摘 要： 針對我國現(xiàn)階段星載計算機(jī)通用性較差和無法“即插即用”的問題，以及對數(shù)據(jù)傳輸速率的高要求，設(shè)計了新型即插即用星載計算機(jī)千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，重點研究了星載計算機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和千兆以太網(wǎng)的實現(xiàn)。該系統(tǒng)以國產(chǎn)BM3803為處理器，采用緊湊型外圍組件互聯(lián)cPCI總線為內(nèi)總線與系統(tǒng)各功能模塊互連，實現(xiàn)即插即用和通用化功能。千兆以太網(wǎng)平臺采用MAC+PHY方式，MAC采用FPGA內(nèi)嵌的IP核實現(xiàn)，PHY采用Marvell公司的88E1111芯片實現(xiàn)。對比國產(chǎn)星載計算機(jī)在以太網(wǎng)方面的現(xiàn)狀，分析表明，該系統(tǒng)通用性更好，數(shù)據(jù)處理性能更高，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)1 Gb/s。以FPGA方式實現(xiàn)千兆以太網(wǎng)設(shè)計，有效提高了系統(tǒng)的可靠性和集成度，能夠滿足未來較長時間國內(nèi)星載計算機(jī)系統(tǒng)在千兆以太網(wǎng)方面的實際應(yīng)用需求。
關(guān)鍵詞： BM3803處理器；Virtex-4 FPGA；星載計算機(jī)；千兆以太網(wǎng)；cPCI總線
0 引言
隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式以太網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛。千兆以太網(wǎng)作為一種高速局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸速度快、距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，將其用在星載計算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，不僅可以向系統(tǒng)提供高速數(shù)據(jù)傳輸通道，還可向其提供網(wǎng)絡(luò)化接口，實現(xiàn)與載荷網(wǎng)及遠(yuǎn)端處理平臺高速通信。
同時，通過對國外衛(wèi)星發(fā)射的大量成功案列調(diào)研可知，衛(wèi)星從組裝建造到發(fā)射的時間已從傳統(tǒng)模式的數(shù)月縮短至以小時為單位，并且隨著空間技術(shù)的提高和應(yīng)用需求的擴(kuò)展，對衛(wèi)星進(jìn)行在軌維修、硬件更換、功能升級等在軌服務(wù)的需求越來越急迫[1]。而上述星載計算機(jī)在軌服務(wù)的關(guān)鍵是實現(xiàn)設(shè)備模塊的通用化和產(chǎn)品化，而模塊化設(shè)計的核心體現(xiàn)在接口設(shè)計上[2]。我國星載計算機(jī)的各模塊接口都是進(jìn)行專門設(shè)計，導(dǎo)致適應(yīng)性差，難以持續(xù)維護(hù)。內(nèi)外接口標(biāo)準(zhǔn)不一，無法重復(fù)利用，造成開發(fā)效率低、周期長、資源浪費等問題。
針對上述兩方面的應(yīng)用需求，結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和千兆以太網(wǎng)的優(yōu)點，本文設(shè)計了一種新型即插即用星載計算機(jī)千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)以國產(chǎn)處理器BM3803作為中央處理單元（Central Processing Unit，CPU），采用CPU+FPGA的數(shù)據(jù)處理體系結(jié)構(gòu)，各設(shè)備模塊均遵循標(biāo)準(zhǔn)緊湊型外圍組件互聯(lián)（compact Peripheral Component Interconnect，cPCI）內(nèi)部總線實現(xiàn)即插即用和通用化，千兆以太網(wǎng)平臺采用媒體訪問控制器（MAC）+物理接口收發(fā)器（PHY）方式。MAC采用FPGA內(nèi)嵌的以太網(wǎng)知識產(chǎn)權(quán)（IP）核實現(xiàn)，PHY采用Marvell公司的88E1111芯片實現(xiàn)，兩者均支持吉比特介質(zhì)無關(guān)接口（GMII），部分上層協(xié)議在FPGA內(nèi)部使用硬件描述語言Verilog實現(xiàn)。
1 BM3803簡介
BM3803是基于可擴(kuò)展處理器體系結(jié)構(gòu)（Scalable Processor Architecture，SPARC）即V8體系結(jié)構(gòu)的32位精簡指令集計算機(jī)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）嵌入式處理器，可用于板上嵌入式實時計算機(jī)系統(tǒng)，能夠滿足各種航天應(yīng)用的功能以及性能指標(biāo)要求，只要加上存儲器和與應(yīng)用相關(guān)的外圍電路，就可以構(gòu)成完整的單板計算機(jī)系統(tǒng)。
BM3803處理器總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其內(nèi)部包含整數(shù)處理單元，浮點處理單元，獨立的指令和數(shù)據(jù)緩存Cache，硬件乘法器和除法器，中斷控制器，帶有跟蹤緩沖器的硬件調(diào)試單元（DSU），兩個24位定時器，通用I/O接口，看門狗；能夠支持可編程的只讀存儲器（PROM）、靜態(tài)存儲器（SRAM）、動態(tài)存儲器（SDRAM）和I/O映射空間訪問的存儲器控制器；具有軟件可以控制的省電工作模式；具有可實現(xiàn)PCI主機(jī)橋和從屬橋功能的PCI控制器；符合PCI2.3規(guī)范的33 MHz PCI接口；采用三模冗余、錯誤檢錯與糾錯（EDAC）和奇偶校驗的容錯設(shè)計[3]。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計
星載計算機(jī)作為航天器綜合電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理及控制中心，承擔(dān)著衛(wèi)星姿態(tài)與軌道控制、星務(wù)管理、有效載荷數(shù)據(jù)管理與處理等任務(wù)[4]。根據(jù)任務(wù)和功能需求，同時兼顧系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)通用化，本文將星載計算機(jī)數(shù)傳系統(tǒng)劃分為電源管理模塊、大容量存儲模塊、CPU控制模塊、千兆以太網(wǎng)模塊、模擬量采集模塊以及總線通信模塊等。根據(jù)BM3803處理器手冊和PCI規(guī)范，一級PCI總線上最多可支持7個PCI設(shè)備模塊。CPU控制模塊為PCI總線的主控模塊，其他模塊為從屬模塊，每個模塊上含有一個PCI橋芯片以支持PCI協(xié)議規(guī)范。各功能模塊在電氣和邏輯上通過標(biāo)準(zhǔn)6U cPCI底板總線實現(xiàn)互連。星載計算機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如2所示。
以下對每個模塊的功能和組成進(jìn)行說明。
?。?）CPU控制模塊
該模塊是星載計算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的核心模塊，包括BM3803處理器、SDRAM數(shù)據(jù)存儲器和外圍電路。其PCI接口配置為主機(jī)橋模式，結(jié)合軟件可以訪問和配置cPCI總線上的其余設(shè)備模塊，同時為這些設(shè)備提供總線仲裁。
?。?）大容量存儲模塊
該模塊主要對內(nèi)總線上高速數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和備份，主要由cPCI接口電路、DDR2和E2PROM緩存電路、存儲控制電路組成。
BM3803主控板提供25 MHz的有源晶振，F(xiàn)PGA上電復(fù)位及啟動配置后，F(xiàn)PGA與CPU通過cPCI內(nèi)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)和地址互連，CPU發(fā)送讀寫指令，由FPGA實現(xiàn)對指令的譯碼。根據(jù)譯出的指令，發(fā)送片選讀寫信號，實現(xiàn)對外擴(kuò)大容量存儲模塊的控制。
?。?）總線通信模塊
該模塊包括多個1553B總線芯片，以1553B總線控制器或遠(yuǎn)程終端的方式進(jìn)行通信連接?？偩€通信模塊的PCI接口配置為從機(jī)橋模式。考慮到該系統(tǒng)CPU中的PCI中斷源數(shù)量有限，當(dāng)有多個總線芯片工作時，采用分立元件對多路1553B總線中斷源進(jìn)行判別與合并，同時可分別清除每個中斷源狀態(tài)信息[5]。
?。?）模擬量采集模塊
該模塊是將采集到的模擬信號、雙電平信號和溫度信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過內(nèi)總線cPCI送至CPU主控模塊處理。主要由差分放大器、多路選擇器、電平比較器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。利用多路選擇器將多路模擬信號進(jìn)行分時選通，經(jīng)信號放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集[6]。
（5）電源管理模塊
由于系統(tǒng)自帶的開關(guān)電源（DC/DC）模塊可變換為 +5 V的二次電源，進(jìn)入到各設(shè)備模塊，會產(chǎn)生其余各檔二次電源，如3.3 V，2.5 V，1.8 V，1.2 V，1 V，以此來滿足各電路芯片要求的電源電壓。電源管理模塊就是將+5 V電源，借助三端穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換成各模塊所需的電源電壓。
?。?）千兆以太網(wǎng)模塊
根據(jù)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基本模型，實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵在于實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和物理層協(xié)議，即MAC控制器和以太網(wǎng)接口，本文采用FPGA方式實現(xiàn)。
千兆以太網(wǎng)通信接口功能，通過調(diào)用IP核在FPGA上搭建三態(tài)以太網(wǎng)MAC，在片外配置三態(tài)以太網(wǎng)物理層芯片PHY，配合對傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議棧（TCP/IP）移植以及基于用戶數(shù)據(jù)報（UDP）協(xié)議編程，實現(xiàn)以太網(wǎng)應(yīng)用。
3 千兆以太網(wǎng)設(shè)計
3.1 物理層芯片
本文中物理層PHY芯片選用Marvell公司生產(chǎn)的88E1111千兆網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)備，該芯片具有以下功能[7]：
?。?）能夠支持1000BASE-T、100BASE-TX和10BASE-T的應(yīng)用；
（2）支持MAC通信的吉比特介質(zhì)無關(guān)（GMII）、RGMII、串行GMII等接口；
（3）支持10 Mb/s，100 Mb/s，1 000 Mb/s的以太網(wǎng)傳輸；
?。?）提供IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)下的自動協(xié)商機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個網(wǎng)絡(luò)接口間對通信速度的自動協(xié)商；
?。?）提供標(biāo)準(zhǔn)的TWSI和MDC/MDIO接口，控制和查看網(wǎng)絡(luò)芯片的狀態(tài)；
?。?）采用了先進(jìn)的混合信號進(jìn)程實現(xiàn)均衡執(zhí)行、消除回聲和傳音、數(shù)據(jù)恢復(fù)和錯誤校正；
?。?）采用0.13 m CMOS工藝，支持2.5 V、1.2 V低電壓供電，最大功耗為0.75 W，且支持自動降功耗功能。
3.2 硬件設(shè)計
通過調(diào)用FPGA內(nèi)部IP核實現(xiàn)MAC功能，由88E1111芯片內(nèi)部的時鐘電路產(chǎn)生125 MHz時鐘提供給GMII接口，其與PHY連接后，轉(zhuǎn)接到RJ45物理接口實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。千兆以太網(wǎng)硬件設(shè)計框圖如圖3所示。
PHY芯片88E1111提供了GMII接口，MDIO控制PHY芯片的接口形式，MDC控制MDIO方向，GTX_CLK向88E1111提供125 MHz的外部輸入時鐘。發(fā)送端GTX_CLK是MAC的發(fā)送時鐘，供TXEN、TXER和TXD[7：0]使用。TXEN為發(fā)送使能信號，TXER為發(fā)送錯誤標(biāo)志，TXD[7：0]為發(fā)送的數(shù)據(jù)。
接收端RX_CLK是MAC的接收時鐘信號，供RXEN、RXER和RXD[7：0]使用。RXEN為接收使能信號，RXER為接收錯誤標(biāo)志，RXD[7：0]為接收的數(shù)據(jù)。
3.3 軟件設(shè)計
嵌入式以太網(wǎng)通信接口的總體軟件結(jié)構(gòu)，主要包括應(yīng)用程序、Socket API函數(shù)、TCP/IP協(xié)議棧、底層驅(qū)動、嵌入式操作系統(tǒng)、底層硬件等部分，框圖如圖4所示。
以太網(wǎng)的底層驅(qū)動程序是實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的必要前提條件，以太網(wǎng)驅(qū)動程序封裝了底層硬件的細(xì)節(jié)，使得TCP/IP協(xié)議不用直接與硬件交互，通過調(diào)用以太網(wǎng)驅(qū)動程序即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。
TCP/IP協(xié)議棧是整個軟件設(shè)計的核心，而Socket API函數(shù)是TCP/IP協(xié)議棧與應(yīng)用程序的接口，應(yīng)用程序調(diào)用這些函數(shù)即可實現(xiàn)TCP/IP功能。嵌入式操作系統(tǒng)BIOS主要負(fù)責(zé)軟件的任務(wù)調(diào)度、存儲管理等。
在一個網(wǎng)絡(luò)程序執(zhí)行之前，TCP/IP協(xié)議棧必須正確配置并初始化。網(wǎng)絡(luò)控制模塊（netctrl.lib）是協(xié)議棧的配置、初始化和事件調(diào)度的核心。幾乎所有網(wǎng)絡(luò)控制活動都發(fā)生在netctrl任務(wù)線程（也稱為“調(diào)度線程”）中。該線程通過BIOS配置工具或者通過BIOS API函數(shù)來創(chuàng)建。該線程是程序的入口，并最后演變成“調(diào)度線程”直到程序結(jié)束該線程才返回。網(wǎng)絡(luò)初始化過程所用函數(shù)及順序如圖5所示。
網(wǎng)絡(luò)配置完成之后，需要創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)任務(wù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的傳輸，本文網(wǎng)絡(luò)發(fā)送以及接收采用面向連接的套接字（Socket）編程。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理軟件主要實現(xiàn)接收和發(fā)送千兆網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)功能；對接收的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP/IP網(wǎng)絡(luò)解析，并緩存和轉(zhuǎn)發(fā)有效載荷；接收來自外圍接口數(shù)據(jù)，進(jìn)行TCP/IP網(wǎng)絡(luò)組幀，完成千兆網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理流程圖如圖6所示。
本文硬件設(shè)計中，F(xiàn)PGA芯片的MAC通過MDC/MDIO接口控制88E1111，再經(jīng)MDI[3：0]±管腳與RJ45連接器相連實現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。同時在兩者之間添加濾波電路，防止直流串?dāng)_、噪聲和靜電干擾，從而提升網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。該以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實行單路收發(fā)，全雙工通信。在單板測試時，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，物理速率理論最高可達(dá)1 Gb/s，實際有效速率可達(dá)800 Mb/s。
4 總結(jié)
本文創(chuàng)新性地結(jié)合星載計算機(jī)功能模塊間的即插即用性和千兆以太網(wǎng)兩方面的應(yīng)用需求，設(shè)計了新型即插即用星載計算機(jī)千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。其各功能模塊遵循標(biāo)準(zhǔn)cPCI內(nèi)總線，實現(xiàn)計算機(jī)硬件模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化。千兆以太網(wǎng)以MAC+PHY為核心，通過軟硬件設(shè)計完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧移植和網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)處理，最終實現(xiàn)實測有效數(shù)據(jù)傳輸速率約為800 Mb/s。利用千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將處理的高速信號從網(wǎng)口發(fā)送給遠(yuǎn)端處理計算平臺，可節(jié)省功率放大器和高頻電纜等物理設(shè)備，減少資本投入，加強系統(tǒng)的集成性和可靠性。該星載計算機(jī)系統(tǒng)接口更具通用性和可擴(kuò)展性，在未來較長時間內(nèi)都將滿足星載計算機(jī)等航天設(shè)備在千兆以太網(wǎng)方面的應(yīng)用需求。
參考文獻(xiàn)
[1] SHOEMAKER J， WRIGHT M. Orbital express space operations architecture program[C]. International Society for Optical Engineering E， Orlando： The International Commission for Optics， 2003：1-9.
[2] 楊希祥，張為華．衛(wèi)星公用艙模塊化及其即插即用技術(shù)研究[C].2008年全國博士生學(xué)術(shù)論壇．北京：國務(wù)院學(xué)位辦公室，2008.
[3] 北京微電子技術(shù)研究所．BM3803MG32位空間處理器用戶手冊，Ver2．4．2[Z].北京：北京微電子技術(shù)研究所，2010.
[4] 郭碧洲．基于軟件表決的三模冗余星載計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計[D]．上海：上海交通大學(xué)，2011.
[5] 詹盼盼，郭廷源，高建軍，等．基于BM3803處理器的即插即用星載計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計[J]．航天器工程，2013，22（6）：92-96.
[6] 李偉，劉麗紅，牟文秀，等．基于BM3803的星載計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計與實現(xiàn)[J]．航天器工程，2012，21（2）：68-72.
[7] Marvell Corporation. 88E1111 datasheet integrated 10/100/1000 ultra gigabit Ethernet transceiver[R]. US： Marvell Corporation， 2004.