《電子技術(shù)應(yīng)用》
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AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
張榮華1，2，劉紅紅3，王 瑤3，張亞琦3
1.中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安710068； 2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安710068
摘要： AFDX端系統(tǒng)核心芯片及技術(shù)是實(shí)現(xiàn)AFDX網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，廣泛應(yīng)用在航空領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信和控制系統(tǒng)中。在深入解讀、分析AFDX網(wǎng)絡(luò)總線協(xié)議及通信機(jī)理上，提出了一種端系統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)說(shuō)明了端系統(tǒng)芯片的架構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該型AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)SoC芯片滿足航空系統(tǒng)小型化、低功耗的設(shè)計(jì)要求，芯片內(nèi)部集成ARM922T處理器、AFDX網(wǎng)絡(luò)終端協(xié)議處理單元、雙余度10/100M AFDX MAC端口以及基于DMA的高性能數(shù)據(jù)傳輸PCI總線，在片上實(shí)現(xiàn)UDP/IP協(xié)議棧，是一款為大型客機(jī)機(jī)載設(shè)備提供高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的終端系統(tǒng)SoC芯片。
中圖分類號(hào)： V243.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.003
中文引用格式： 張榮華，劉紅紅，王瑤，等. AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(4)：11-14.
英文引用格式： Zhang Ronghua，Liu Honghong，Wang Yao，et al. Research and design of AFDX network end-system chip[J].Application of Electronic Technique，2016，42(4)：11-14.
Research and design of AFDX network end-system chip
Zhang Ronghua1，2，Liu Honghong3，Wang Yao3，Zhang Yaqi3
1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China； 2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China； 3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China
Abstract： Avionics Full Duplex Switched Ethernet(AFDX) end system core chip and technology are the key and foundation of realizing AFDX network communication. It is widely used in aviation field of network communication and control system. Based on the deeply analysis AFDX network bus protocol and communication mechanism, this paper provides a solution of AFDX End-system chip, and elaborates the End-system architecture, working principle and technical advantages. The AFDX network End-system SoC chip meets the design reguirements of miniaturization and low power consumption of the aviation system. The chip contains ARM922T processor, AFDX protocol processing terminal, double redundancy 10/100M AFDX MAC port and high-performance data transmission PCI bus based on DMA，and realizes the UDP/IP protocol stack on chip. The End-system SoC chip provides high-speed Internet for large aircraft airborne equipment terminal system.
Key words : AFDX；end system；SoC；protocol processing；chip design

0 引言

    AFDX網(wǎng)絡(luò)采用全雙工、雙余度、虛鏈路、帶寬固定分配、完整性檢查和余度管理等措施，使之滿足航空電子系統(tǒng)通信對(duì)高帶寬、確定性、實(shí)時(shí)性和高可靠的通信服務(wù)要求[1，2]。

    AFDX端系統(tǒng)作為AFDX網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分，廣泛應(yīng)用于引擎、飛行控制、導(dǎo)航以及其他對(duì)操作平臺(tái)至關(guān)重要的系統(tǒng)中[3]。

    本文在深入理解AFDX協(xié)議，掌握關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的通信設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款協(xié)議處理SoC芯片，該芯片是一款完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片，實(shí)現(xiàn)了ARINC664協(xié)議所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，是從標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議理解、系統(tǒng)定義到芯片設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、封裝、測(cè)試等完全自主研制的系統(tǒng)級(jí)芯片。

1 芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 芯片功能

    AFDX端系統(tǒng)芯片實(shí)現(xiàn)了AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)的鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層（IP協(xié)議）、傳輸層（UDP協(xié)議）以及三類通信端口（采樣、隊(duì)列、SAP）的全部功能，采用32位PCI總線與主機(jī)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立可配置的10 M/100 M MAC與AFDX網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)雙余度網(wǎng)絡(luò)控制。主要功能：(1)內(nèi)嵌低功耗ARM922T處理器，工作頻率200 MHz；(2)具有完整的AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧功能；(3)發(fā)送支持128個(gè)VL(含4個(gè)Sub-VL)，發(fā)送BAG支持2K(K=-1，0，1，…，7)；(4)接收支持4 096個(gè)VL，技術(shù)延遲不大于150 μs；(5)支持完整性檢查和余度管理；(6)通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)快速發(fā)送調(diào)度和虛擬鏈路過(guò)濾；(7)具有64位高分辨率時(shí)間同步；(8)支持采樣、列隊(duì)和服務(wù)訪問(wèn)端口配置；(9)支持多種MIB統(tǒng)計(jì)(CRC、非字節(jié)對(duì)齊、超短幀、超長(zhǎng)幀、VLID錯(cuò)、常數(shù)域錯(cuò)等)；(10)內(nèi)核電壓1.8 V，I/O電壓3.3 V。

1.2 芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)

    AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)采用SoC片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，提出一種專用數(shù)據(jù)通道結(jié)構(gòu)、控制流與數(shù)據(jù)流分開(kāi)的設(shè)計(jì)，在以太網(wǎng)接口與PCI總線接口之間構(gòu)建專用、快速的協(xié)議處理通道，數(shù)據(jù)收發(fā)不通過(guò)片上總線，處理器只是通過(guò)片上總線控制數(shù)據(jù)的解析和收發(fā)，專用數(shù)據(jù)通道內(nèi)部設(shè)置多個(gè)控制器和命令鏈表隊(duì)列，在不需要片上處理器和主機(jī)過(guò)多干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)收發(fā)和狀態(tài)更新。AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片架構(gòu)見(jiàn)圖1[4]。

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1.2.1 硬件設(shè)計(jì)

    AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片的硬件設(shè)計(jì)主要包括AFDX協(xié)議處理單元、處理器、存儲(chǔ)器、外圍接口控制、PCI主機(jī)接口等。

    AFDX協(xié)議處理單元是AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)的核心，也被稱為中央處理單元（CCU），負(fù)責(zé)完成PCI接口與兩個(gè)獨(dú)立的MAC接口之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。CCU結(jié)合片上處理器以及AFDX協(xié)議堆棧嵌入式軟件，對(duì)從MAC端口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢查和余度管理，完成數(shù)據(jù)與包頭的分離、數(shù)據(jù)部分校驗(yàn)和的計(jì)算，為片上處理器進(jìn)行協(xié)議棧處理提供必要信息。CCU發(fā)送部分能支持128路VL同時(shí)工作，接收部分支持4 096個(gè)VL，采用位圖寄存器實(shí)現(xiàn)了各路VL對(duì)片內(nèi)存儲(chǔ)器的共用。CCU內(nèi)部原理框圖如圖2所示。

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    芯片采用ARM922T處理器作為其核心處理器，端系統(tǒng)芯片集成的微處理器及在處理器上運(yùn)行的協(xié)議棧軟件提高了芯片的智能化程度，不再需要主機(jī)干預(yù)，自動(dòng)完成下層協(xié)議的打包或解包，大大減少主機(jī)處理器的負(fù)擔(dān)，提高消息的處理速度[5]。

    存儲(chǔ)器采用SDRAM控制器和外部虛線（External Bus Interface，EBI）接口進(jìn)行控制，EBI提供了一個(gè)靈活的外部存儲(chǔ)器接口，用來(lái)確保外部設(shè)備和嵌入式存儲(chǔ)器控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

    外圍接口控制包括片上總線、中斷控制器、DMA控制器、MAC介質(zhì)訪問(wèn)控制器、PHY配置管理器、定時(shí)控制器、看門狗、通用輸入輸出接口、UART接口、調(diào)試接口等。

    PCI接口主要實(shí)現(xiàn)了AFDX終端系統(tǒng)與PCI總線的連接，與PCI總線上的主機(jī)內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，PCI接口包含3個(gè)不同類型的通道：DMA類型的主通道、寄存器類型的從通道0和FIFO類型的從通道1。

1.2.2 軟件設(shè)計(jì)

    為滿足以端系統(tǒng)芯片為核心構(gòu)建的AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)應(yīng)用需求，基于ARINC664通信協(xié)議，對(duì)芯片各模塊的功能與性能設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，配套規(guī)劃的軟件包括驗(yàn)證軟件和功能軟件。

    驗(yàn)證軟件依據(jù)驗(yàn)證規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括芯片驗(yàn)證過(guò)程中的虛擬原型驗(yàn)證、FPGA原型驗(yàn)證及樣片驗(yàn)證，功能覆蓋芯片設(shè)計(jì)的每一個(gè)功能、性能點(diǎn)，有效保障了芯片設(shè)計(jì)的正確性。功能軟件為芯片系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)為用戶提供的軟件，內(nèi)容涉及底層傳輸軟件、主機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

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    底層傳輸軟件：主要實(shí)現(xiàn)了片上邏輯初始化、配置表加載與查詢、中斷處理、調(diào)試與錯(cuò)誤信息處理、UDP/IP協(xié)議解析功能和采樣、隊(duì)列和SAP端口的數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。

    主機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件：提供上層應(yīng)用軟件和底層傳輸軟件的數(shù)據(jù)通信通路，包括寄存器的讀寫訪問(wèn)、通信端口的創(chuàng)建與管理、主機(jī)與AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)外部存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)搬運(yùn)等功能。

1.3 工作原理

    端系統(tǒng)芯片協(xié)議處理由下向上包括：物理鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層(IP協(xié)議)、傳輸層(UDP協(xié)議)。在物理鏈路層，發(fā)送端通過(guò)虛擬鏈路(Virtual Link)和帶寬分配間隙(Bandwidth Allocation Gap)進(jìn)行交通整形，接收端通過(guò)完整性檢查(IC)和冗余管理對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾和檢查；在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，采用成熟的UDP/IP協(xié)議對(duì)消息進(jìn)行處理，向上則通過(guò)采樣、隊(duì)列、SAP三類端口與應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[7]。

    AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片通過(guò)片上處理器運(yùn)行AFDX協(xié)議堆棧，從PCI接口獲取消息信息，驅(qū)動(dòng)PCI橋，直接從主機(jī)內(nèi)存提取數(shù)據(jù)并完成UDP、IP協(xié)議的封裝，AFDX端系統(tǒng)芯片上實(shí)現(xiàn)了發(fā)送調(diào)度、錯(cuò)誤注入、SN號(hào)添加和MAC數(shù)據(jù)發(fā)送。芯片集成了接收幀錯(cuò)誤檢查、網(wǎng)絡(luò)過(guò)濾、完整性檢查和余度管理等功能，當(dāng)接收到一幀有效數(shù)據(jù)，接收控制電路通過(guò)中斷通知片上微處理器進(jìn)行協(xié)議處理，包括幀的解包、分片的組裝，最終根據(jù)通信配置表將處理好的消息寫到主機(jī)內(nèi)存，通知主機(jī)CPU進(jìn)行處理。這種方式大大減少了CPU的載荷，提高主機(jī)系統(tǒng)性能，在高載荷網(wǎng)絡(luò)中尤為重要[8]。

1.4 物理實(shí)現(xiàn)

    由于完全層次化設(shè)計(jì)流程在模塊接口處優(yōu)化能力有缺陷，因此，AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片在處理器物理設(shè)計(jì)時(shí)局部采用半層次化設(shè)計(jì)流程，有利于更好地優(yōu)化模塊邊界邏輯，半層次化設(shè)計(jì)流程仍然采用自動(dòng)布局布線工具，通過(guò)人工布局、時(shí)鐘樹(shù)生成和時(shí)序調(diào)整來(lái)主導(dǎo)芯片版圖設(shè)計(jì)。對(duì)于復(fù)雜模塊，首先進(jìn)行模塊級(jí)布局和邏輯綜合，在完成post-place及post-clock步驟之后集成到頂層，頂層仍然進(jìn)行flatten時(shí)序優(yōu)化及布線優(yōu)化。端系統(tǒng)芯片版圖如圖4所示，該版圖設(shè)計(jì)已申請(qǐng)并獲得國(guó)家布圖保護(hù)專利授權(quán)。

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    AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片采用CBGA480封裝形式，設(shè)計(jì)規(guī)模為670萬(wàn)門，達(dá)到0.18 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)，芯片管芯總共有482個(gè)引腳，引線最高工作頻率為100 MHz。

2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

    從國(guó)外公司提供的AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)產(chǎn)品來(lái)看，國(guó)外公司基本采用FPGA芯片加嵌入式處理器芯片的解決方案，這種實(shí)現(xiàn)方式需要占用大量系統(tǒng)資源，處理效率較低，設(shè)計(jì)復(fù)雜，功耗較大。

    AFDX端系統(tǒng)芯片采用片上處理器，通過(guò)PCI總線控制器直接與主機(jī)存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，大大降低了主機(jī)的系統(tǒng)開(kāi)銷，縮短了協(xié)議處理的時(shí)間和數(shù)據(jù)拷貝。與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，具有功耗低、面積小、延遲小、功能全等特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：(1)功耗小于1 W；(2)尺寸僅為37.5 mm×37.5 mm；(3)發(fā)送技術(shù)延時(shí)參數(shù)平均69 μs，接收技術(shù)延遲參數(shù)平均4 μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ARINC664標(biāo)準(zhǔn)150 μs的設(shè)計(jì)要求；(4)支持10/100 M的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率；(5)符合ARINC664協(xié)議規(guī)范。

    基于該芯片研制的PMC卡與國(guó)外同類產(chǎn)品相比具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)器件數(shù)目減少到1/2；(2)可靠性提高1/4；(3)重量減輕到1/2；(4)器件功耗為1/3。

3 芯片驗(yàn)證

    AFDX網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)芯片已經(jīng)過(guò)ATE測(cè)試、功能性能測(cè)試、協(xié)議符合性測(cè)試、系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證和定型評(píng)測(cè)，實(shí)測(cè)流量達(dá)到了100 Mb/s全載荷發(fā)送，滿足ARINC664 Part7協(xié)議要求。具體測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試結(jié)果如表1所示。

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4 總結(jié)

    AFDX端系統(tǒng)芯片是一款完全符合ARINC664協(xié)議、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的協(xié)議處理芯片，該芯片設(shè)計(jì)新穎，功耗低，面積小，功能性能穩(wěn)定可靠，滿足AFDX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用要求。該芯片已進(jìn)行了ATE、功能性能、協(xié)議符合性、系統(tǒng)應(yīng)用等充分驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，該芯片符合ARINC664協(xié)議要求，功能、性能滿足AFDX網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、確定性的系統(tǒng)要求。該芯片協(xié)議處理軟件已經(jīng)過(guò)GJB5000測(cè)試，芯片技術(shù)成熟，已成功定型，對(duì)后續(xù)基于該芯片的模塊設(shè)計(jì)及應(yīng)用解決方案具有重要的參考價(jià)值。

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