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基于CPCI系統(tǒng)的高速數(shù)字通信接口電路設(shè)計與應(yīng)用
在CPCI系統(tǒng)環(huán)境下高速數(shù)字通信AFDX協(xié)議端系統(tǒng)接口的電路設(shè)計與功能實現(xiàn)。采用Verilog編程實現(xiàn)基于FPGA的硬件設(shè)計部分，采用C編程實現(xiàn)基于MicroBlaze的嵌入式軟件設(shè)計。
0 引 言
隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求更高。在航空等軍用電子設(shè)備中，實現(xiàn)信號處理算法的數(shù)字信號處理機，起著至關(guān)重要的作用。CPCI總線技術(shù)有效解決了高速互聯(lián)問題。
20世紀(jì)90年代，PCI總線技術(shù)被廣泛應(yīng)用，但是它可靠性較低，無法滿足對正常運行時間要求較高的高可用性系統(tǒng)。加之其主板連接器可靠性低，更換時易被損壞。CPCI的高帶寬特點，決定了其適用于高速數(shù)據(jù)通信場合。隨著國外著名計算機系統(tǒng)公司基于CPCI產(chǎn)品和方案的推廣及PICMG/PRC對CPCI技術(shù)的宣傳，我國工業(yè)控制領(lǐng)域越來越多地把CPCI應(yīng)用于高性能嵌入式系統(tǒng)之中。本文研究了在CPCI系統(tǒng)環(huán)境下高速數(shù)字通信AFDX協(xié)議端系統(tǒng)接口的電路設(shè)計與功能實現(xiàn)。采用Verilog編程實現(xiàn)基于FPGA的硬件設(shè)計部分，采用C編程實現(xiàn)基于MicroBlaze的嵌入式軟件設(shè)計。
1 基于FPGA的硬件設(shè)計
1.1 MAC模塊、FIFO模塊和MII模塊
FIFO模塊分為接收FIFO和發(fā)送FIFO，通過調(diào)用IP核來實現(xiàn)。本文所設(shè)計的MAC模塊和FIFO模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。MAC核通過MII接口和PHY芯片進(jìn)行外部通信，通過發(fā)送FIFO和接收FIFO進(jìn)行FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)的通信。
1.2 CRC模塊
CRC模塊通過檢驗數(shù)據(jù)的CRC值，判決接收的數(shù)據(jù)的正確性和有效性。在數(shù)據(jù)包被發(fā)送后，緊接著該數(shù)據(jù)包的4 B CRC也會被發(fā)送。接收者通過數(shù)據(jù)包和CRC數(shù)據(jù)就可以得出新的CRC值。若新CRC值為0，表明接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)不一致，crc_error將會置1。其管腳定義如表2所示。
1.3 規(guī)整模塊和冗余管理模塊
規(guī)整模塊根據(jù)每條VL的BAG，Lmax值，對其數(shù)據(jù)流進(jìn)行規(guī)整。具體方式為：當(dāng)該VL的BAG時間達(dá)到，且Jitter在最大抖動的范圍內(nèi)、幀長小于Lmax，則置FTT標(biāo)識有效，此時多路復(fù)用器模塊會申請對該VL進(jìn)行調(diào)度;反之，不能對該VL進(jìn)行調(diào)度。將固定帶寬分配給每個VL，等價于把接收端與發(fā)送端之間的數(shù)據(jù)傳輸限制在一個BAG內(nèi)，即在一個BAG內(nèi)只有一次數(shù)據(jù)傳輸，如果數(shù)據(jù)包過大，將其分為多個幀進(jìn)行發(fā)送，也將會在各自的BAG內(nèi)進(jìn)行發(fā)送。所以，為了保證任意時間段使用的帶寬都是可以被確定的，必須把一個時間段合理地分配給不同的終端系統(tǒng)使用，規(guī)整器的輸入輸出示意圖如圖3所示。
從圖3可看出，兩個數(shù)據(jù)幀之間的長度大于BAG，那么正常接收;當(dāng)兩個數(shù)據(jù)幀之間的長度小于一個BAG，就將后一個數(shù)據(jù)幀移動到第二個BAG的起始位置。 在AFDX網(wǎng)絡(luò)中，通過不同的AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機將兩個互為冗余的幀傳遞到同一個目的端系統(tǒng)。只要交換機輸出端口的輸入流量大于輸出流量，就必定會產(chǎn)生交換延遲。因為不同的交換機的交換延遲不是確定值，所以兩個互為冗余的幀到達(dá)目的端的時間間隔也是不確定的。設(shè)計時，將SkewMax(最大偏斜)用于AFDX的接收冗余管理中以便對冗余幀的接收時間進(jìn)行限制。冗余管理模塊的功能是對接收幀的有效性進(jìn)行驗證，并將重復(fù)的有效幀進(jìn)行消除。冗余管理模塊的框圖如圖4所示。
1.4 發(fā)送和接收模塊
發(fā)送數(shù)據(jù)的基本過程如下：要發(fā)送數(shù)據(jù)時，將待發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸?shù)組AC的發(fā)送緩存中，發(fā)送緩存接收到的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定值時，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊開始進(jìn)行幀間隔計時;發(fā)送幀的前導(dǎo)碼;發(fā)送幀起始定界符;幀長計數(shù)、CRC校驗和計算，同時將數(shù)據(jù)按半位元組(4 b)發(fā)送給MII接口;在發(fā)送過程中，如果MAC檢測到該幀的長度小于最小幀長(64 B)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)填充達(dá)到64 B為止。
AFDX發(fā)送部分的狀態(tài)機如圖6所示，發(fā)送數(shù)據(jù)主要包括等待、數(shù)據(jù)長度檢測、插入前導(dǎo)碼和幀起始界定符、數(shù)據(jù)發(fā)送以及CRC校驗結(jié)果狀態(tài)。系統(tǒng)在工作的時候，一直處于wait狀態(tài)，當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，狀態(tài)機將進(jìn)入下一個狀態(tài)從而開始數(shù)據(jù)的發(fā)送。
接收為發(fā)送的反過程，首先對接收到的4位信息進(jìn)行幀檢測，當(dāng)檢測到前導(dǎo)碼和幀起始定界符的時候，則認(rèn)為一幀數(shù)據(jù)接收到了，然后開始對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，得到幀數(shù)據(jù)中的各類數(shù)據(jù)信息。
AFDX接收過程如下：數(shù)據(jù)通過PHY芯片解碼后進(jìn)入到MAC 核，然后進(jìn)入接收FIFO。當(dāng)MAC接收到數(shù)據(jù)有效后，從MII接口讀入數(shù)據(jù)后檢測前導(dǎo)碼和幀起始定界符，當(dāng)檢測到有效的幀起始定界符，就會開始對幀長進(jìn)行計數(shù)。接收模塊在接收數(shù)據(jù)的過程中將已接收到的幀的前導(dǎo)域，SFD域，CRC域和PAD域進(jìn)行剝離。
2 基于MicroBlaze的軟件設(shè)計
2.1 設(shè)計說明
在MicroBlaze中將主要完成AFDX協(xié)議棧中UDP層和IP層的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收部分，對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝、解析和控制。發(fā)送部分主要完成以下幾個工作：當(dāng)一個幀數(shù)據(jù)進(jìn)入AFDX端口時，發(fā)送部分就開始對該幀數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，其中UDP層將對數(shù)據(jù)添加UDP頭，包括源和目標(biāo)UDP端口號。IP層將UDP層處理完的數(shù)據(jù)添加IP 包頭和以太網(wǎng)頭，然后送入虛鏈路層并添加序列號。接收部分主要完成如下幾個工作：當(dāng)一個幀信號通過PHY解碼送入MAC后，通過接收FIFO送入AFDX接收模塊，那么接收過程開始。在鏈路層首先對該幀信號進(jìn)行完整性檢測和冗余管理，然后進(jìn)入IP層，進(jìn)行IP 校驗和檢查，然后送入UDP層，通過多路分配器后將對應(yīng)的幀數(shù)據(jù)發(fā)送出去，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的解封裝功能。
2.2 設(shè)計流程
基于MicroBlaze的系統(tǒng)設(shè)計需要分別對系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行協(xié)同編譯。完成MicroBlaze的軟件設(shè)計之后，將MicroBlaze作為ISE工程下的一個子模塊進(jìn)行調(diào)用。為了驗證程序的正確性，利用ISE調(diào)用ModelSim對其進(jìn)行仿真。具體做法是在ISE工程中添加一個以MicroBlaze處理器為基礎(chǔ)的IP核，并編寫測試文件，為處理器的輸入信號提供激勵，輸出信號提供端口。
3 測試與驗證
兩個MAC核的仿真意義是相同的，所以針對第一個MAC核的仿真波形進(jìn)行說明。mii_tx_en_0為幀使能信號，當(dāng)MAC核正常工作時，有數(shù)據(jù)發(fā)送的時候該信號為1;當(dāng)發(fā)送為0的時候，該信號使能為0，mii_txd_0為發(fā)送的數(shù)據(jù)。當(dāng)有接收信號進(jìn)入MAC核時，mii_rx_dv_0為高電平，對應(yīng)的數(shù)據(jù)為接收的數(shù)據(jù);當(dāng)接收的數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤時，mii_rx_er_0會出現(xiàn)高電平，如果接收到的數(shù)據(jù)沒有發(fā)生錯誤，那么該信號為低電平。
在接收端，判斷接收數(shù)據(jù)的CRC計算結(jié)果是否為0，如果為1，則表明接收過程中有CRC校驗錯誤。CRC 校驗?zāi)K的仿真結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出，對接收到的數(shù)據(jù)以及發(fā)送過來的這些數(shù)據(jù)的CRC 校驗值(d19167bc)一起計算，計算出來的校驗值為0，證明接收的數(shù)據(jù)沒有問題。
規(guī)整模塊的仿真數(shù)據(jù)如圖12所示。此處接收到的數(shù)據(jù)位1，2，3，4，…是不等間隔的，通過規(guī)整之后輸出的數(shù)據(jù)1，2，3，4是等間隔的，這個模塊的初始輸出數(shù)據(jù)是錯誤的，所以會重復(fù)輸出第一幀的數(shù)據(jù)，后面將輸出正確的數(shù)據(jù)。
主機要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先給MAC的發(fā)送緩存中發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送緩存接收到的數(shù)據(jù)與設(shè)定值相符時，開始進(jìn)行長度檢測，檢測完成后，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊開始進(jìn)行幀間隔計時。根據(jù)幀計數(shù)器的值開始發(fā)送幀的前導(dǎo)碼、幀起始定界符，將4位數(shù)據(jù)發(fā)送給MII接口，最后把數(shù)據(jù)從物理層發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上。發(fā)送模塊的仿真結(jié)果如圖13所示。
此處仿真波形的信號i_start_or_not為高電平時，AFDX 發(fā)送模塊開始工作，i_data為需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，i_data_number為需要發(fā)送數(shù)據(jù)的個數(shù)，i_aim_address 為發(fā)送信號的目標(biāo)地址，i_orig_address為發(fā)送的源地址，i_head_ip為發(fā)送信號的IP頭，i_head_udp為發(fā)送信號。當(dāng)發(fā)送開始時，系統(tǒng)首先檢測需要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度，如果數(shù)據(jù)長度大于64，則開始發(fā)送，如果發(fā)送數(shù)據(jù)長度小于64，那么進(jìn)行填充，補充到64為止。通過AFDX發(fā)送模塊，得到發(fā)送的幀數(shù)據(jù)o_AFDX_data以及幀信號對應(yīng)的幀使能信號o_afdx_frame，完成了數(shù)據(jù)的正常發(fā)送。
接收模塊的仿真結(jié)果如圖14所示。當(dāng)外部數(shù)據(jù)通過PHY解碼后進(jìn)入MAC核，接收端開始進(jìn)入接收狀態(tài)機，首先檢測前導(dǎo)碼和幀起始界定符。如果檢測正確，那么系統(tǒng)進(jìn)入下一個狀態(tài)。從圖14的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)檢測完前導(dǎo)碼和幀起始界定符時，current_state將進(jìn)入下一個狀態(tài)。然后開始接收數(shù)據(jù)，o_data就為接收到的數(shù)據(jù)。 4 結(jié) 論
本文在對航空全雙工以太網(wǎng)(AFDX)協(xié)議深入研究的基礎(chǔ)上，介紹了一種通用信號處理平臺中的一塊AFDX接口板卡，該板卡扣在相應(yīng)的XMC載卡上應(yīng)用于CPCI系統(tǒng)中。該板卡XMC傳輸速率為3.125 Gb/s，可高速傳輸RapidIO協(xié)議數(shù)據(jù)，兼容32 b PCI接口和LINK口協(xié)議。由于該板卡支持多種接口模式的背板，為各種高速板卡之間的互聯(lián)提供了平臺。
基于AFDX接口板卡，采用FPGA設(shè)計了一種AFDX端系統(tǒng)接口功能的實現(xiàn)方法，該方法基于FPGA的硬件設(shè)計和基于MicroBlaze的嵌入式軟件設(shè)計，采用FPGA和PHY芯片實現(xiàn)End System端的AFDX接口，完成傳輸層(UDP)、網(wǎng)絡(luò)層(IP)、鏈路層(Virtual Link)及物理層(PHY)四層協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸，使得該接口具備實時、可靠傳輸AFDX 數(shù)據(jù)的能力。由于該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較復(fù)雜，開發(fā)設(shè)計具有一定難度。本文的設(shè)計基本實現(xiàn)了AFDX端系統(tǒng)的接口發(fā)送和接收功能，基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。AFDX端系統(tǒng)作為AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的重要組成部分，為航空電子系統(tǒng)提供了安全可靠的數(shù)據(jù)交換服務(wù)接口，今后必會得到更加廣泛的應(yīng)用。
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