IEEE 1394b協(xié)議具有傳輸帶寬高、速度快和傳輸距離長等技術(shù)特點(diǎn)，廣泛用于傳輸多媒體數(shù)據(jù)^[1]。但I(xiàn)EEE 1394b協(xié)議是基于商用、工業(yè)級(jí)1394總線設(shè)備制定的，未對(duì)介質(zhì)特性、包格式、消息有效性及系統(tǒng)完整性等進(jìn)行約束，不能滿足機(jī)載領(lǐng)域中對(duì)總線高實(shí)時(shí)性和高可靠性的要求。本文基于IEEE 1394b協(xié)議在機(jī)載領(lǐng)域中延時(shí)高、可靠性低的不足，描述了1394總線協(xié)議的新特性，并詳細(xì)分析了總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、總線包格式和總線可靠性等關(guān)鍵協(xié)議。

1 概述

    SAE（國際機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)）為了滿足機(jī)載領(lǐng)域中對(duì)總線確定性和可靠性要求，建立并發(fā)布一套專用1394總線協(xié)議體系，即1394總線協(xié)議體系。1394總線協(xié)議體系主要由六部分組成，其中1394總線接口特性(AS5643)是核心協(xié)議，規(guī)定了總線包格式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)操作、消息完整性管理和系統(tǒng)完整性管理等要求；銅介質(zhì)接口特性(AS5643/1)規(guī)定了銅介質(zhì)發(fā)送/接收傳輸特性指標(biāo)要求；其他協(xié)議是基于1394總線接口特性、銅介質(zhì)接口特性規(guī)定了總線接口特性測(cè)試方法、介質(zhì)特性測(cè)試方法、應(yīng)用指南和常見問題解決方法，具體描述如表1所示。

2 關(guān)鍵協(xié)議分析

    本節(jié)將從總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、總線包格式及總線可靠性關(guān)鍵協(xié)議入手，分析和研究1394總線的關(guān)鍵協(xié)議。

2.1 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    1394總線協(xié)議根據(jù)IEEE-1394b協(xié)議本身提供的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并結(jié)合機(jī)載應(yīng)用特點(diǎn)推薦了3種總線構(gòu)型，分別為樹狀拓?fù)洹h(huán)形拓?fù)浜腿喽拳h(huán)形拓?fù)洹?/p>

    樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1中CC-A的Bus3所示，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其可靠性不高，單節(jié)點(diǎn)故障將會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)通信功能。環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1中CC-A的Bus1所示，節(jié)點(diǎn)間連成環(huán)形，1394總線協(xié)議提供的環(huán)檢測(cè)和環(huán)斷開功能將自動(dòng)檢測(cè)總線拓?fù)涞沫h(huán)路，若檢測(cè)到環(huán)路，則自動(dòng)禁止某兩個(gè)端口間的連接，斷開環(huán)路形成樹狀拓?fù)洹Ｈ绻我庖粋€(gè)節(jié)點(diǎn)故障，那么總線將故障節(jié)點(diǎn)自動(dòng)重構(gòu)為新樹結(jié)構(gòu)的末端，使其不影響其他節(jié)點(diǎn)間的通信，為系統(tǒng)提供第一級(jí)容錯(cuò)能力。

    1394總線三余度總線拓?fù)淙鐖D1所示，由3臺(tái)飛管計(jì)算機(jī)組成余度結(jié)構(gòu)，每臺(tái)飛管計(jì)算機(jī)有3個(gè)CC節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)作為CC連接其他遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)組成一條總線。每個(gè)CC節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)總線同步、總線控制管理，三余度飛管計(jì)算機(jī)通過交叉互聯(lián)鏈路（CCDL）連接，實(shí)現(xiàn)三余度飛管計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互功能，提供另一級(jí)容錯(cuò)^[2]。

2.2 總線包格式

    1394總線協(xié)議規(guī)定采用STOF包實(shí)現(xiàn)總線同步，并使用異步流包完成總線的通信功能。STOF包由CC節(jié)點(diǎn)按照系統(tǒng)周期進(jìn)行周期性的廣播發(fā)送，該消息通道號(hào)默認(rèn)為31通道，每個(gè)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)都能收到STOF包，并完成總線的同步功能；其中STOF包負(fù)載中還包括總線狀態(tài)字、系統(tǒng)模式字、系統(tǒng)時(shí)間、飛機(jī)時(shí)間等信息，用于控制總線狀態(tài)及傳遞指令信息。

    總線使用異步流包進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均按預(yù)先分配的總線帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。異步流包由1394頭、ASM頭、Payload數(shù)據(jù)（包含心跳、健康狀態(tài)字）、包尾和數(shù)據(jù)CRC組成，如圖2所示^[3]，其中1394頭和數(shù)據(jù)CRC為IEEE-1394協(xié)議中規(guī)定的內(nèi)容，定義異步流包采用通道號(hào)尋址，并具備包頭CRC和數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)功能。其余部分為Mil-1394總線協(xié)議為保證數(shù)據(jù)通信可靠性和確定性增加的內(nèi)容。

2.3 總線可靠性

    1394總線可靠性主要從消息完整性管理、系統(tǒng)完整性管理及電氣特性指標(biāo)要求三方面體現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)消息完整性的管理，1394協(xié)議主要在包格式定義和傳輸過程中對(duì)消息完整性進(jìn)行檢測(cè)和校驗(yàn)。系統(tǒng)完整性管理主要體現(xiàn)在遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)對(duì)控制計(jì)算機(jī)（CC）的有效性判斷，CC是1394總線最重要的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)總線同步及總線管理等功能。電氣特性指標(biāo)主要規(guī)定了發(fā)送端和接收端物理特性參數(shù)范圍，保證線纜上模擬信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.3.1 消息完整性管理

    1394總線消息完整性管理主要從異步流包格式和傳輸過程中消息有效性判斷兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：

    （1）在包格式定義方面，如圖2所示，異步流包中定義縱向奇偶校驗(yàn)（VPC）、健康狀態(tài)字、心跳和狀態(tài)字等實(shí)現(xiàn)消息完整性管理。具體描述如下所示：

    ①縱向奇偶校驗(yàn)是將包負(fù)載的每個(gè)數(shù)據(jù)字進(jìn)行按位異或，再把異或得到的值按位取反。在物理層和軟件層進(jìn)行消息傳輸時(shí)，縱向奇偶校驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)的完整性增加了一種保障；

    ②健康狀態(tài)字是異步流包負(fù)載區(qū)的第一個(gè)字，它主要以包錯(cuò)誤、子系統(tǒng)錯(cuò)誤、節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤和節(jié)點(diǎn)端口狀態(tài)來指示節(jié)點(diǎn)故障；

    ③心跳是描述接收新數(shù)據(jù)到來的一個(gè)狀態(tài)，隨著新一幀數(shù)據(jù)的到來，心跳會(huì)加1，心跳由系統(tǒng)應(yīng)用軟件更新；

    ④狀態(tài)字是STOF包負(fù)載的第一個(gè)字，表明總線上CC節(jié)點(diǎn)的故障狀態(tài)。

    （2）在傳輸過程中，規(guī)定STOF接收偏移的精度應(yīng)為STOF幀速率的1.0%或100 μs，二者中選擇較大的值，若超出精度范圍則認(rèn)為數(shù)據(jù)無效，記錄錯(cuò)誤計(jì)數(shù)，連續(xù)錯(cuò)誤達(dá)到指定計(jì)數(shù)后，向系統(tǒng)上報(bào)故障，可以通過查看錯(cuò)誤消息狀態(tài)寄存器獲取故障狀態(tài)^[4]。

2.3.2 系統(tǒng)完整性管理

    1394總線系統(tǒng)完整性管理是指RN節(jié)點(diǎn)監(jiān)控CC節(jié)點(diǎn)發(fā)送的STOF包，從而判斷CC節(jié)點(diǎn)的失效狀態(tài)，并檢驗(yàn)1394總線操作的正確性以及CC節(jié)點(diǎn)軟件運(yùn)行的正確性。為使總線操作過程中遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)能成功接收CC節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，CC節(jié)點(diǎn)應(yīng)滿足如下3個(gè)條件：

    （1）STOF包周期是有效的；

    （2）STOF包是有效的；

    （3）CC發(fā)送異步流消息是有效的。

    1394總線系統(tǒng)完整性管理主要從以上3個(gè)條件出發(fā)，對(duì)CC節(jié)點(diǎn)的有效性進(jìn)行管理，具體流程如圖3所示。

2.3.3 電氣特性指標(biāo)

    1394總線協(xié)議對(duì)總線設(shè)備終端和傳輸信號(hào)的物理特性進(jìn)行了定義。發(fā)送端主要從發(fā)送信號(hào)幅值、上升/下降時(shí)間、抖動(dòng)等參數(shù)對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行了約束；接收端從接收靈敏度、輸入阻抗、變壓器插入損耗對(duì)接收端物理特性進(jìn)行約束，同時(shí)規(guī)定了到達(dá)接收端的信號(hào)幅值，保證信號(hào)能被準(zhǔn)確接收。具體電氣特性指標(biāo)見表2、表3^[5]。

3 結(jié)論

    通過對(duì)1394總線關(guān)鍵協(xié)議深入地分析和研究，并依據(jù)本協(xié)議設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了機(jī)載產(chǎn)品。經(jīng)過大量測(cè)試及系統(tǒng)聯(lián)試、試飛試驗(yàn)等驗(yàn)證，結(jié)果表明，1394總線協(xié)議能夠滿足新一代安全關(guān)鍵/任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的確定性、可靠性和實(shí)時(shí)性的要求，并且已成功應(yīng)用于多個(gè)航空重點(diǎn)型號(hào)項(xiàng)目。對(duì)于新一代航空系統(tǒng)總線系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)具有一定的指導(dǎo)價(jià)值，為1394總線推廣到航天、兵器、船舶等其他軍工領(lǐng)域提供了技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

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[3] 王亞明，史潔琴.關(guān)于IEEE1394總線異步數(shù)據(jù)包配置的分析[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2007(9)：68-71.

[4] 趙彬，田澤，楊峰，等.基于AS5643協(xié)議的接口模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013，23(8)：100-102.

[5] 張大樸，王曉，張大力，等.IEEE1394協(xié)議及接口設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.