一種PCI接口AFDX端系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王晨博　劉鵬　劉洋

摘要：航空全雙工交換式以太網(wǎng)（AFDx）具有高速、確定性和雙余度等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于新一代航電網(wǎng)絡(luò)。文章對(duì)AFDX協(xié)議的通信架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸ぷ髂Ｊ阶龀隽朔治?，并提出了一種基于FPGA的AFDX端系統(tǒng)模塊的實(shí)現(xiàn)方法。測(cè)試表明，該模塊實(shí)現(xiàn)方法合理、工作可靠。

關(guān)鍵詞：端系統(tǒng)；航空全雙工交換式以太網(wǎng)；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2017）10-0028-03

1.引言

高度綜合化的航空電子系統(tǒng)，對(duì)航電子系統(tǒng)間的超高速、大容量數(shù)據(jù)交互和消息共享的要求日益增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的ARINC429、MIL-STD-1553等機(jī)載總線已不能滿足通信需求。航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)（Avionics Full Duplex Switched Ether-net，AFDx）基于IEEE802.3通信原理和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)合航電系統(tǒng)特殊需求對(duì)該協(xié)議的部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路進(jìn)行適應(yīng)性修改，使其成為具有高帶寬、低延時(shí)和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，滿足大飛機(jī)航電主干網(wǎng)絡(luò)的通信要求。

相比傳統(tǒng)的機(jī)載總線ARINC429和1553B而言，AFDX網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、升級(jí)維護(hù)容易、可擴(kuò)展性強(qiáng)，兼容ARINC應(yīng)用協(xié)議SNMP和ARINC615A加卸載等協(xié)議優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合其獨(dú)有的虛擬鏈路技術(shù)和雙余度技術(shù)，確保數(shù)據(jù)傳輸滿足延遲確定、傳輸可靠、容錯(cuò)能力強(qiáng)等機(jī)載網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，已成為新一代航電系統(tǒng)總線接口關(guān)鍵技術(shù)之一。

結(jié)合某型機(jī)載系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)出了一種滿足該系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求的AFDX端系統(tǒng)模塊，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，搭建了一套完整的測(cè)試設(shè)備，對(duì)AFDX端系統(tǒng)模塊的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。

2.AFDX協(xié)議分析

AFDX作為一種定制的確定性網(wǎng)絡(luò)，可以通過路由器或者網(wǎng)關(guān)與某個(gè)更寬泛的兼容網(wǎng)絡(luò)相通信，在ARINC 664P7中，AFDX協(xié)議主要包含：端系統(tǒng)（End System）、交換機(jī)（Switch）和應(yīng)用系統(tǒng)等三個(gè)部分，其中端系統(tǒng)部分重點(diǎn)對(duì)虛擬鏈路、流量控制、調(diào)度、冗余管理等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)定義?，F(xiàn)將虛擬鏈路和流量控制的概念進(jìn)行描述。

2.1虛擬鏈路

虛擬鏈路定義了一個(gè)邏輯上的單向連接，從一個(gè)源到一個(gè)或多個(gè)目的端系統(tǒng)。一個(gè)端系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)為僅接收VL而不發(fā)送VL，或者與之相反。端系統(tǒng)通過VL進(jìn)行以太網(wǎng)幀的互換。在航空電子網(wǎng)絡(luò)中任意一個(gè)VL都只有唯一一個(gè)源端系統(tǒng)。每個(gè)虛擬鏈路都被指定一個(gè)最大帶寬，該帶寬由系統(tǒng)集成者分配，一般為2kms（k=1，2，…，8）。端系統(tǒng)應(yīng)該利用可用帶寬提供邏輯隔離。不論某個(gè)部件試圖在一條VL上得到怎樣的利用率，任意其它VL的可用帶寬都不受影響。對(duì)于每個(gè)虛擬鏈路，在發(fā)送和接收過程中數(shù)據(jù)被某個(gè)部件傳送，端系統(tǒng)應(yīng)該保持?jǐn)?shù)據(jù)的次序（次序完整性）。

2.2流量控制

在每個(gè)端系統(tǒng)的輸出端，與一條特定的VL相關(guān)聯(lián)的幀的流量用兩個(gè)參數(shù)來描述：帶寬分配間隔（GAP）和抖動(dòng)（Jitter）。如果經(jīng)過調(diào)度器的幀沒有抖動(dòng)，BAG就反映了在同一個(gè)VL中兩個(gè)相鄰的幀的起始二進(jìn)制位之間的最小時(shí)間間隔。端系統(tǒng)應(yīng)該以每個(gè)VL為基礎(chǔ)（單位）對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)整。

3.需求分析

本文提及的AFDX模塊應(yīng)用于某型機(jī)載通信環(huán)境。端系統(tǒng)在符合ARINC664P7規(guī)范的基礎(chǔ)上，滿足用戶規(guī)范要求。接收VL支持32-512條，BAG可配置為0.5ms-128ms，步進(jìn)0.5ms。

AFDX模塊采用標(biāo)準(zhǔn)PMC子卡形式設(shè)計(jì)，作為從設(shè)備支持某型設(shè)備同主干網(wǎng)絡(luò)的連接及數(shù)據(jù)通信。AFDX模塊應(yīng)包含的功能有：

（1）端系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)符合ARINC664P7協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，且滿足用戶規(guī)范要求的ARINC664端系統(tǒng)，支持UDP/IP協(xié)議棧，支持ARINC664數(shù)據(jù)通信功能；

（2）網(wǎng)絡(luò)管理功能，支持管理端對(duì)端系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理功能；

（3）數(shù)據(jù)加卸載功能，支持加載端的Find、Information、上傳和下載功能，實(shí)現(xiàn)端系統(tǒng)上配置、軟件等數(shù)據(jù)文件的上傳和下載。

4.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

AFDX端系統(tǒng)模塊基于以太網(wǎng)物理層提供雙路冗余的端系統(tǒng)通信功能，其層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

端系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)劃分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層五個(gè)層次，其中，在物理層基于以太網(wǎng)的PHY芯片提供兩路的通信接口，支持端系統(tǒng)的雙路冗余；數(shù)據(jù)鏈路層通過大規(guī)模FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)，主要完成端系統(tǒng)基于BAG的VL調(diào)度、雙路數(shù)據(jù)的冗余管理及MAC核功能；端系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層及傳輸層通過軟件實(shí)現(xiàn)，完成UDP/IP協(xié)議棧、ICMP功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的封裝、分片、重組等功能，并向上層提供周期、采樣和對(duì)列端口服務(wù)功能；上述四個(gè)層次功能均在端系統(tǒng)模塊上實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用層功能運(yùn)行在主機(jī)模塊上，實(shí)現(xiàn)基于ARINC664通信的主機(jī)應(yīng)用功能，并實(shí)現(xiàn)SNMP網(wǎng)絡(luò)管理及ARINC615A數(shù)據(jù)加卸載功能。

4.1硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于CPU+FPGA的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)端系統(tǒng)功能。其中主要功能電路包括：處理器電路、FPGA電路、電源電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。AFDX端系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

AFDX端系統(tǒng)模塊以一片F(xiàn)PGA為核心進(jìn)行搭建，實(shí)現(xiàn)端系統(tǒng)鏈路層功能。FPGA電路基本配置如下：

（1）配置兩個(gè)以太網(wǎng)MAC核，通過MII接口實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)PHY芯片的控制；

（2）配置端系統(tǒng)鏈路層控制功能，支持冗余管理、虛鏈路調(diào)度等；

（3）端系統(tǒng)模塊復(fù)位控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)手動(dòng)復(fù)位、系統(tǒng)復(fù)位、上電復(fù)位、處理器復(fù)位、配置加載復(fù)位的邏輯控制；

（4）總線譯碼，實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)外部FLASH、SDRAM、DPRAM等存儲(chǔ)資源的訪問片選及譯碼控制；

（5）配置字加載，為CPU提供上電配置字，控制處理器的工作頻率。

通過邏輯綜合時(shí)對(duì)寄存器資源和block RAM資源的占用情況評(píng)估，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司的v5系列芯片。用于配置FPGA設(shè)計(jì)中選用并行配置模式，加載時(shí)，由FPGA啟動(dòng)時(shí)鐘，從PROM按照并行方式讀取配置數(shù)據(jù)。

處理器電路用于實(shí)現(xiàn)端系統(tǒng)傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層功能，集成PCI橋功能，支持模塊的軟件運(yùn)行。將處理器的串口通過串口芯片引出兩路的RS232串口至PMC連接器，用于支持端系統(tǒng)模塊的串口調(diào)試和串口輸出功能。

時(shí)鐘電路提供PHY芯片和FPGA的25M時(shí)鐘；端系統(tǒng)模塊通過PMC接口獲取5V供電，在模塊內(nèi)部通過電源轉(zhuǎn)換芯片完成5v到3.3V、2.5V、1.8V、1.5V及1v的電壓轉(zhuǎn)換，給模塊上各個(gè)器件進(jìn)行供電。

由于選用的v5系列FPGA的外形尺寸為35x35mm，除去PMC連接器和外圍邊框所占面積后，實(shí)際留給器件布局的可用尺寸非常緊湊。在電阻電容選型時(shí)，將原有的0603封裝電阻電容盡量更換為0402封裝器件，0402封裝電阻電容的印制板面積不到0603的40%。由于數(shù)量眾多，更換后，可以節(jié)省不少的印制板面積。

4.2邏輯設(shè)計(jì)

端系統(tǒng)鏈路層發(fā)送過程如下，F(xiàn)PGA從外部雙口獲取要發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過VL規(guī)整器及調(diào)度器進(jìn)行虛鏈路控制后，根據(jù)配置中對(duì)該VL的冗余設(shè)置，將數(shù)據(jù)包選擇分發(fā)到MACl和MAC2通過物理層PHY芯片進(jìn)行發(fā)送；

端系統(tǒng)鏈路層接收過程如下，F(xiàn)PGA從MACl和MAC2上接收到物理層數(shù)據(jù)，根據(jù)配置通過完整性檢查、冗余管理后，將消息數(shù)據(jù)提交到FPGA內(nèi)部的雙口緩沖區(qū)，網(wǎng)絡(luò)層CPU通過主機(jī)接口訪問接收雙口緩沖區(qū)獲取接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行上層處理，同時(shí)，在FPGA內(nèi)部提供控制寄存器功能，維護(hù)鏈路層通信配置、鏈路層通信統(tǒng)計(jì)量等功能。

5.試驗(yàn)測(cè)試

5.1測(cè)試平臺(tái)搭建及功能驗(yàn)證

結(jié)合AFDX端系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)需求，對(duì)模塊功能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。測(cè)試主要為協(xié)議符合性測(cè)試。測(cè)試使用設(shè)備包括AFDX網(wǎng)絡(luò)測(cè)試設(shè)備、模塊測(cè)試工裝、電源、PC機(jī)和工裝電纜。AFDX網(wǎng)絡(luò)測(cè)試設(shè)備選用AIM公司ATCS測(cè)試臺(tái)，被測(cè)端系統(tǒng)通過載板安裝在端系統(tǒng)測(cè)試工裝內(nèi)，測(cè)試設(shè)備和被測(cè)端系統(tǒng)之間通過網(wǎng)線連接兩路A664接口。測(cè)試平臺(tái)的連接示意如圖4所示。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)產(chǎn)品功能性能進(jìn)行全部測(cè)試，測(cè)試目的是為了檢查AFDX端系統(tǒng)模塊的功能、性能是否符合AFDX端系統(tǒng)模塊的技術(shù)要求。

ATCS測(cè)試臺(tái)上運(yùn)行PBA.pro軟件及測(cè)試腳本，用于對(duì)端系統(tǒng)的ARINC664協(xié)議符合性進(jìn)行測(cè)試；通過PBA.pro軟件的發(fā)送功能和捕獲功能，對(duì)端系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試。端系統(tǒng)主要測(cè)試內(nèi)容包括：

（1）初始化及啟動(dòng)自檢測(cè)；

（2）基本通信測(cè)試；

（3）接收測(cè)試，包括幀過濾、IP分片、VL帶寬隔離、完整性校驗(yàn)等；

（4）發(fā)送測(cè)試，包括子VL功能、網(wǎng)絡(luò)選擇、冗余功能等；

（5）性能測(cè)試，測(cè)試ARINC664端系統(tǒng)的線速發(fā)送及接接收功能；

（6）尋址、抖動(dòng)及ICMP功能測(cè)試；

（7）BAG及VL數(shù)目功能測(cè)試。

針對(duì)端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能需求，對(duì)其進(jìn)行充分驗(yàn)證并得出結(jié)果如表1所示。

6.結(jié)語

本文從某型機(jī)載AFDX端系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)要求出發(fā)，通過對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的理解和研究，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于PCI接口的端系統(tǒng)，并給出了該模塊在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的試驗(yàn)測(cè)試方法。實(shí)驗(yàn)測(cè)試和工程應(yīng)用結(jié)果表明，該模塊各項(xiàng)指標(biāo)均符合系統(tǒng)要求。