摘 要： 軍工系統(tǒng)單位在應(yīng)用1553B總線控制器電路過程中，采用其零等待工作模式，偶爾會遇到競爭訪問數(shù)據(jù)丟失的問題。文章詳細(xì)介紹了1553B總線控制器電路在應(yīng)用過程中競爭訪問產(chǎn)生的原因，并對競爭訪問和非競爭訪問之間的時序差異進(jìn)行了測試分析，闡明了競爭訪問數(shù)據(jù)丟失的原因，給出了有效避免競爭訪問發(fā)生時數(shù)據(jù)丟失的時序配置方法。
關(guān)鍵詞： 1553B總線；競爭訪問；非競爭訪問；時序
0 引言
1553B總線是美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-1553B總線的簡稱，它采用帶屏蔽的雙絞線作為串行數(shù)據(jù)總線，使用時分制指令/響應(yīng)型傳輸協(xié)議，其傳輸速率為1 Mb/s，傳輸方式為半雙工，其形式類似一個局域網(wǎng)[1]。由于1553B總線的高可靠性和實時性[2]，使其在航空、航天等眾多型號單機系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。1553B總線通常由一個總線控制器（BC）、最多31個遠(yuǎn)程終端（RT）和一個總線監(jiān)控器（MT）組成[3]。目前航空、航天系統(tǒng)使用最廣泛的1553B總線控制器有61580、65170、61585、64843等。1553B總線控制器在應(yīng)用過程中，通過主控制器（如MCU、DSP、FPGA等）對其內(nèi)部寄存器及存儲器進(jìn)行配置及數(shù)據(jù)寫入與讀出。本文重點分析1553B總線控制器在應(yīng)用過程中產(chǎn)生競爭訪問的原因、競爭訪問與非競爭訪問的時序差異、競爭訪問時數(shù)據(jù)丟失的原因及有效避免的方法。
1 競爭訪問與非競爭訪問介紹
1553B總線控制器為配合不同的主處理器（如16位的VC33、3803、8位的80C51等）的使用，提供了多種配置工作模式，主要有8位/16位緩沖非零等待模式、8位/16位緩沖零等待模式、16位透明模式、16位直接存儲器存取模式[4]六種。其中16位透明模式與16位直接存儲器存取模式需要使用外掛RAM，因此在航空、航天單機系統(tǒng)中使用較少；8位/16位緩沖非零等待模式和8位/16位緩沖零等待模式使用1553B總線控制器電路內(nèi)部RAM，在航空、航天系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。但8位/16位緩沖零等待模式使用內(nèi)部共享的4K×16位RAM時，通過軟件程序固定的讀寫周期對內(nèi)部寄存器及共享RAM進(jìn)行讀寫操作。由于該模式讀寫周期固定，當(dāng)競爭訪問發(fā)生時，偶爾會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。下面重點介紹該問題產(chǎn)生的原因。
從圖1 1553B總線控制器內(nèi)部邏輯功能框圖[5]可以看出，1553B總線控制器內(nèi)部集成了一塊4K×16位的共享RAM。首先1553B總線控制器內(nèi)部協(xié)議處理器可以通過數(shù)據(jù)總線和地址總線對4K×16位的共享RAM進(jìn)行讀寫訪問；其次外部主處理器CPU也可通過數(shù)據(jù)總線和地址總線對4K×16位的共享RAM進(jìn)行讀寫訪問（但通過了一級數(shù)據(jù)、地址緩沖器）。當(dāng)1553B總線控制器內(nèi)部協(xié)議處理器和外部主處理器CPU同時對4K×16位的共享RAM進(jìn)行讀寫訪問時，這時就產(chǎn)生了競爭訪問[6]。當(dāng)競爭訪問產(chǎn)生時，如前一個數(shù)據(jù)還沒有被寫入內(nèi)部的共享RAM，就會在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)里等待內(nèi)部協(xié)議處理器結(jié)束，以完成當(dāng)前共享RAM的訪問；下一個數(shù)據(jù)再次到來時，將無法寫入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，導(dǎo)致當(dāng)前寫入的數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)1553B總線控制器內(nèi)部的協(xié)議處理器和外部主處理器CPU對4K×16位的共享RAM輪流進(jìn)行讀寫訪問時，則為非競爭訪問。非競爭訪問不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。
2 競爭訪問與非競爭訪問時序分析
以16位緩沖零等待模式外部主處理器寫內(nèi)部共享RAM為例，重點介紹競爭訪問與非競爭訪問之間的時序差異。從圖2的16位緩沖零等待寫內(nèi)部RAM時序圖可以看出，STRBD信號控制了內(nèi)部RAM的寫入周期，READYD信號反映了數(shù)據(jù)寫入的時間過程，READYD高電平表示數(shù)據(jù)正在寫入內(nèi)部共享RAM，IOEN信號低電平表示數(shù)據(jù)寫入成功，本次測試分析了t14的時間長度（READYD信號高電平持續(xù)時間），該時間可有效反應(yīng)競爭訪問與非競爭訪問之間的時序差異。
試驗測試板通過主處理器CPU對1553B總線控制器電路（DDC公司生產(chǎn)的BU-65170S6-110K）內(nèi)部寄存器和RAM進(jìn)行配置，配置1553B總線控制器電路工作在遠(yuǎn)程終端RT模式下。配置成功后再對某一固定地址區(qū)域循環(huán)寫入遞增的數(shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)的周期通過軟件編程進(jìn)行改變；同時通過另外一塊測試板卡總線控制器BC對本RT進(jìn)行循環(huán)訪問該取數(shù)據(jù)[7]。利用示波器對STRBD、READYD、IOEN信號進(jìn)行監(jiān)測，并對總線通信數(shù)據(jù)進(jìn)行實時記錄，判斷數(shù)據(jù)是否為連續(xù)數(shù)據(jù)[8]。
2.1 非競爭訪問時序測試
寫入數(shù)據(jù)的周期通過軟件編程控制在每2 s寫入一次，并通過中斷信號控制主處理器CPU寫入數(shù)據(jù)，與總線控制器BC對RT進(jìn)行取數(shù)據(jù)輪流進(jìn)行，避免主處理器CPU與1553B總線控制器內(nèi)部協(xié)議處理器同時對內(nèi)部共享RAM進(jìn)行訪問的發(fā)生，即非競爭訪問。測試波形如圖3所示。
通過圖3的波形可測得在非競爭訪問的情況下，當(dāng)STRBD低電平寬度為500 ns時，READYD信號的高電平寬度為720 ns，并對實時記錄的總線通信數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在非競爭訪問的情況下，寫入數(shù)據(jù)與總線讀出數(shù)據(jù)一致，均為連續(xù)數(shù)據(jù)，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。
2.2 競爭訪問數(shù)據(jù)丟失時序測試
寫入數(shù)據(jù)的周期通過軟件編程控制在2 s一次，并在主處理器CPU寫入數(shù)據(jù)的同時，通過總線控制器BC對RT進(jìn)行取數(shù)據(jù)，以造成主處理器CPU和1553B總線控制器內(nèi)部協(xié)議處理器同時對內(nèi)部4K×16位共享RAM進(jìn)行訪問，即競爭訪問。測試波形如圖4所示。
通過圖4的波形可測得在競爭訪問的情況下，當(dāng)STRBD低電平寬度為500 ns時，READYD信號的高電平寬度為3.12 s，并對實時記錄的總線通信數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在競爭訪問的情況下，寫入數(shù)據(jù)與總線讀出數(shù)據(jù)有不一致的現(xiàn)象，總線讀出的數(shù)據(jù)為不連續(xù)數(shù)據(jù)，在寫入周期為2 s的情況下，當(dāng)競爭訪問發(fā)生時出現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。
從測試波形可以看出，競爭訪問發(fā)生時，即外部通信總線通過1553B總線控制器內(nèi)部協(xié)議處理器從共享RAM取數(shù)據(jù)，與主控制器CPU向內(nèi)部共享RAM寫數(shù)據(jù)同時進(jìn)行，數(shù)據(jù)寫入內(nèi)部共享RAM的時間變長[9]，即數(shù)據(jù)在排隊等待寫入內(nèi)部共享RAM，如果此時下一個寫周期到來，這個數(shù)據(jù)將無法寫入內(nèi)部共享RAM，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。
2.3 競爭訪問數(shù)據(jù)未丟失時序測試
寫入數(shù)據(jù)的周期通過軟件編程控制在每5 s寫入一次，并在主處理器CPU寫入數(shù)據(jù)的同時，通過總線控制器BC對RT進(jìn)行取數(shù)據(jù)，以造成主處理器CPU和1553B總線控制器內(nèi)部協(xié)議處理器同時對內(nèi)部4K×16位共享RAM進(jìn)行訪問[10]，即競爭訪問。測試波形如圖5所示。
通過圖5的波形可測得在競爭訪問的情況下，當(dāng)STRBD低電平寬度為250 ns時，READYD信號的高電平寬度為3.12 s，并對實時記錄的總線通信數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在競爭訪問的情況下，寫入數(shù)據(jù)與總線讀出數(shù)據(jù)一致，均為連續(xù)數(shù)據(jù)，在寫入周期為5 s的情況下，當(dāng)競爭訪問發(fā)生時未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。
3 結(jié)論
在1553B總線控制器電路應(yīng)用過程中，如果外部主處理器CPU與1553B總線控制器內(nèi)部協(xié)議處理器（即1553B總線收發(fā)數(shù)據(jù)）同時對內(nèi)部4K×16位RAM進(jìn)行讀寫操作，就會造成競爭訪問，在競爭訪問發(fā)生時如果外部主處理器CPU寫入與讀出周期控制不當(dāng)，就會造成數(shù)據(jù)的丟失。為有效保證競爭訪問發(fā)生時數(shù)據(jù)可正確地寫入與讀出，可通過合理控制外部主處理器CPU寫入與讀出周期實現(xiàn)。在競爭訪問發(fā)生時（即READYD高電平期間）避開數(shù)據(jù)的寫入與讀出，即可有效避免數(shù)據(jù)的寫入與讀出失敗。本文對16位緩沖零等待模式下競爭訪問時間進(jìn)行了實測，當(dāng)STRBD低電平寬度為500 ns時，實測READYD高電平寬度最大值為3.12 s，則讀寫周期控制在3.12 s+0.125 s（2個CLK周期）=3.245 s以上即可保證數(shù)據(jù)可靠寫入與讀出，可有效避免數(shù)據(jù)丟失。
參考文獻(xiàn)
[1] Condor Engineering Inc. MIL—STD—1553 Protocol Tutorial[S]. 2004.
[2] DDC. ACE/Mini-ACE Series BC/RT/MT Advanced Communication Engine Integrated 1553 Terminal User′s Guide[S].2008.
[3] Condor Engineering Inc. BusTools—1553—API Software Reference Manual[S]． 2004．
[4] DDC. MIL—STD—1553B Designer′s Guide[S]．USA．1998.
[5] DDC. BU-65170/61580 and BU-61585 datasheet[S].1999.
[6] Data Device Corporation. Rebirth of the 1553 data bus[C]. 2006：3-4.
[7] GLASS M. Enhanced mini-ACE architecture offloads host processor for BC applications[Z]. Application Note AN/B-32，2006：1-6.
[8] LOS G. Asynchronous asynchronous message insertion for DDC′s enhanced mini-ACE series[Z]. Application Note AN/B-42，2006：1-7.
[9] Wu Kan， Jiang Jingfei. Research and design of 1553B fault-tolerant communication protocol[J]. Energy Procedia，2011，16（1）：2-3.
[10] 黃長春，徐抒巖.基于DSP的1553B總線系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2010（8）：4-7.