0 引言

    SpaceWire高速總線標準是ESA（European Space Agency）于2003年正式通過的一種總線標準。ESA基于IEEE 1355-1995和IEEE 1596.3(LVDS)兩個商用總線標準，并且根據航天應用的特點，在可靠性、功耗等方面進行了改進，實現了一種串行、高速、點對點、全雙工的專用于空間高速數據傳輸的總線標準。該標準提供了一種統一用來連接傳感器、數據處理單元、大容量存儲器的基礎架構，具有很好的EMC特性，并且在錯誤檢測、異常處理、故障保護和故障恢復及時間確定性方面也做了相應加強。使得SpaceWire能夠滿足新一代航天器電子系統對總線結構的性能要求，具有獨特優勢。

    SpaceWire由節點、鏈路和路由3部分組成，在基礎協議簇中對這3個重要單元進行了定義和功能設計，目前已有成熟的IP核、軟件支持和測試設備等研究成果，使得SpaceWire應用于多個空間任務中。SpaceWire能夠在物理層和數據鏈接層滿足空間航天器中標準化的高速率網絡交互需求，SpaceWire工作組目前致力于高層協議的研究，擬定首個SpaceWire高層協議，即RMAP(Remote Memory Access Protocol)。

    國際上擁有SpaceWire協議IP核產品的公司與科研機構主要包括STAR-dundee和ESA等，相關產品主要包括Codec和Router IP核，不同型號FPGA的實現性能則差異明顯，GRSPW2 IP核集成的Codec模塊在Xilinx基于SRAM的Virtex2系列FPGA中實現的收發數據率可達200 Mb/s，但在Actel公司的反熔絲RTAX系列FPGA實現性能僅為100 Mb/s^[1]。目前基于flash技術FPGA可實現的性能為180 Mb/s，該性能指標為ESA的Codec IP核在速度等級為-2的ProASIC3 系列FPGA中的實現結果^[2]。

    目前我國已對SpaceWire開展研究并取得一定成果。文獻[3]完成了SpaceWire鏈路接口IP核和SpaceWire與PCI總線之間的接口卡設計，SpaceWire鏈路接口工作速度可達100 Mb/s。文獻[4-5]對SpaceWire在運載火箭中的應用以及實時分布式中斷系統設計進行了研究。文獻[6]主要對SpaceWire CODEC IP核進行了設計，鏈路速度可達80 Mb/s。本文在SpaceWire節點、鏈路和路由3個重要單元的基礎上，設計了基于RMAP的SpaceWire路由工作機制。為SpaceWire總線中各節點間的功能提供了標準化工作機制。

1 SpaceWire總線整體架構設計

    SpaceWire總線網絡由節點、鏈路和路由器三種基本單元組成。SpaceWire節點是指傳輸包的流出設備或者流向設備，一般是處理器、存儲單元、傳感器或連接在SpaceWire網絡上的其它單元。SpaceWire鏈路是指傳送數據包的傳輸路徑，連接在各個節點之間，數據包通過鏈路進行傳輸通信。SpaceWire路由則實現了節點通過鏈路進行數據交換機制。本設計中基于RMAP高層協議的SpaceWire總線整體架構如圖1所示。

    圖中節點(Note)、鏈路(Link)和路由器(Router)是構成SpaceWire總線的基本單元。節點用于連接外接設備和總線，節點模塊包括RMAP外設控制模塊(Ctr_RMAP)和編解碼器模塊(CODEC)。外接設備數據接口連接到節點中RMAP外設控制模塊里的FIFO(First-In-First-Out)中，數據經過RMAP外設控制模塊處理為符合RMAP傳輸要求的數據包后，通過編解碼器進行編碼，鏈路傳輸至SpaceWire總線路由器。圖1中內部包含8個編解碼器，編解碼器接收到數據包后，通過接收模塊(Re_part)進行譯碼，然后通過RMAP路由器進行路由，送至目的地址，通過目的地址接口的編解碼器進行編碼，輸出總線路由器。編解碼器同時在節點和路由器中調用，主要包括接收模塊、發送模塊以及控制模塊。接收模塊實現接收數據包及譯碼功能，發送模塊實現發送數據包及編碼功能。控制模塊則實現了編解碼器執行收發數據包功能的狀態機。

2 SpaceWire編解碼器優化設計

    SpaceWire基礎協議定義了信號層、字符層和交換層，這幾個低層協議定義的功能由編解碼器實現。SpaceWire總線的信號層定義了SpaceWire總線中傳輸信號的電壓水平、噪聲幅度和編碼方式。指定采用低壓差分信號（LVDS）作為信令技術，這是由于LVDS是一種高速數據傳輸、省電、抑制噪聲、成本低以及可以采用較高集成度的技術，能夠滿足供電電流低、功率低的要求，有助于降低系統成本。

2.1 DS解碼電路的優化設計

    SpaceWire總線的信號編碼采用DS（Data-Strobe）編碼。DS編碼如式（1）和式（2）定義：

    根據上述公式，搭建門電路時若用簡單的組合邏輯實現異或，容易產生競爭冒險，導致接收到的數據異常。為了對該現象進行改進，探討DS信號變化的內在規律。從圖2中左圖可見，DS信號的每次轉換有且只變換其中的1位信號，通過2次變換后DS數據都將發生翻轉。

    從DS編碼規律可知，有且只有當時鐘信號為上升沿時，D和S信號發生從同相至反相的跳變；同理，有且只有當時鐘信號為下降沿時，D和S信號發生從反相至同相的跳變。根據上述分析結論設計的DS數據時鐘恢復電路如圖3所示。圖3電路是由異或門、鎖存器以及觸發器構成。當時鐘信號為上升沿時，同相狀態的data數據將保持不變，如圖3中上方電路；當時鐘信號為下降沿時，反相狀態的data數據將保持不變，如圖3中下方電路。

2.2 SpaceWire的數據字符與控制字符

    SpaceWire總線標準的字符層定義了數據字符、控制字符和控制碼、奇偶校驗以及時間碼等內容，此外為了更好地支持路由和網絡協議，還提供了Time-Code來支持在網絡層傳播系統時間。字符層定義有數據字符和控制字符。數據字符包含8位有效數據位，一位奇偶校驗位、一位為0的標志位。控制字符有4個，分別是FCT、EOP、EEP和ESC，編碼由4個位構成，包含一位奇偶校驗位，一位為1的標志位和兩位控制數據。協議中還有兩個重要的控制碼NULL和Time-Code，其中NULL是由控制字符ESC加上FCT組成的。當鏈接不傳送數據或控制字符時，SpaceWire端口通過傳送NULL字符維持鏈路連接。

3 SpaceWire路由器設計

    本設計中的8口基于RMAP的SpaceWire路由器如圖4所示，8個編解碼器用于接收和發送數據包，與上述介紹的編解碼器模塊一致。

    基于RMAP的SpaceWire路由器中核心模塊為RMAP路由控制器，路由矩陣實現了各個接口之間的鏈路搭建。RMAP路由管理器實現功能控制和工作協調，路由表用于地址索引，Time-Code管理模塊用于Time-Code碼的廣播，減少時間誤差。配置端口模塊用于實現對路由表配置等工作。SpaceWire的路由地址表用于配合邏輯地址的索引，使用路徑地址來表示目的地址時，目的地址由一系列路由器的輸出端口標識符組成，通過這一系列路由標識符來決定包在網絡中的傳播路徑，將包從發送端傳輸到目的地址。

    RMAP協議提供了一個標準化的方案，使得一個SpaceWire節點能夠對另一個SpaceWire節點進行讀寫操作、傳輸數據。協議中包含3種操作，即寫操作、讀操作以及讀改寫操作。

    寫操作包括非數據校驗非應答寫、非數據校驗應答寫、數據校驗非應答寫、數據校驗應答寫4種不同的寫操作。數據校驗類寫操作為了實現對數據的檢查校驗，需要在寫操作之前在目的節點將數據緩存。但由于存儲單元數量有限，無法滿足大量的緩存需求，因此此類寫操作應該用于相對短的數據。非數據校驗可用于數據量較長的寫操作，目的節點接到寫操作指令后立即執行寫數據的動作，無需緩存數據進行校驗。

    讀操作機制提供了一個策略給源節點，源節點根據該策略去讀取目的節點存儲區域內的一個或者多個字節的數據。讀取的數據將被封裝在一個數據包中返回到源節點。當它到達源節點時，源節點用戶將從數據包中得到所讀取的數據。

    讀改寫指令讀取一個寄存器或者存儲器的數據，返回它的值，并對寄存器寫入一個新的值，新的值被確定在指令中。RMAP讀修改寫操作的發起方能夠將網絡中其它節點指定存儲區域的數據讀出，并進行修改后重新寫入該存儲區。1次最大可實現4 B數據的讀改寫。

4 仿真與總結

    在Modelsim6.2g下，通過Xilinx Virtex-4 FPGA開發平臺上搭建仿真平臺，對SpaceWire總線進行仿真測試，波形如圖6所示。圖中顯示優化后的DS編碼波形圖，D和S信號能夠精確跳變實現DS編解碼功能。通過仿真波形可以看出，RMAP SpaceWire總線在工作時，能夠進行連續大數據量的時間碼與數據包收發，運行正常。數據發送的起始時間Tstart與接收完成時間Tend分別為40 μs和6 581 μs，可以得出傳輸速率為：

    由此可以看出，本設計基于RMAP這一先進的高層通信協議設計實現的SpaceWire總線平臺能夠完成數據包的路由通信，傳輸速率達到高速總線的使用需求。

參考文獻

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[3] Asaf Baron.Benchmarking SpaceWire Networks[C].International SpaceWire Conference，2007.

[4] Philippe Fourtier.Simulation of a SpaceWire Network[C].International SpaceWire Conference，2010.

[5] WOLFRAM K D.A new radiation-hardened satellite on board LAN based on IEEE Std 1394，AIAA 2004-5869，2004.

[6] 楊志，李國軍，李芳，等.SpaceWire星載網絡通信協議設計[J].宇航學報，2012，33(2)：200-209.

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