一種SpaceWire節(jié)點(diǎn)控制器實(shí)現(xiàn)方法全面介紹

0 引言

隨著空間探測(cè)領(lǐng)域的逐漸擴(kuò)大，航天器上的載荷設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信需求也相應(yīng)的越來(lái)越高。同時(shí)星載電子設(shè)備產(chǎn)生和待處理的數(shù)據(jù)總量迅猛增長(zhǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)總線處理能力提出更高的要求。數(shù)據(jù)總線的速度、可靠性和靈活性直接影響航天器的整體性能。歐洲航天局（European Space Agency，ESA）為滿足航空航天應(yīng)用提出了一種專(zhuān)門(mén)用于空間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行總線標(biāo)準(zhǔn)SpaceWire［1］。它具有數(shù)據(jù)率高，便于擴(kuò)展，方便重復(fù)利用的特點(diǎn)，有利于航天器、衛(wèi)星快速整合總裝，這為航天器和衛(wèi)星載荷的設(shè)計(jì)帶來(lái)極大方便，應(yīng)用前景廣闊。

本文研究該標(biāo)準(zhǔn)下節(jié)點(diǎn)控制器IP［2］的實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)FPGA進(jìn)行原型驗(yàn)證，最后在專(zhuān)用集成芯片龍芯1E300中實(shí)現(xiàn)了該節(jié)點(diǎn)控制器，實(shí)際測(cè)試信號(hào)傳輸率可達(dá)200 Mb/s~260 Mb/s。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

SpaceWire是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)全雙工串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，節(jié)點(diǎn)控制器在協(xié)議中主要負(fù)責(zé)解決數(shù)據(jù)包點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的SpaceWire IP核使用FIFO作為用戶數(shù)據(jù)接口，并將數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩存包括在內(nèi)。系統(tǒng)主要功能包括節(jié)點(diǎn)配置、鏈路狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)收發(fā)功能，總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)時(shí)鐘域劃分

本設(shè)計(jì)必須使用到不同的時(shí)鐘，系統(tǒng)時(shí)鐘域的劃分［3］是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。如圖2所示，clk_sys是本設(shè)計(jì)中的頻率最高的時(shí)鐘域，同步系統(tǒng)控制器，并為系統(tǒng)提供定時(shí)功能。clk_main是來(lái)自上位機(jī)的時(shí)鐘，同步發(fā)送緩存的寫(xiě)入和接收緩存的讀取操作。clk_tx指的是發(fā)送時(shí)鐘域，是同步發(fā)送端對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的相關(guān)操作。clk_rx指的是恢復(fù)時(shí)鐘域，是由鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)所得到的時(shí)鐘，用來(lái)同步接收端對(duì)恢復(fù)數(shù)據(jù)的相關(guān)操作。根據(jù)SpaceWire協(xié)議，接收端在接收到首位數(shù)據(jù)以前還沒(méi)有產(chǎn)生恢復(fù)時(shí)鐘，而鏈路斷開(kāi)檢測(cè)在首位數(shù)據(jù)接收時(shí)就已經(jīng)開(kāi)始，這里采用系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行鏈路斷開(kāi)檢測(cè)。

2 系統(tǒng)原理實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)

SpaceWire進(jìn)行數(shù)據(jù)通信前要求兩端的節(jié)點(diǎn)先通過(guò)NULL字符和FCT字符交換完成鏈路建立過(guò)程，鏈路在運(yùn)行過(guò)程中可能由于鏈路主動(dòng)或被動(dòng)斷開(kāi)、數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤等原因?qū)е骆溌窢顟B(tài)變化。鏈路運(yùn)行的狀態(tài)機(jī)如圖3所示，圖中實(shí)線表示鏈路初始化的過(guò)程，鏈路正確初始化后處于Run狀態(tài)。在應(yīng)用中，鏈路兩端節(jié)點(diǎn)都可以被配置為主動(dòng)或者被動(dòng)模式［4］，有如下條件：

Link_Enabled=（Not［Link_Disabled］）And

（［LinkStart］ Or （［AutoStart］ And gotNull））

2.2 發(fā)送端

鏈路在初始化過(guò)程中，可能發(fā)送NULL字符和FCT字符，鏈路從初始化到運(yùn)行的各個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換中，需要不間斷發(fā)送字符。SpaceWire協(xié)議規(guī)定的鏈路初始化速率為10 Mb/s，而運(yùn)行速率可以是2 Mb/s~400 Mb/s，故要求發(fā)送時(shí)鐘速率可切換，發(fā)送端發(fā)送的比特流在數(shù)據(jù)發(fā)送頻率變化的時(shí)候保持不間斷，一種可用的時(shí)鐘切換［5］電路圖如圖4所示。

DFF_2和DFF_4保證clk_a和clk_b時(shí)鐘選擇輸出的變化都只發(fā)生在下降沿處，同時(shí)可以使得輸出變化為某一時(shí)鐘時(shí)，另一時(shí)鐘的輸出已經(jīng)關(guān)閉，該方法可避免時(shí)鐘切換時(shí)候產(chǎn)生毛刺。DFF_1和DFF_3分別加到and_1和and_3后面，防止sel、DFF_2輸出和DFF_4輸出的信號(hào)同時(shí)變化可能造成的DFF_2和DFF_4輸出的亞穩(wěn)態(tài)。

2.3 接收端

SpaceWire鏈路層采用DS編碼方案，選通信號(hào)伴隨著串行數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送，接收端簡(jiǎn)單地通過(guò)異或數(shù)據(jù)和選通信號(hào)可以提取出時(shí)鐘信號(hào)。該方法將接收偏差（skew）裕量從傳統(tǒng)的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)方式的0.5比特時(shí)間提高到接近1比特時(shí)間，具有更好的抖動(dòng)（jitter）容差。但由于接收數(shù)據(jù)的時(shí)鐘是由接收的DS編碼信號(hào)異或得到的，造成接收器的數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)不同步，恢復(fù)困難。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)，一種方法是基于Xilinx FPGA，選擇采用可編程絕對(duì)延遲單元iodelay實(shí)現(xiàn)對(duì)DS異或后的信號(hào)執(zhí)行指定的延遲，可以正確地恢復(fù)出時(shí)鐘，根據(jù)圖5分析DS信號(hào)的特點(diǎn)［6］后，得到一種更通用的方法：

DS編碼如式（1）和式（2）定義：

發(fā)送端的邏輯公式為：

式中D為數(shù)據(jù)信號(hào)，S為選通信號(hào)，CLK為數(shù)據(jù)時(shí)鐘。根據(jù)DS信號(hào)變化的特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)DS信號(hào)的每次轉(zhuǎn)換有且只變換其中的1位信號(hào)，通過(guò)2次變換后則DS數(shù)據(jù)都將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，右圖能夠更清楚說(shuō)明這一現(xiàn)象。

從圖5可知，當(dāng)且僅當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為上升沿時(shí)，data和strobe信號(hào)發(fā)生從同相至反相的跳變，如圖5右半部分中右象限；同理，當(dāng)且僅當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為下降沿時(shí)，data和strobe信號(hào)發(fā)生從反相至同相的跳變，如圖5右半部分中左象限。根據(jù)上述分析結(jié)論設(shè)計(jì)的DS數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)電路［7］如圖6所示。

圖6中電路由異或門(mén)、鎖存器、觸發(fā)器構(gòu)成，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為上升沿時(shí)，同相狀態(tài)的data數(shù)據(jù)將保持不變，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為下降沿時(shí)，反相狀態(tài)的data數(shù)據(jù)將保持不變，從而保證了后級(jí)觸發(fā)器時(shí)鐘跳變時(shí)，觸發(fā)器數(shù)據(jù)信號(hào)的建立時(shí)間。觸發(fā)器輸出的2位數(shù)據(jù)即是同步接收的數(shù)據(jù)信號(hào)，輸出至后級(jí)接收模塊進(jìn)行處理。

2.4 數(shù)據(jù)緩存

根據(jù)SpaceWire字符層定義，協(xié)議鏈路可能傳送5種字符和2種控制碼，其格式如圖7所示。

由于最長(zhǎng)的時(shí)間控制碼字符包含14比特位，本設(shè)計(jì)中發(fā)送方采用2組7比特位數(shù)據(jù)緩存完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，采用DDR數(shù)據(jù)傳輸方式在時(shí)鐘的上升沿和下降沿分別發(fā)送其中的一組緩存數(shù)據(jù)，如圖8所示。在上次數(shù)據(jù)發(fā)送完成前的第二個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)算校驗(yàn)位，前一個(gè)時(shí)鐘周期向該發(fā)送緩存填充待發(fā)送字符后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。接收方采用5對(duì)移位寄存器組，首先判定接收字符的起始位置，在進(jìn)行奇偶校驗(yàn)的同時(shí)，判別接收的字符類(lèi)型，并保存至接收FIFO中。

圖7和圖8中標(biāo)識(shí)為“p”或下標(biāo)為“p”的比特位表示該位為字符的校驗(yàn)位，標(biāo)識(shí)為“c”或下標(biāo)為“c”的比特位表示該位為字符的控制位，箭頭表示字符中比特位在鏈路上傳輸?shù)南群箜樞颉?/p>

2.5 流量控制機(jī)制

為避免因主機(jī)接收緩存溢出而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，鏈路的一端（B端）向另一端（A端）發(fā)送FCT表示B端已經(jīng)準(zhǔn)備好，可以再接收一定量的數(shù)據(jù)。

2.5.1 信譽(yù)量計(jì)數(shù)值

發(fā)送端要維護(hù)一個(gè)授權(quán)它可發(fā)送的N-Char數(shù)量的信譽(yù)計(jì)數(shù)值（Credit Count），具體如下。

ErrorReset狀態(tài)下，信譽(yù)計(jì)數(shù)值為零，鏈路接口每接收到一個(gè)FCT，信譽(yù)量計(jì)數(shù)值就加8［8］，每發(fā)送一個(gè)N-Char，信譽(yù)計(jì)數(shù)值就減1。信譽(yù)計(jì)數(shù)值為零時(shí)將停止發(fā)送N-Char，但可繼續(xù)發(fā)送L-Char，直到它再次接收到FCT使信譽(yù)計(jì)數(shù)增長(zhǎng)到8。

信譽(yù)量計(jì)數(shù)最大值根據(jù)接收緩存的大小設(shè)置（1個(gè)FCT對(duì)應(yīng)接收緩存中8個(gè)N-Char的存儲(chǔ)空間），不超過(guò)56（即7個(gè)FCT）。當(dāng)信譽(yù)計(jì)數(shù)值達(dá)到或已經(jīng)接近其最大值（即距最大值小于8）時(shí)又接收到一個(gè)FCT，那么信譽(yù)計(jì)數(shù)值不會(huì)再增長(zhǎng)，同時(shí)會(huì)通過(guò)標(biāo)志報(bào)信譽(yù)額度錯(cuò)誤。

2.5.2 未償付計(jì)數(shù)值

鏈路接口要維護(hù)一個(gè)它預(yù)期接收但未償付的N-Char數(shù)量的計(jì)數(shù)值（Outstanding Count），即它通過(guò)發(fā)送FCT請(qǐng)求要發(fā)送的數(shù)量，具體如下。

復(fù)位時(shí)，初始未償付計(jì)數(shù)值為0，鏈路出錯(cuò)時(shí)，未償付計(jì)數(shù)值被保存并在下次重啟時(shí)加載為初始值，每發(fā)送完一個(gè)FCT，未償付計(jì)數(shù)值就加8，每接收到一個(gè)N-Char，未償付計(jì)數(shù)值就減1。未償付計(jì)數(shù)值最大為56（即7個(gè)FCT）。除非未償付計(jì)數(shù)器有余量多計(jì)8個(gè)未償付N-Char，同時(shí)接收緩存有容納這8個(gè)N-Char的空間，否則發(fā)送器不能發(fā)送FCT。

3 測(cè)試與驗(yàn)證

本系統(tǒng)FPGA選用Xilinx公司的Virtex 4系列 xc4vsx55作為主控芯片，使用Verilog語(yǔ)言編程［9］進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，在FPGA上同時(shí)例化兩個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器，通過(guò)讀寫(xiě)配置寄存器控制SpaceWire節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)。從仿真結(jié)果可見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)控制器實(shí)現(xiàn)了協(xié)議規(guī)定的鏈路初始化和數(shù)據(jù)傳輸功能，控制字符和數(shù)據(jù)在鏈路上的傳輸正確。

在專(zhuān)用集成芯片龍芯1E300中實(shí)現(xiàn)了該控制器，搭建測(cè)試環(huán)境，采用StarDundee公司的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備SpaceWire鏈路分析儀，與節(jié)點(diǎn)控制器芯片相互傳輸數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的同步性和準(zhǔn)確性。鏈路分析儀測(cè)試結(jié)果如圖9所示，表明ASIC設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)控制器信號(hào)傳輸速率可達(dá)200 Mb/s，數(shù)據(jù)傳輸正常，滿足協(xié)議規(guī)定的功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

SpaceWire作為航天領(lǐng)域新興的高速總線標(biāo)準(zhǔn)之一，具有數(shù)據(jù)率高、接口簡(jiǎn)單、擴(kuò)展方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文提出的一種SpaceWire節(jié)點(diǎn)控制器實(shí)現(xiàn)方法解決了設(shè)計(jì)中多時(shí)鐘域劃分、數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)、時(shí)鐘切換和流量控制方面的難點(diǎn)。該設(shè)計(jì)方法經(jīng)FPGA仿真驗(yàn)證正確，在專(zhuān)用集成芯片中成功實(shí)現(xiàn)，該節(jié)點(diǎn)控制器的研發(fā)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。

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