《電子技術(shù)應(yīng)用》
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ARINC659總線(xiàn)技術(shù)綜述
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
許宏杰1,,2,,劉宇峰3,,夏 杰4,,劉 浩1,,2
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.北京青云航空儀表有限公司,北京100086,; 4.西安翔騰微電子科技有限公司,,陜西 西安710068
摘要: ARINC659總線(xiàn)是一個(gè)基于時(shí)間表驅(qū)動(dòng)的總線(xiàn)型多節(jié)點(diǎn)串行通信總線(xiàn),具有傳輸時(shí)間確定性,、高容錯(cuò)性和高可靠性等特點(diǎn),,能夠滿(mǎn)足航空武器裝備對(duì)新型底板總線(xiàn)在技術(shù)上的需求。首先闡述了ARINC659總線(xiàn)的背景,,并對(duì)ARINC659總線(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),、系統(tǒng)組成、工作原理及技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析,,進(jìn)一步說(shuō)明了ARINC659總線(xiàn)的應(yīng)用,,為后續(xù)ARINC659總線(xiàn)深入研究與應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。
中圖分類(lèi)號(hào): TN913
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.037
中文引用格式: 許宏杰,,劉宇峰,,夏杰,等. ARINC659總線(xiàn)技術(shù)綜述[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2016,,42(10):142-145.
英文引用格式: Xu Hongjie,,Liu Yufeng,Xia Jie,,et al. The review of ARINC659 bus technology[J].Application of Electronic Technique,,2016,42(10):142-145.
The review of ARINC659 bus technology
Xu Hongjie1,,2,,Liu Yufeng3,Xia Jie4,,Liu Hao1,,2
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.Beijing Keeven Aviation Instrument CO.LTD,Beijing 100086,,China,; 4.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.,LTD,,Xi′an 710068,,China
Abstract: ARINC659 bus is a multi-drop communication bus,which bases on the timescale drive and could be used to transfer serial data,, and the transmission time on the bus is determinate,,it also has the features of high fault tolerance and high reliability,and it could meet the technical requirements of the new-type backplane bus for the aviation weapon equipment’s. This paper introduces the background of ARINC659 backplane bus at first,,and the technical characteristics are analysed in detail about the topological construction,,the system and the principle. Finally,this paper summaries the application of ARINC659 bus,,and it lays the foundations for the research in detail and application of ARINC659 bus.
Key words : ARINC659 bus,;integrity;fault tolerance

0 引言

    總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展形成的,,如PCI總線(xiàn)、VME總線(xiàn)進(jìn)行擴(kuò)展后可分別形成PXI總線(xiàn)和VXI總線(xiàn),。

    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(xiàn)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(xiàn)——ARINC659底板數(shù)據(jù)總線(xiàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)ARINC659總線(xiàn)),。

    ARINC659總線(xiàn)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(fǎng)問(wèn)(Table Driven Proportional Access,,TDPA)的機(jī)制,總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)。

1 ARINC659總線(xiàn)介紹

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    ARINC659總線(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。每個(gè)LRM模塊包含2個(gè)總線(xiàn)接口單元BIU(BIUx,、BIUy),,且每個(gè)BIU有A、B兩個(gè)總線(xiàn)對(duì),,每個(gè)總線(xiàn)對(duì)包含“x”和“y”兩條總線(xiàn),,即Ax、Ay,、Bx,、By 4條總線(xiàn)。每條總線(xiàn)有單獨(dú)的1條時(shí)鐘線(xiàn)和2條數(shù)據(jù)線(xiàn),,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(xiàn)上的數(shù)據(jù),,每個(gè)BIU都能接收4條總線(xiàn)上的數(shù)據(jù),。每條總線(xiàn)都有各自的收發(fā)器,。ARINC659總線(xiàn)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(xiàn)對(duì)進(jìn)行交叉檢驗(yàn),,故相對(duì)其傳統(tǒng)的雙余度總線(xiàn),,ARINC659總線(xiàn)的容錯(cuò)性更好,且復(fù)雜性也小于傳統(tǒng)的4余度總線(xiàn),。

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    LRM模塊一般由宿主機(jī)和總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的工作機(jī)制是由命令表驅(qū)動(dòng)的比例訪(fǎng)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(fǎng)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(xiàn)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(xiàn)上,,或?qū)⒖偩€(xiàn)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(xiàn)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,。

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    在ARINC659總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)失步時(shí)進(jìn)行總線(xiàn)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(xiàn)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)。

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

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    (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(xiàn)上發(fā)送數(shù)據(jù),且在一個(gè)消息窗口,,ARINC659總線(xiàn)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。

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1.3 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

    ARINC659總線(xiàn)是一種多路串行通信總線(xiàn),,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(xiàn)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(xiàn)分別編碼方式,。ARINC659總線(xiàn)在總線(xiàn)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(xiàn),,且容錯(cuò)能力較強(qiáng)的、可信度較高的串行總線(xiàn),,滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)于底板總線(xiàn)高可靠性,、高故障容忍度、高容錯(cuò)的技術(shù)要求,。

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

    (1)高可靠性:由于總線(xiàn)的冗余機(jī)制——4條總線(xiàn)進(jìn)行相同的數(shù)據(jù)傳輸,,使ARINC659總線(xiàn)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。

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    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(xiàn)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(xiàn)上發(fā)送數(shù)據(jù),。

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

    (3)數(shù)據(jù)傳輸確定性:傳統(tǒng)底板總線(xiàn)系統(tǒng)中,傳輸數(shù)據(jù)前要先申請(qǐng)總線(xiàn)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(xiàn)通過(guò)TDPA通信機(jī)制,TDPA協(xié)議中規(guī)定,,要先定義總線(xiàn)命令表格式,,預(yù)先設(shè)定好總線(xiàn)的傳輸窗口將總線(xiàn)時(shí)間劃分為固定長(zhǎng)度的一系列窗口,這樣可使總線(xiàn)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(xiàn)上發(fā)送數(shù)據(jù)和從總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)利用率:按照TDPA協(xié)議,,在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)ARINC659 底板總線(xiàn)可避免將傳統(tǒng)串行總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)可傳輸更多的有效數(shù)據(jù),,且具有更高的總線(xiàn)利用率,。

2 總線(xiàn)的應(yīng)用

    ARINC659底板總線(xiàn)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(xiàn),。

    ARINC659底板總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)在系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖6所示,。

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3 結(jié)束語(yǔ)

    ARINC659總線(xiàn)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(xiàn)背景的基礎(chǔ)上,通過(guò)分析ARINC659總線(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),、工作原理以及特點(diǎn),,對(duì)ARINC659總線(xiàn)進(jìn)行了研究,對(duì)后續(xù)ARINC659總線(xiàn)協(xié)議研究,、芯片研制,、應(yīng)用解決方案以及ARINC659總線(xiàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

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