安全計算機雙口RAM數(shù)據(jù)通信論文
１安全數(shù)據(jù)交互方式
為避免ＭＰＵ和ＨＣＵ同時對雙口ＲＡＭ的同一個內(nèi)存單元進行訪問，本設計沒有采用雙口ＲＡＭ的中斷或者信號量等機制，而是采用一種基于角色的環(huán)形緩沖收發(fā)機制，將雙口ＲＡＭ劃分為兩個獨立環(huán)形緩沖區(qū)：發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)和接收環(huán)形緩沖區(qū)。發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)負責將ＭＰＵ數(shù)據(jù)傳遞給ＨＣＵ，最終發(fā)送給外部設備；ＨＣＵ從外部設備接收到數(shù)據(jù)，放到接收環(huán)形緩沖區(qū)，并傳遞給ＭＰＵ。
�。保睌�(shù)據(jù)處理
三取二安全計算機邏輯運算模塊的運行周期為６００ｍｓ，該模塊按照周期進行數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出。在第ｎ個周期，ＭＰＵ上的控制邏輯運算模塊從雙口ＲＡＭ接收到數(shù)據(jù)后，放到邏輯接收緩沖區(qū)；從邏輯接收緩沖區(qū)取出ｎ－１個周期的數(shù)據(jù)并進行邏輯處理；將ｎ－２個周期的邏輯處理結果，從邏輯發(fā)送緩沖區(qū)中取出，放到雙口ＲＡＭ中。ＭＰＵ上的控制邏輯運算模塊對安全數(shù)據(jù)進行邏輯處理的時間不超過３００ｍｓ，如果超過，就會影響ＭＰＵ接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)。同樣，ＭＰＵ上的控制邏輯運算模塊接收、發(fā)送數(shù)據(jù)超過３００ｍｓ，也會影響邏輯處理功能。在接收發(fā)送處理階段，３００ｍｓ中的２８０ｍｓ被分為２０個發(fā)送接收子周期，每一個子周期的時間為１４ｍｓ。在ＨＣＵ中，也是按照同樣的運行節(jié)拍從雙口ＲＡＭ中寫入或讀出數(shù)據(jù)。ＭＰＵ與ＨＣＵ之間交互的數(shù)據(jù)，按照預先定義的雙口ＲＡＭ交換數(shù)據(jù)幀進行。數(shù)據(jù)幀定義略———編者注。
１．２數(shù)據(jù)接收
�。龋茫胀ㄟ^網(wǎng)絡接口接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行預處理，按照交換數(shù)據(jù)幀進行數(shù)據(jù)組包。根據(jù)當前周期號設置“ｃｙｃｌｅ”，同時確定該數(shù)據(jù)包需要被放到Ｄ、Ｅ、Ｆ三個區(qū)塊中寫入?yún)^(qū)塊角色標志“ｒｏｌｅ”，將“ｆｌａｇ”設置為１（即為輸入），并交換數(shù)據(jù)幀的其他字段，按照源網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包中的信息進行設置。ＨＣＵ根據(jù)當前周期號確定在接收環(huán)形緩沖區(qū)中的寫入?yún)^(qū)塊后，將組包之后的交換數(shù)據(jù)幀放到寫入?yún)^(qū)塊中。ＭＰＵ根據(jù)當前周期號確定在接收環(huán)形緩沖區(qū)中的讀出區(qū)塊后，從讀出區(qū)塊中獲取交換數(shù)據(jù)幀，然后對數(shù)據(jù)幀進行解包，并通過“ｃｙｃｌｅ”、“ｒｏｌｅ”、“ｆｌａｇ”、“ｓａｆｅｔｙ”、“ｃｒｃ”等信息來驗證數(shù)據(jù)幀的唯一性和正確性，正常的數(shù)據(jù)幀被放到邏輯接收緩沖區(qū)，異常的數(shù)據(jù)幀被丟棄。同時ＭＰＵ根據(jù)當前周期號，確定在接收環(huán)形緩沖區(qū)中的測試區(qū)塊，利用內(nèi)存檢測算法對測試區(qū)塊進行雙口ＲＡＭ內(nèi)存區(qū)塊檢測。
�。保硵�(shù)據(jù)發(fā)送
在當前周期的`６００ｍｓ內(nèi)，ＭＰＵ進行邏輯運算處理在３００ｍｓ內(nèi)完成后，ＭＰＵ從邏輯發(fā)送緩沖區(qū)中讀取上個周期的邏輯處理結果數(shù)據(jù)，并對結果數(shù)據(jù)進行預處理，按照交換數(shù)據(jù)幀進行數(shù)據(jù)組包。根據(jù)當前周期號設置“ｃｙｃｌｅ”，同時確定該數(shù)據(jù)包需要被放到Ａ、Ｂ、Ｃ三個區(qū)塊中寫入?yún)^(qū)塊角色標志“ｒｏｌｅ”，將“ｆｌａｇ”設置為１（即為輸入），并交換數(shù)據(jù)幀的其他字段，按照源網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包中的信息進行設置。ＭＰＵ根據(jù)當前周期號，確定在發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)中的寫入?yún)^(qū)塊后，將組包之后的交換數(shù)據(jù)幀放到寫入?yún)^(qū)塊中。ＨＣＵ根據(jù)當前周期號，確定在接收環(huán)形緩沖區(qū)中的讀出區(qū)塊后，從讀出區(qū)塊中獲取交換數(shù)據(jù)幀，然后對數(shù)據(jù)幀進行解包，并通過“ｃｙｃｌｅ”、“ｒｏｌｅ”、“ｆｌａｇ”、“ｓａｆｅｔｙ”、“ｃｒｃ”等信息來驗證數(shù)據(jù)幀的唯一性和正確性，驗證數(shù)據(jù)幀的正確性。異常的數(shù)據(jù)幀被丟棄，正常的數(shù)據(jù)幀按照網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀進行組包，并通過網(wǎng)絡發(fā)送給軌旁設備或者車載控制器。同時ＨＣＵ根據(jù)當前周期號，確定在發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)中的測試區(qū)塊，利用內(nèi)存檢測算法對測試區(qū)塊進行雙口ＲＡＭ內(nèi)存區(qū)塊檢測。
�。保磪^(qū)塊角色輪換
雙口ＲＡＭ的發(fā)送與接收環(huán)形緩沖區(qū)的３個區(qū)塊，在任意一個周期都只能處于讀出、寫入、測試３種中的某一種角色，而且這３個角色進行周期輪換，區(qū)塊角色輪換表略———編者注。ＭＰＵ與ＨＣＵ通過雙口ＲＡＭ區(qū)塊角色進行數(shù)據(jù)交互的步驟略———編者注。ＭＰＵ與ＨＣＵ通過相同的外部時鐘中斷來驅(qū)動數(shù)據(jù)處理軟件模塊的運行，ＭＰＵ與ＨＣＵ在對雙口ＲＡＭ進行訪問時可以做到同步、流水線作業(yè)。在同一個處理周期內(nèi)，發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)或者接收環(huán)形緩沖區(qū)中任何一個區(qū)塊都有明確固定的角色，ＭＰＵ板和ＨＣＵ板不會同時訪問操作相同區(qū)塊，只有一個板卡對特定區(qū)塊進行訪問，從而解決了雙口ＲＡＭ的訪問沖突問題，不需要另外采取硬件仲裁、軟件仲裁或者信號量交互等手段。
�。保惦p口ＲＡＭ檢測
應用在三取二安全計算機中雙口ＲＡＭ可能存在一些功能性缺陷。無論門級電子元件的制造缺陷，還是板卡電路級的設計錯誤，都可能導致雙口ＲＡＭ的存儲功能性故障，從而降低其功能完整性和可靠性。雙口ＲＡＭ存儲單元具有多種類型的故障略———編者注。實際項目應用中，開發(fā)人員需要關注雙口ＲＡＭ存儲功能的完整性和可靠性，可以通過存儲器檢測算法來對其進行檢測和診斷，能夠及時地發(fā)現(xiàn)和定位雙口ＲＡＭ的存儲功能故障，并及時采取相應的措施，避免因雙口ＲＡＭ存儲單元的數(shù)據(jù)錯誤導致的嚴重后果。本文采用硬件ＢＩＳＴ架構（ＨＢＩＳＴ），在硬件電路中設計專門的硬件邏輯部件來對內(nèi)存進行測試，其圖形測試向量有專門的硬件電路模塊生成，自動對內(nèi)存的各種功能故障進行測試，硬件架構內(nèi)建測試的內(nèi)存故障測試覆蓋率高，而且測試速度快，設計選取的圖形測試向量主要用于覆蓋高層次的內(nèi)存故障，如ＮＰＳＦ、ＣＦ、ＤＲＦ。ＨＢＩＳＴ利用Ｍａｒｃｈ－ＴＢ內(nèi)存測試算法對系統(tǒng)的內(nèi)存進行測試，使用硬件ＨＢＩＳＴ電路來生成圖形測試向量，并由硬件ＨＢＩＳＴ電路來進行測試，ＨＢＩＳＴ測試電路模型略———編者注。在硬件ＢＩＳＴ處于非工作狀態(tài)時，會拉低ＢＩＳＴ的時鐘信號，ＢＩＳＴ電路進入休眠狀態(tài)。當系統(tǒng)在夜間進入非繁忙狀態(tài)，會產(chǎn)生ＢＩＳＴ＿ＭＯＤＥ信號，來激活ＢＩＳＴ電路的ＢＩＳＴ模式控制器，并拉高時鐘信號，ＢＩＳＴ模式控制器發(fā)出控制信號，會接管對整個ＲＡＭ的訪問控制，并對ＲＡＭ開始進行測試。ＢＩＳＴ模式控制器控制測試向量產(chǎn)生器、地址與數(shù)據(jù)生成邏輯工作，產(chǎn)生相應的測試向量對ＲＡＭ進行測試。同時，并將測試結果在ＢＩＳＴ結果比較器中進行比較，如果發(fā)現(xiàn)異常，退出ＢＩＳＴ＿ＭＯＤＥ模式，通知ＭＰＵ測試異常，ＭＰＵ產(chǎn)生相應的告警和錯誤處理。ＨＢＩＳＴ在進行內(nèi)存檢測時一共具有４種狀態(tài)：ｉｄｌｅ、ｔｅｓｔ、ｅｒｒｏｒ、ｗａｉｔ。ｉｄｌｅ表示處于等待測試數(shù)據(jù)進行測試的空閑狀態(tài)；ｔｅｓｔ表示獲得測試向量對相應內(nèi)存單元進行測試；ｅｒｒｏｒ表示檢測到內(nèi)存單元出錯；ｗａｉｔ表示處于休眠狀態(tài)，等待ＣＰＵ模塊激活ＨＢＩＳＴ。ＨＢＩＳＴ狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖略———編者注。ＨＢＩＳＴ狀態(tài)機的ＶＨＤＬ程序略———編者注。在測試的過程中，通過植入內(nèi)存故障，并用邏輯分析儀獲取出錯信號，硬件ＢＩＳＴ模塊檢測內(nèi)存出錯圖如圖３所示。圓圈里面的測試結果與期望結果不一致，內(nèi)存檢測出錯。
�。保稊�(shù)據(jù)交互軟硬件設計
雙口ＲＡＭ是雙端口ＳＲＡＭ芯片，本設計采用ＣＹ７Ｃ０２８Ｖ－１５ＡＸＩ，讀寫速度最高為１５ｎｓ，數(shù)據(jù)容量為６４Ｋ×１６位。雙口ＲＡＭ連接ＨＣＵ板的一端為ＭＰＣ８２４７的ＬＯ－ＣＡＬＢＵＳ總線，連接ＭＰＵ板的一端為ＣＰＣＩ總線橋接芯片的ＬＯＣＡＬＢＵＳ總線，ＨＣＵ可以直接通過ＬＯＣＡＬＢＵＳ總線訪問雙口ＲＡＭ，而ＭＰＵ板通過ＰＣＩ總線訪問，其中還有控制信號，如片選、讀寫、中斷、ＢＵＳＹ信號等。雙口ＲＡＭ交互電路圖略———編者注。在ＭＰＵ和ＨＣＵ中，通過設計的軟件模塊，來完成雙口ＲＡＭ的訪問操作。雙口ＲＡＭ的ＭＰＵ上軟件交互關鍵代碼略———編者注。
２結語
分析了應用在軌道交通行業(yè)中的三取二安全計算機的雙口ＲＡＭ數(shù)據(jù)通信要求，并在實際的項目設備開發(fā)中，設計了基于角色輪換和自檢技術的數(shù)據(jù)通信方案，可以滿足三取二安全計算機數(shù)據(jù)通信的安全性、可靠性和實時性要求。
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