相應(yīng)接收NT發(fā)送“接收”命令序列，發(fā)起“響應(yīng)”交換。

3)發(fā)送NT向接收NT發(fā)送數(shù)據(jù)序列，傳送規(guī)定大小的數(shù)據(jù)。若總數(shù)據(jù)量超過一個數(shù)據(jù)序列的容量，則發(fā)送NT將數(shù)據(jù)進行拆分后通過多個數(shù)據(jù)序列傳送，直至數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

4)最后，由于命令序列中“抑制”位為‘0’，發(fā)送NT和接收NT均需根據(jù)自身此次交換過程中的狀態(tài)信息反饋狀態(tài)序列，結(jié)束“響應(yīng)”交換和“原始”交換，完成NT到NT的數(shù)據(jù)傳輸。

此外，F(xiàn)C-AE-1553支持NC的交換監(jiān)測屬性，此交換中，當NC將命令序列中“NC監(jiān)控”(NC Monitor for NT-to-NT Transfer)位置位時，可對整個NT到NT的傳輸過程進行監(jiān)測。

2 交換管理模塊原理設(shè)計

基于對FC-AE-1553協(xié)議的分析，F(xiàn)C-AE-1553總線數(shù)據(jù)通信以交換為基本通信單元，交換過程中以“序列”作為指令、數(shù)據(jù)、狀態(tài)和服務(wù)傳送的最小單元[6]，據(jù)此對FC-AE-1553交換管理模塊進行設(shè)計，模塊設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 交換管理模塊原理框圖

交換管理模塊由序列級和交換級兩大功能部分組成，交換級主要包括NT模式管理、NC模式管理模塊，序列級主要包括序列接收管理、序列接收解析、序列發(fā)送管理、序列組幀模塊。此外，設(shè)計了讀寫緩存控制模塊，用于與用戶層的高速數(shù)據(jù)交換與緩沖。

NT模式管理和NC模式管理是FC-AE-1553交換管理的核心功能模塊，兩者分別實現(xiàn)FC-AE-1553的NT和NC兩種總線單元的交換處理功能，上層用戶可通過模式引腳選擇當前工作模式。模塊采用狀態(tài)機設(shè)計，基本狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。模塊上電后默認處于空閑態(tài)，在收到上層用戶的交換開始指令后進入交換信息提取狀態(tài)，然后根據(jù)提取信息的不同進入不同的交換模式處理流程，在所有交換過程階段中，一旦發(fā)生交換異常，則立即進入ABTS協(xié)議處理流程并結(jié)束交換，若交換正常則直接結(jié)束交換。

圖4 交換管理模塊狀態(tài)機

在NT模式管理和NC模式管理模塊中包含了ABTS協(xié)議處理邏輯，基于FC-3層提供的鏈路基本服務(wù)實現(xiàn)。當某個總線單元端口發(fā)現(xiàn)交換出現(xiàn)錯誤時，通過ABTS請求幀通知對應(yīng)端口進行差錯處理，目的端口收到ABTS請求后進行回復(fù)，若接受請求則回復(fù)BA_ACC幀，若拒絕則回復(fù)BA_RJT幀。ABTS協(xié)議處理邏輯設(shè)計了四種差錯處理策略，分別為丟棄多個序列、丟棄單個序列、終止整個交換和具有無限緩沖的處理，可根據(jù)需求設(shè)置不同的策略應(yīng)用在不同的場合。

序列發(fā)送管理和序列組幀模塊實現(xiàn)序列發(fā)送處理功能，將待發(fā)送數(shù)據(jù)以序列為單元進行打包。序列發(fā)送管理模塊收到待發(fā)送數(shù)據(jù)后，根據(jù)對應(yīng)序列信息位為其分配序列資源，包括序列號(SEQ_ID)、序列計數(shù)(SEQ_CNT)和相應(yīng)的緩存資源等，并建立序列狀態(tài)塊追蹤序列狀態(tài)。序列發(fā)送端支持命令序列、數(shù)據(jù)序列、狀態(tài)序列和服務(wù)序列四種類型序列的組幀。

序列接收管理和序列解析模塊實現(xiàn)序列接收處理功能，其核心是按照序列接收規(guī)則進行序列信息處理，包括序列緩存、序列類型識別、建立序列狀態(tài)塊、序列分類等。同時，序列接收端根據(jù)序列號和序列計數(shù)，可以對接收的序列進行重裝，從而支持亂序傳輸，也可以檢測序列丟失情況，在出現(xiàn)序列丟失時通知上層進行差錯處理。序列接收端同樣支持上述發(fā)送端四種類型序列的識別處理。

在交換管理模塊中定義了一個狀態(tài)/配置寄存器和一個交換狀態(tài)塊，其中配置寄存器包含了鏈路同步完成、響應(yīng)超時、交換差錯、數(shù)據(jù)接收許、數(shù)據(jù)發(fā)送允許等狀態(tài)及標志，用戶可直接查詢接口狀態(tài)并對接口工作方式進行配置；交換狀態(tài)塊維護了當前交換處理狀態(tài)的信息，交換管理模塊據(jù)此對交換狀態(tài)進行追蹤，并采取相應(yīng)的控制策略。

交換管理模塊對外接口包括與FC-4層用戶接口和FC-2層鏈路接口兩部分。其中，與FC-4層用戶的發(fā)送緩存接口和接收緩存接口用于交換管理模塊與上層用戶間原始應(yīng)用數(shù)據(jù)和狀態(tài)的交換，而狀態(tài)/配置接口則用于工作狀態(tài)查詢及工作模式配置；與FC2層數(shù)據(jù)鏈路接口用于交換管理模塊與數(shù)據(jù)鏈路層之間的FC-AE-1553原始序列交換。

3 交換管理模塊處理流程設(shè)計

以NC模式為例說明交換管理模塊處理流程，該模式下交換管理模塊以總線NC單元的方式控制安排FC-AE-1553網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，對網(wǎng)絡(luò)上其它總線單元進行管理。NC模式下交換處理流程如圖5所示。

由于NC是網(wǎng)絡(luò)上交換的發(fā)起者，因此發(fā)送的第一個序列只可能為服務(wù)序列或者命令序列，而命令序列又包含方式指令和非方式指令兩種模式，因此在處理流程設(shè)計時按照序列類型對流程分支進行了劃分。端口上電后，NC處于空閑狀態(tài)，當上層用戶有序列發(fā)送請求時，開始發(fā)起交換，根據(jù)上層用戶請求類型，交換管理模塊分別進入三個分支[7]，分別為服務(wù)序列處理分支、方式指令處理分支和數(shù)據(jù)交換處理分支。數(shù)據(jù)處理分支中，按照總線傳輸類型，又可分為NT到NC傳輸、NC到NT普通模式傳輸、NC到NT延遲突發(fā)模式傳輸和NT到NT傳輸。三個分支的處理流程設(shè)計說明如下：

1)服務(wù)序列處理分支：根據(jù)服務(wù)類型，NC模式下的服務(wù)發(fā)起請求為“注冊”(PLOGI)或“注銷”(LOGO)。注冊功能用于實現(xiàn)端口間各種協(xié)議參數(shù)的交換，如支持的服務(wù)類型、使用的差錯策略等，方便NC對鏈路進行管理；注銷功能則用于端口退出通信鏈路，釋放注冊所占用的資源。NC鏈路服務(wù)發(fā)起后，根據(jù)對方的回復(fù)情況(接受為LS_ACC回復(fù)，拒絕為LS_RJT回復(fù))判斷注冊或注銷是否成功。

圖5 NC模式交換處理流程

2)方式指令處理分支：根據(jù)預(yù)定義的方式指令含義進行響應(yīng)或動作，NC發(fā)送命令序列時應(yīng)判斷該方式指令是否需要回復(fù)數(shù)據(jù)，當需要回復(fù)數(shù)據(jù)，則等待NT回復(fù)帶數(shù)據(jù)的狀態(tài)序列，當不需回復(fù)數(shù)據(jù)時判斷命令序列中“抑制”位，據(jù)此確定是否需等待NT回復(fù)狀態(tài)序列，所有等待過程超過一定時限或狀態(tài)反饋不正確時發(fā)起ABTS協(xié)議進行差錯處理[8]；

3)數(shù)據(jù)交換處理分支：根據(jù)命令字中“NT突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸請求”和“延遲NT突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸請求”位的值，分別進入普通傳輸模式、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸模式和延遲突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸模式。普通模式下若為非NT到NT傳輸，則需根據(jù)“發(fā)/收”(T/R*)位狀態(tài)確定交換的收發(fā)狀態(tài)，分別進入相應(yīng)收發(fā)操作流程，若為NT到NT傳輸，則向“發(fā)送NT”發(fā)送命令序列發(fā)起“原始交換”，并可在過程中監(jiān)測“響應(yīng)交換”狀態(tài)；突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸模式用于大量數(shù)據(jù)的突發(fā)傳送，該模式下發(fā)送命令序列后，等待返回狀態(tài)序列在NT狀態(tài)反饋確認可支持突發(fā)傳輸后，發(fā)送數(shù)據(jù)序列，不斷重復(fù)直至數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，期間若NT出現(xiàn)忙狀態(tài)，則直接結(jié)束交換；延遲突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸模式下，發(fā)送命令序列后立即發(fā)送第一個數(shù)據(jù)序列，后續(xù)流程與突發(fā)傳輸模式一致。所有交換等待過程超過一定時限或狀態(tài)反饋不正確則發(fā)起ABTS協(xié)議進行差錯處理，結(jié)束交換。

4 設(shè)計實現(xiàn)與驗證

在FPGA平臺上對FC-AE-1553交換管理模塊IP核進行了開發(fā)、仿真和實現(xiàn)，采用兩塊XILINX公司ML507開發(fā)板搭建驗證系統(tǒng)，分別模擬NC和NT對模塊交換進行驗證[9]。IP核在XC5VFX70T FPGA中實現(xiàn)，SLICE占用率為63%，時鐘主頻為125 MHz，通過FPGA內(nèi)部高速RocketIO進行串并轉(zhuǎn)換，最終通過光纖串行通信的傳輸速率達5 Gbps。

對系統(tǒng)通信過程中的協(xié)議實現(xiàn)情況進行驗證，其中NT向NC傳送數(shù)據(jù)實測波形如圖6所示(數(shù)據(jù)幀為3幀)。

圖6 交換驗證NC端波形圖

圖中，NC接收到上層用戶請求后發(fā)起交換并對命令序列進行解析，由于傳輸模式為NT到NC傳輸，因此進入交換流程中相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理分支。NC在發(fā)送命令序列后等待NT的狀態(tài)序列回復(fù)，一段時間后，收到NT的狀態(tài)序列，對序列中相關(guān)狀態(tài)位進行判斷，確認NT狀態(tài)正確后開始接收后續(xù)數(shù)據(jù)序列，直至接收完畢結(jié)束交換。

交換管理模塊IP核支持ABTS差錯恢復(fù)協(xié)議，在測試系統(tǒng)的通信過程中模擬鏈路中斷情況，對ABTS差錯恢復(fù)功能進行了驗證，實測波形如圖7所示。

圖7 ABTS差錯恢復(fù)波形

圖中，同樣是NT到NC傳輸，NC首先發(fā)起一個命令序列，此時由于鏈路故障，等待NT回復(fù)狀態(tài)序列發(fā)生超時，觸發(fā)了模塊ABTS差錯恢復(fù)功能。模塊采用終止整個交換的差錯處理策略，NC發(fā)送ABTS請求幀，要求NT終止當前交換，一段時間后，鏈路恢復(fù)正常，NC收到NT回復(fù)的ABTS應(yīng)答幀，確認之前交換已經(jīng)終止，ABTS協(xié)議完成。由于上一交換沒有成功，NC立刻重新發(fā)起交換，開始新的交換流程。

經(jīng)驗證，總線交換管理模塊實現(xiàn)了基于ABTS的FC-AE-1553總線交換管理功能，支持各類復(fù)雜交換管理模式，總線光纖傳輸線速率達5 Gbps。采用NC到NT傳輸文件模式，交換過程中模擬三種數(shù)據(jù)包長，分別對模塊線速率、傳輸效率、誤碼率等關(guān)鍵性能指標進行了測試[10]，結(jié)果如表1所示。

表1 交換管理模塊關(guān)鍵性能指標測試

從上表指標可以看出，模塊傳輸效率隨著交換數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)幀數(shù)的增大而提高，基于交換管理模塊的FC-AE-1553總線在傳輸速率、傳輸效率和誤碼率等指標上均遠優(yōu)于傳統(tǒng)1553總線。

5 結(jié)論

本文分析了新一代航電FC-AE-1553總線的優(yōu)勢，基于FC-AE-1553總線交換模型的分析完成了核心交換管理模塊的原理設(shè)計和處理流程設(shè)計，基于FPGA硬件平臺設(shè)計實現(xiàn)了模塊IP核，并搭建系統(tǒng)驗證了FC-AE-1553總線數(shù)據(jù)交換功能和協(xié)議差錯處理功能，進行了關(guān)鍵性能指標測試。

經(jīng)驗證，總線交換管理模塊實現(xiàn)了基于ABTS的FC-AE-1553總線交換管理功能，且支持各類復(fù)雜交換管理模式，支持NC和NT終端類型。模塊采用IP軟核實現(xiàn)方式，因此能夠方便地進行功能擴展和平臺移植。

驗證結(jié)果表明，本文提出的技術(shù)方案設(shè)計合理可行，設(shè)計的模塊集成度高，支持多種交換類型和交換模式，具有較強的通用性和可移植性，相對于傳統(tǒng)1553總線可靠性和傳輸速率大大提高，可用于現(xiàn)有1553總線的光纖升級和新型FC-AE-1553總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的搭建。