《電子技術(shù)應(yīng)用》
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機(jī)載大屏幕顯示器高速通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2014年第8期
張 鋒,,常晨晨,,曹 峰,,鐘海林
蘇州長(zhǎng)風(fēng)航空電子有限公司,,江蘇 蘇州215151
摘要: 傳統(tǒng)低速航空總線已無法滿足機(jī)載座艙大屏幕顯示器高速數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用需求,。針對(duì)此現(xiàn)狀,,提出了一種基于MPC8548E的高速總線通信系統(tǒng),。該系統(tǒng)以MPC8548E為核心,,采用PCIE總線,,通過PES12T3G2交換機(jī)擴(kuò)展出2個(gè)接口,連接高速航空總線模塊,,實(shí)現(xiàn)了顯示器與其他機(jī)載設(shè)備的高速數(shù)據(jù)交互,;采用RapidIO總線,通過TSI578交換機(jī)擴(kuò)展出3個(gè)端口,,將顯示器內(nèi)部模塊組網(wǎng),,實(shí)現(xiàn)了背板總線快速通信。經(jīng)驗(yàn)證,,本通信系統(tǒng)具有傳輸數(shù)據(jù)帶寬大,、傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn),完全能夠滿足機(jī)載座艙大屏幕顯示器外部和內(nèi)部數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信的應(yīng)用需求,。
中圖分類號(hào): V243.6
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)08-0010-04
Design of high speed communication system for Cockpit display
Zhang Feng,,Chang Chenchen,Cao Feng,,Zhong Hailin
Suzhou Changfeng Avionics Co.,,ltd.,Suzhou 215151,,China
Abstract: As the requirement of high speed data communication in Cockpit large-screen display system cannot be satisfied by the traditional low speed aviation bus, a kind of communication system based on MPC8548E is presented. In the system, PCIE bus is connected with the high speed aviation bus modules through two extension interfaces from PES12T3G2 switch to realize a high speed data exchange between the display and the other systems. The modules in the display are connected through RapidIO bus with three extension ports from TSI578 switch, which guarantees the high communication performance of the display backboard bus. The experiments are performed to validate the performance of the communication system. The system has a property of high bandwidth and high transmission speed, which satisfies the communication requirement of the Cockpit large-screen display system.
Key words : MPC8548E,;communication system,;PCIE bus;RapidIO bus,;switch

     顯示器是飛行員獲取飛機(jī)姿態(tài)導(dǎo)航信息,、任務(wù)信息和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的關(guān)鍵設(shè)備[1]。隨著座艙顯示控制系統(tǒng)的發(fā)展,,座艙集成化程度越來越高,,顯示器則是向緊湊型、集成型方向發(fā)展[2],,需要顯示的信息量也在不斷增大[3],,大屏幕顯示器逐漸成為機(jī)載顯示器發(fā)展的主要方向。國(guó)外研究結(jié)果表明,,大面積,、高分辨率的大屏幕顯示器圖像能顯著提升飛行員的反應(yīng)時(shí)間[4],顯示器圖像信息顯示速度對(duì)飛行員實(shí)時(shí)判斷和決策起著至關(guān)重要的作用,。制約圖像信息顯示速度的主要因素是圖形顯示系統(tǒng)處理能力以及通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理傳輸能力,。目前國(guó)內(nèi)機(jī)載顯示器圖形顯示系統(tǒng)普遍采用專用圖形處理芯片,處理能力大幅度提升,,完全能夠滿足圖形實(shí)時(shí)繪制要求,。然而通信系統(tǒng)仍采用如HB6096、Arinc429等傳統(tǒng)低速總線接口,,已成為制約信息顯示速度的關(guān)鍵因素,。一方面,大屏幕顯示器顯示內(nèi)容非常豐富,,與其他機(jī)載設(shè)備交互的數(shù)據(jù)量大幅度增加,;另一方面,大量航空總線數(shù)據(jù)需要在顯示器內(nèi)部實(shí)時(shí)傳遞,,對(duì)通信總線的帶寬和傳輸速度的要求不斷提高,。顯然,機(jī)載顯示器需要更高速的通信系統(tǒng)來滿足這些需求,。

    MPC8548E是美國(guó)飛思卡爾公司推出的第三代PowerPC處理器,,具有PCIE和RapidIO兩種高速串行總線接口[5]。其中PCIE總線接口主要用于掛接高速通信模塊,,隨著計(jì)算機(jī)和應(yīng)用系統(tǒng)接口速率的提升,,PCIE越來越明顯地體現(xiàn)出其在高速數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)越性[6]。接口支持x1,、x4,、x8等模式,通信帶寬分別可達(dá)2.5 Gb/s,、10 Gb/s,、20 Gb/s,。RapidIO總線接口主要用于背板總線的高速數(shù)據(jù)通信,在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。接口支持x1和x4模式,,通信帶寬分別可達(dá)3.125 Gb/s和12.5 Gb/s。

本文提出一種基于MPC8548E的機(jī)載顯示器通信系統(tǒng),,使用MPC8548E內(nèi)部集成的PCIE和RapidIO總線接口,,分別通過相應(yīng)的交換機(jī)進(jìn)行多端口擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)顯示器外部數(shù)據(jù)高速通信和內(nèi)部模塊間高速組網(wǎng)互聯(lián),,可以滿足大屏幕一體化顯示器高實(shí)時(shí)性通信的需求,。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    機(jī)載顯示器通信系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng),需要快速響應(yīng)外界的突發(fā)事件,,且響應(yīng)時(shí)間是確定的、可預(yù)測(cè)的[7],。所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)上核心處理器選用高性能高可靠性的MPC8548E,,操作系統(tǒng)選用高可靠性、高實(shí)時(shí)性的VxWorks6.6,。

    通信系統(tǒng)核心處理器工作主頻為1.333 GHz,,外接DDR2 SDRAM內(nèi)存為512 MB。PCIE控制器通過交換機(jī)擴(kuò)展成2路x4接口,,連接外部高速通信模塊,,作為通信系統(tǒng)的航空總線接口;RapidIO控制器通過交換機(jī)擴(kuò)展成3路x4端口,,作為連接顯示器內(nèi)部其他模塊的背板總線接口,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用1路RS232串口及1路千兆以太網(wǎng)作為軟件調(diào)試接口,采用8 MB NOR Flash存儲(chǔ)系統(tǒng)固件軟件及VxWorks操作系統(tǒng)軟件,、256 MB NAND Flash存儲(chǔ)通信應(yīng)用軟件,。NOR Flash和NAND Flash通過FPGA連接到MPC8548E。通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

 

圖1  通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

 

2 硬件擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)

2.1 PCIE總線擴(kuò)展

    MPC8548E共有8路SerDes(串聯(lián)/解串器)接口,,為PCIE控制器與RapidIO控制器復(fù)用[5]。SerDes[3:0]設(shè)計(jì)用作PCIE總線的擴(kuò)展接口,,與交換機(jī)PES12T3G2的上行端口相連,,擴(kuò)展出2路下行PCIE總線接口。PES12T3G2是美國(guó)IDT公司的一款PCIE交換機(jī)芯片,,具有1路x4上行端口和2路下行x4端口,,支持Gen2[8]。該交換機(jī)屬于透明橋類型的設(shè)備,,上行/下行端口不可更改,,上行端口固定在Port0,,兩路下行端口固定在Port2和Port4。MPC8548E兼容PCIE 1.0a協(xié)議,,默認(rèn)速率為2.5 Gb/s,;PES12T3G2兼容PCIE 2.0協(xié)議,默認(rèn)速率為5 Gb/s,。在初始配置上,,MPC8548E與PES12T3G2無法建立連接,所以PES12T3G2設(shè)計(jì)上需要使用外部EEPROM,。PES12T3G2與EEPROM通過SMBus連接,,PES12T3G2上電復(fù)位后,通過SMBus加載EEPROM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化,。如果處理器PCIE的默認(rèn)速率與PES12T3G2相同,,則PES12T3G2的初始化可以通過PCIE總線命令進(jìn)行,硬件設(shè)計(jì)上減少EEPROM的使用,。本設(shè)計(jì)的PCIE總線的擴(kuò)展接口示意如圖2所示,。

 

圖2  PCIE總線擴(kuò)展

 

 

    MPC8548E與交換機(jī)PES12T3G2的連接為x4模式,理論上通信系統(tǒng)與其他加載設(shè)備通信總速度可達(dá)10 Gb/s,,有效數(shù)據(jù)載荷接近8 Gb/s,。

2.2 RapidIO總線擴(kuò)展

    采用交換機(jī)TSI578擴(kuò)展RapidIO總線的接口,實(shí)現(xiàn)顯示器內(nèi)部單元模塊的組網(wǎng),。TSI578是美國(guó)IDT公司的第三代RapidIO交換機(jī)芯片,,共有16路RapidIO端口,可配置成x1模式或x4模式,,x1模式可配置16個(gè)RapidIO端口,,x4模式可配置8個(gè)RapidIO端口,端口速率最大支持3.125 Gb/s[9],。TSI578的各個(gè)端口的功能相同,,硬件設(shè)計(jì)配置8個(gè)x4模式的端口,其中Port0與SerDes[7:4]相連,,Port4,、Port8、Port12作為連接顯示器內(nèi)部其他單元模塊的接口,。MPC8548E兼容RapidIO1.2協(xié)議,,TSI578兼容RapidIO1.3協(xié)議,均支持1.25 Gb/s,、2.5 Gb/s,、3.125 Gb/s速率,且速率可以通過硬件管腳配置,軟件完成所有TSI578的初始化,,無需額外EEPROM支持,。本設(shè)計(jì)的RapidIO總線的擴(kuò)展接口示意如圖3所示。

 

圖3  RapidIO總線擴(kuò)展

 

配置硬件管腳,,將不使用的TSI578端口關(guān)閉,,以降低通信系統(tǒng)功耗。硬件配置MPC8548E與交換機(jī)TSI578的速率為3.125 Gb/s,,理論上通信系統(tǒng)與顯示器內(nèi)部單元模塊通信總速度可達(dá)12.5 Gb/s,,有效數(shù)據(jù)載荷接近10 Gb/s。在顯示器內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞可以滿足實(shí)時(shí)性要求的情況下,,可以降低通信速率,,進(jìn)一步降低功耗。

3 軟件設(shè)計(jì)

    通信系統(tǒng)的軟件包括固件軟件,、VxWorks操作系統(tǒng)軟件,、PCIE驅(qū)動(dòng)軟件、RapidIO驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件,。固件軟件和VxWorks操作系統(tǒng)軟件保證了通信系統(tǒng)的快速啟動(dòng)和實(shí)時(shí),、可靠的通信;PCIE驅(qū)動(dòng)軟件和RapidIO驅(qū)動(dòng)軟件提供了通信系統(tǒng)外部/內(nèi)部通信的能力,;應(yīng)用軟件與實(shí)際的應(yīng)用需求相關(guān)。本文僅討論P(yáng)CIE驅(qū)動(dòng)軟件和RapidIO驅(qū)動(dòng)軟件相關(guān)的設(shè)計(jì),。

3.1 PCIE驅(qū)動(dòng)軟件

    PCIE驅(qū)動(dòng)軟件包括兩部分:一部分是交換機(jī)PES12-T3G2的初始化,;另一部分是VxWorks PCIE總線初始化。

 

    前面提到了,,交換機(jī)PES12T3G2的初始化通過讀取EEPROM中的數(shù)據(jù)完成,,即加載相應(yīng)數(shù)據(jù)完成功能寄存器的初始化。經(jīng)過分析,,PES12T3G2的EEPROM燒片文件主要由寄存器偏移地址及相應(yīng)配置值組成,,偏移地址使用2 B,配置值使用4 B,,偏移地址后緊跟著對(duì)應(yīng)寄存器的配置值,,燒片文件的結(jié)尾包含2 B的校驗(yàn)。

    上行端口Port0的偏移基址為0x0,,寄存器空間大小0x1000,;下行端口Port2的偏移基址為0x2000,寄存器空間大小0x1000,;下行端口Port4的偏移基址為0x4000,,寄存器空間大小為0x1000。交換機(jī)控制類的寄存器位于上行端口寄存器空間中,其他寄存器上行端口與下行端口類似,。本驅(qū)動(dòng)軟件需要分別配置3個(gè)端口的寄存器PCICMD,,偏移地址0x04,值為0x0007,,打開I/O訪問使能,、內(nèi)存訪問使能、總線仲裁使能和INTx中斷使能,;配置寄存器PCIELCTL2,,偏移地址0x70,值為0x0001,,設(shè)置鏈接速率為2.5 Gb/s,。另外配置上行端口交換機(jī)控制寄存器SWCTL,偏移地址0x404,,值為0x00002008,,解除交換機(jī)的寄存器鎖定。最后加上數(shù)據(jù)校驗(yàn),,形成燒片數(shù)據(jù)文件,,燒片數(shù)據(jù)文件通過燒錄機(jī)固化到EEPROM中。

    除了交換機(jī)PES12T3G2自身的初始化之外,,VxWorks操作系統(tǒng)還需要初始化PCIE總線域,,PCIE擴(kuò)展接口才可用。分配VxWorks PCIE總線域空間,,包括了兩個(gè)下行端口總的PCIE空間,,驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)置基址0x80000000,大小為256 MB,,類型為MemIO,,通過修改BSP完成;根據(jù)VxWorks對(duì)PCIE總線的枚舉策略,,包含兩個(gè)PCIE設(shè)備的總線枚舉結(jié)果如表1所示,。

 

    由表1可以看出,VxWorks中的PCIE總線數(shù)達(dá)到4級(jí),,超過了BSP中預(yù)設(shè)的限定值3,,修改此限定值為10。

3.2 RapidIO驅(qū)動(dòng)軟件

    RapidIO驅(qū)動(dòng)軟件主要實(shí)現(xiàn)RapidIO主端網(wǎng)絡(luò)枚舉,、主從端及從端間的數(shù)據(jù)通信,,提供應(yīng)用軟件API接口。

RapidIO網(wǎng)絡(luò)枚舉采用基于端口升序的深度優(yōu)先算法,,發(fā)現(xiàn)RapidIO網(wǎng)絡(luò)中的端口個(gè)數(shù)與各端口之間的連接關(guān)系,,分配每個(gè)端口一個(gè)唯一的ID,,配置交換機(jī)TSI578的路由表。網(wǎng)絡(luò)枚舉過程中,,主端對(duì)從端或交換機(jī)的訪問通過Mantenance包完成,,以跳數(shù)來區(qū)分從端或交換機(jī)。一旦發(fā)現(xiàn)從端設(shè)備,,則鎖定從端設(shè)備,,分配ID,并更新主端與從端鏈路中的所有TSI578路由表信息,。在交換機(jī)TSI578所有端口都枚舉之后,,根據(jù)從端設(shè)備數(shù)量,配置主端/從端相應(yīng)的Outbound Window,、Inbound Window寄存器,實(shí)現(xiàn)各主從端,、各從端之間的Nwirte、Nread訪問功能,。最后配置數(shù)據(jù)通信中斷Doorbell,。RapidIO網(wǎng)路枚舉流程如圖4所示。

 

圖4  RapidIO網(wǎng)絡(luò)枚舉流程

 

需要注意的是,,作為RapidIO從端,,使用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)映射空間應(yīng)不在VxWorks操作系統(tǒng)管理的存儲(chǔ)空間之內(nèi),否則有可能引起操作系統(tǒng)異常,。

4 測(cè)試驗(yàn)證

4.1 PCIE總線擴(kuò)展驗(yàn)證

    通信系統(tǒng)PCIE總線擴(kuò)展接口連接2塊高速航空總線模塊,,分別與上位機(jī)的2塊高速航空總線模塊進(jìn)行通信和測(cè)試驗(yàn)證,如圖5所示,。

圖5  PCIE總線擴(kuò)展測(cè)試示意圖

 

2塊高速航空總線模塊為x4模式,,工作速率為10 Gb/s,在PCIE總線域中的總線號(hào)分別是2和3,,其初始化,、發(fā)送,、接收及中斷響應(yīng)功能測(cè)試正常,。分別在2塊高速航空總線模塊的發(fā)送和接收函數(shù)中添加時(shí)間測(cè)量模塊,以某型顯示器接收的典型數(shù)據(jù)塊大小為例,,分別測(cè)試PCIE總線數(shù)據(jù)寫入和讀取時(shí)間,,測(cè)試結(jié)果如表2所示。

 

 

從測(cè)試結(jié)果可以看出,,實(shí)際數(shù)據(jù)的傳輸速度與理論P(yáng)CIE總線的傳輸速度有較大的差距,,原因在于高速航空總線模塊的傳輸速率低于PCIE總線,不能完全發(fā)揮PCIE總線性能,。

4.2 RapidIO總線擴(kuò)展驗(yàn)證

    4塊通信系統(tǒng)模塊通過交換機(jī)TSI578組網(wǎng)互聯(lián),,對(duì)RapidIO總線接口進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證,如圖6所示。

圖6  RapidIO總線接口測(cè)試示意圖

 

 

通信系統(tǒng)1為RapidIO網(wǎng)絡(luò)主端,,ID為0,,其余端口為從端。主從端及各從端之間的Nwrite和Nread訪問功能測(cè)試正常,,主從端Doorbell中斷響應(yīng)正常,。在x4模式,工作速率為12.5 Gb/s,,主端映射窗口為4 MB的條件下,,以某型顯示器內(nèi)部傳遞的典型數(shù)據(jù)塊大小為例,測(cè)試主端與3個(gè)從端之間的數(shù)據(jù)訪問時(shí)間,,測(cè)試結(jié)果如表3所示,。

 

    從測(cè)試結(jié)果可以看出,Nwrite速率在350 MB/s左右,,Nread速率在200 MB/s左右,。在實(shí)際使用過程中,顯示器內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞主要使用Nwrite,,顯示器內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞效率高于顯示器外部數(shù)據(jù)接收效率,。

    本文針對(duì)機(jī)載顯示器實(shí)時(shí)通信受制于低速總線的問題,采用交換機(jī)PES12T3G2和 TSI578設(shè)計(jì)了基于MPC8548E的機(jī)載顯示器通信系統(tǒng),。通過擴(kuò)展,,顯示器外部可以連接兩路高速航空總線模塊,內(nèi)部可以將各模塊互聯(lián),,實(shí)現(xiàn)了機(jī)載顯示器的高速,、實(shí)時(shí)通信。經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn),,顯示器可以在規(guī)定周期內(nèi)完成4 MB數(shù)據(jù)塊的航空總線數(shù)據(jù)交互和顯示器內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞,。實(shí)際上,高速航空總線模塊并不能完全發(fā)揮通信系統(tǒng)的高速通信性能,,機(jī)載顯示器通信系統(tǒng)完全可以滿足當(dāng)前航電通信需求,。隨著航電系統(tǒng)技術(shù)以及大屏幕一體化顯示器的快速發(fā)展,本通信系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用空間,。

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[9] IDT.Tsi578 serial RapidIO switch user manual[Z].2010.

(收稿日期:2014-04-09)  

作者簡(jiǎn)介:

張鋒,,男,,1983年生,工程師,,主要研究方向:機(jī)載顯示器嵌入式軟件,。

常晨晨,女,,1983年生,,工程師,主要研究方向:機(jī)載顯示器控制系統(tǒng),。

曹峰,,男,1979年生,,高級(jí)工程師,,主要研究方向:機(jī)載顯示器顯示系統(tǒng)。

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