0 引言

    總線是指為實(shí)現(xiàn)信息交換，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中連接各不同功能部件之間的數(shù)據(jù)通路。常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的總線主要有PCI、CPCI和VME等，而工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域一般都是建立在通用總線的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展形成的，如PCI總線、VME總線進(jìn)行擴(kuò)展后可分別形成PXI總線和VXI總線。

    在新一代的綜合化航空電子系統(tǒng)(Integrated Modular Avionics，IMA)中，系統(tǒng)對(duì)在線可更換模塊(Line Replaceable Modules，LRM)間的數(shù)據(jù)通信提出了高可靠、高容錯(cuò)、故障隔離等要求，在此基礎(chǔ)上，率先由Honeywell公司提出了新型的底板數(shù)據(jù)總線——ARINC659底板數(shù)據(jù)總線(簡(jiǎn)稱(chēng)ARINC659總線)。

    ARINC659總線滿(mǎn)足了高可靠性的技術(shù)需求，同時(shí)具有雙-雙余度配置的容錯(cuò)特點(diǎn)，其工作機(jī)制采用了命令表驅(qū)動(dòng)比例訪問(wèn)(Table Driven Proportional Access，TDPA)的機(jī)制，總線操作按預(yù)先設(shè)定的命令進(jìn)行，在時(shí)間分區(qū)和空間分區(qū)上支持魯棒性，為構(gòu)建機(jī)架式IMA提供關(guān)鍵技術(shù)。

    ARINC659背板總線所具有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使其在波音777的飛管系統(tǒng)(Airplane Information ManagementSystem，AIMS)、KC-130、MD-10等眾多飛機(jī)的航空電子設(shè)備(Versatile Integrated Avionics，VIA) 和探索下一代空間的高可靠分層系統(tǒng)(Highly Reliable Layered System，HRL)中^[1]得到快速應(yīng)用，且在新一代航空航天電子系統(tǒng)中，為綜合模塊化電子機(jī)架LRM 之間數(shù)據(jù)傳輸提供標(biāo)準(zhǔn)底板總線。

1 ARINC659總線介紹

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    ARINC659總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。航空電子系統(tǒng)中，各LRM模塊之間通過(guò)ARINC659底板總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。每個(gè)LRM模塊包含2個(gè)總線接口單元BIU(BIUx、BIUy)，且每個(gè)BIU有A、B兩個(gè)總線對(duì)，每個(gè)總線對(duì)包含“x”和“y”兩條總線，即Ax、Ay、Bx、By 4條總線。每條總線有單獨(dú)的1條時(shí)鐘線和2條數(shù)據(jù)線，且在各時(shí)鐘周期內(nèi)能傳輸2個(gè)數(shù)據(jù)位。BIUx、BIUy分別發(fā)送各自總線上的數(shù)據(jù)，每個(gè)BIU都能接收4條總線上的數(shù)據(jù)。每條總線都有各自的收發(fā)器。ARINC659總線數(shù)據(jù)通過(guò)交叉校驗(yàn)進(jìn)行其錯(cuò)誤檢測(cè)和容錯(cuò)，檢測(cè)規(guī)則按照 Ax=Ay，Bx=By，Ax=By及Bx=Ay進(jìn)行。數(shù)據(jù)檢驗(yàn)由4個(gè)總線對(duì)進(jìn)行交叉檢驗(yàn)，故相對(duì)其傳統(tǒng)的雙余度總線，ARINC659總線的容錯(cuò)性更好，且復(fù)雜性也小于傳統(tǒng)的4余度總線。

    LRM模塊一般由宿主機(jī)和總線接口單元兩部分組成，按照其結(jié)構(gòu)劃分可分為宿主機(jī)電路和底板總線接口單元電路兩種，且可將這兩種電路同時(shí)集成到同一塊電路板上組成LRM模塊；也可采用單獨(dú)的ARINC659總線接口子卡與宿主機(jī)子卡互聯(lián)共同組成LRM模塊。

1.2 系統(tǒng)工作原理

    ARINC659總線的工作機(jī)制是由命令表驅(qū)動(dòng)的比例訪問(wèn)(TDPA)的通信機(jī)制。命令表如表1所示。各LRM模塊上的宿主機(jī)通過(guò)對(duì)其BIU內(nèi)部進(jìn)行訪問(wèn)，由主機(jī)接口對(duì)BIU模塊進(jìn)行控制，BIU操作命令以命令表的形式通過(guò)編譯軟件編制好。在LRM模塊執(zhí)行相應(yīng)的命令之前需將接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間分配好。將編制好的命令表加載到LRM模塊中，當(dāng)系統(tǒng)上電后，各LRM模塊的BIU開(kāi)始進(jìn)行命令表讀取，并解析需要執(zhí)行的命令，按照預(yù)先設(shè)定好的命令表內(nèi)容格式進(jìn)行總線數(shù)據(jù)的傳輸和同步脈沖。按照命令表格式，BIU進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)命令時(shí)，可將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)送到ARINC659總線上，或?qū)⒖偩€上收到的數(shù)據(jù)通過(guò)主機(jī)接口發(fā)送給宿主機(jī)；當(dāng)其進(jìn)行同步脈沖的收發(fā)命令時(shí)，通過(guò)發(fā)送或接收總線上的同步脈沖實(shí)現(xiàn)各模塊間同步狀態(tài)的切換和保持。

    在ARINC659總線系統(tǒng)中，同步是實(shí)現(xiàn)TDPA協(xié)議的前提和關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)ARINC659總線上各BIU的同步，同步方式包含長(zhǎng)同步和短同步兩種同步方式，其中“長(zhǎng)同步”用于失去同步的BIU再次與總線同步，“短同步”用于讓同步狀態(tài)的BIU將其時(shí)鐘振蕩器的漂移進(jìn)行修正、使總線上所有BIU間達(dá)到緊同步狀態(tài)；“長(zhǎng)同步”按其功能可劃分為“初始化同步”和“進(jìn)入同步”，其中初始化同步是在系統(tǒng)上電時(shí)或因“故障”使整個(gè)總線失步時(shí)進(jìn)行總線的初始化；進(jìn)入同步可使非同步的LRM模塊同步到當(dāng)前幀。

    ARINC659總線數(shù)據(jù)傳輸包括基本消息和主/后備消息兩種類(lèi)型的消息。

    (1)基本消息的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流圖如圖2所示，基本消息用于各模塊間(點(diǎn)到點(diǎn))的通信或單模塊到多模塊的通信，且在窗口剛開(kāi)始時(shí)，基本消息就傳輸數(shù)據(jù)。

    (2)基本消息的廣播傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流圖如圖3所示。

    (3)主后備消息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流有兩種：①圖4所示為主后備消息的主模塊發(fā)送-正常發(fā)送，主/后備消息用于多個(gè)備用模塊(不能超過(guò)4個(gè))到單個(gè)或多模塊的通信，主/后備消息由簡(jiǎn)單的仲裁機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且只有當(dāng)主LRM以及其他高優(yōu)先級(jí)的后備LRM在命令表預(yù)先規(guī)定的時(shí)間期內(nèi)保持不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，后備的LRM模塊才開(kāi)始向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，且在一個(gè)消息窗口，ARINC659總線只允許一個(gè)LRM模塊發(fā)送數(shù)據(jù)；②圖5所示為主后備消息的主模塊發(fā)送-異常發(fā)送。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

    ARINC659總線是一種多路串行通信總線，用于機(jī)架式綜合模塊航空電子系統(tǒng)(IMA)之間的數(shù)據(jù)傳送，且傳輸方式采用半雙工數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用交叉檢驗(yàn)的糾錯(cuò)機(jī)制，按照預(yù)訂的表命令(總線操作調(diào)度表)執(zhí)行，具有兩個(gè)獨(dú)立的BIU控制模塊、4條總線分別編碼方式。ARINC659總線在總線傳輸時(shí)間和存儲(chǔ)空間上具有堅(jiān)固性劃分的特性，是一個(gè)高容錯(cuò)、高完整性的底板總線，且容錯(cuò)能力較強(qiáng)的、可信度較高的串行總線，滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)于底板總線高可靠性、高故障容忍度、高容錯(cuò)的技術(shù)要求。

    ARINC659總線具有一下特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)：

    (1)高可靠性：由于總線的冗余機(jī)制——4條總線進(jìn)行相同的數(shù)據(jù)傳輸，使ARINC659總線具有高可靠性，其數(shù)據(jù)傳輸按照不同的編碼規(guī)則進(jìn)行編碼后傳輸，編碼規(guī)則如表2所示，通過(guò)LRM模塊的主-后備方式來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，在ARINC659協(xié)議中，通過(guò)一系列隔離機(jī)制也在物理層增加了系統(tǒng)的可靠性。

    其中LRM冗余是LRM模塊按照預(yù)先設(shè)置好的優(yōu)先等級(jí)由最高優(yōu)先級(jí)的模塊向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級(jí)較低的模塊則保持沉默，只有當(dāng)主LRM及優(yōu)先級(jí)高于自身的LRM保持沉默時(shí)才向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。

    (2)強(qiáng)容錯(cuò)能力：ARINC659總線采用4條雙－雙備份的串行總線傳輸數(shù)據(jù)，且總線很強(qiáng)的容錯(cuò)能力優(yōu)于傳統(tǒng)的雙-雙余度總線，其復(fù)雜性也小于傳統(tǒng)的四余度總線；

    (3)數(shù)據(jù)傳輸確定性：傳統(tǒng)底板總線系統(tǒng)中，傳輸數(shù)據(jù)前要先申請(qǐng)總線后再進(jìn)行數(shù)據(jù)，無(wú)法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，ARINC659總線通過(guò)TDPA通信機(jī)制，TDPA協(xié)議中規(guī)定，要先定義總線命令表格式，預(yù)先設(shè)定好總線的傳輸窗口將總線時(shí)間劃分為固定長(zhǎng)度的一系列窗口，這樣可使總線活動(dòng)的確定性得到保障，主機(jī)只需在固定的時(shí)間窗口組織好發(fā)送，同時(shí)主機(jī)只需在固定的時(shí)間窗口按照規(guī)則發(fā)送數(shù)據(jù)，在固定的時(shí)間點(diǎn)查詢(xún)數(shù)據(jù)更新標(biāo)志就可完成數(shù)據(jù)的接收；

    (4)中/高數(shù)據(jù)吞吐量：時(shí)鐘采用30 MHz，最大數(shù)據(jù)傳輸速率接近60 Mb/s；

    (5)具有嚴(yán)格的故障隔離及糾錯(cuò)能力，LRM模塊按照命令向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)和從總線上接收數(shù)據(jù)，在此期間按照數(shù)據(jù)校驗(yàn)規(guī)則進(jìn)行故障檢測(cè)，LRM模塊對(duì)4條總線上接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和糾錯(cuò)，且對(duì)不可糾錯(cuò)的數(shù)據(jù)，要根據(jù)相應(yīng)消息描述中的規(guī)則來(lái)處理；

    (6)具有高效的總線利用率：按照TDPA協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)ARINC659 底板總線可避免將傳統(tǒng)串行總線上的起始、結(jié)束、錯(cuò)誤校驗(yàn)等字符進(jìn)行傳輸，減少了該類(lèi)因非數(shù)據(jù)信息字符傳輸而占用的總線帶寬，同時(shí)也消除了傳輸?shù)牡刂峰e(cuò)誤的可能，相比ARINC659 底板總線可傳輸更多的有效數(shù)據(jù)，且具有更高的總線利用率。

2 總線的應(yīng)用

    ARINC659底板總線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)使其能在波音777飛機(jī)的飛管系統(tǒng)(Airplane Information ManagementSystem，AIMS)、波音717 等飛機(jī)的航空電子設(shè)備(Versatile Integrated Avionics，VIA)中得到廣泛應(yīng)用，為后續(xù)航空航天電子系統(tǒng)中綜合模塊化電子機(jī)架LRM之間數(shù)據(jù)傳輸提供了標(biāo)準(zhǔn)底板總線。

    ARINC659底板總線系統(tǒng)是由LRM模塊跟宿主機(jī)組成的節(jié)點(diǎn)機(jī)和總線底板組成。備用模塊、I/O模塊及圖形處理模塊和處理器模塊等LRM同時(shí)連接在底板總線上，構(gòu)成具有高可靠性、高故障隔離和糾錯(cuò)能力、高容錯(cuò)能力的航空電子綜合化系統(tǒng)，由于總線具有高可靠性和高容錯(cuò)性，因此是構(gòu)建機(jī)架式IMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，主要用于IMA機(jī)架內(nèi)部各模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。ARINC659總線在系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖6所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

    ARINC659總線以其傳輸?shù)母呖煽啃浴⑹褂煤?jiǎn)單靈活的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航空航天等領(lǐng)域。本文在ARINC659總線背景的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析ARINC659總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理以及特點(diǎn)，對(duì)ARINC659總線進(jìn)行了研究，對(duì)后續(xù)ARINC659總線協(xié)議研究、芯片研制、應(yīng)用解決方案以及ARINC659總線的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

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