《電子技術(shù)應(yīng)用》
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ARINC659總線協(xié)議處理芯片設(shè)計與實現(xiàn)
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
田 澤1,，2,，淮治華1,，2，裴希杰1，2，范飛虎3
1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安710068,； 2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點實驗室，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： HK659芯片是實現(xiàn)ARINC659底板總線系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，被廣泛應(yīng)用在新一代機載電子系統(tǒng)中,。在深入理解,、分析ARINC659總線協(xié)議以及ARINC659總線通信處理機理的基礎(chǔ)上，提出了一種滿足ARINC659總線高可靠性,、高容錯性要求的芯片設(shè)計方案,，詳細(xì)說明了HK659芯片的架構(gòu)設(shè)計、工作原理及技術(shù)優(yōu)勢,。該芯片是一款內(nèi)部集成PCI主機接口,、ARINC659總線協(xié)議處理單元、命令表自加載接口,、時鐘復(fù)位電路以及豐富的片內(nèi)存儲器資源等的通信處理芯片,，解決了制約我國高可靠性、高容錯性底板總線應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題及瓶頸,。
關(guān)鍵詞： ARINC659總線 HK59芯片 配置總線
中圖分類號： TN913
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.041
中文引用格式： 田澤,，淮治華，裴希杰,，等. ARINC659總線協(xié)議處理芯片設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2016,，42(10)：157-160.
英文引用格式： Tian Ze，Huai Zhihua,，Pei Xijie，et al. Research and design of ARINC659 bus protocol processing chip[J].Application of Electronic Technique,，2016，42(10)：157-160.
Research and design of ARINC659 bus protocol processing chip
Tian Ze1，2，Huai Zhihua1,，2,，Pei Xijie1，2,，F(xiàn)an Feihu3
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： HK659 chip is the basis and key for ARINC659 backplane bus system,，which has been widely used in a new generation airborne electronic system. This paper puts forward the chip’s view of system design with high integrity and high fault tolerance，that bases on a fully understanding and refining the ARINC659 bus protocol and communication mechanism of the ARINC659 backplane bus,，and the chip architecture,，the principle and the technical enhances are analysed in detail. The chip is a communication processing chip which integrates the rich resources of the PCI host interface,，ARINC659 bus protocol consistency,，the interface of the command table automatically loading,，the clock reset circuit and the on-chip memory，and it owns the proprietary intellectual property rights,，that solved the key techniques and the bottleneck of the backplane bus application with high integrity and high fault tolerance.
Key words : ARINC659 bus；HK659 chip；configurable bus

0 引言

    ARINC659總線是一種在總線時間和空間上具有高容錯性和魯棒性的底板總線[1],。4條雙-雙配置的串行總線傳輸數(shù)據(jù),，具有很強的容錯能力，完全滿足新一代先進(jìn)綜合式航空電子對底板總線技術(shù)的需求,。目前已廣泛應(yīng)用在波音777 AIMS、波音737,、波音717等飛機中,，也正在新一代空間探索系統(tǒng)中積極推廣[2-3],。

    本文在深入理解ARINC659總線標(biāo)準(zhǔn),，掌握關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對ARINC659總線的通信特點設(shè)計并實現(xiàn)了一款滿足ARINC659總線高可靠性,、高容錯性要求的芯片,，該芯片是一款完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型底板總線芯片，實現(xiàn)了ARINC659總線標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo),，是從標(biāo)準(zhǔn)理解、系統(tǒng)定義到芯片設(shè)計與驗證,、封裝,、測試等完全自主研制的通信處理芯片。

1 芯片設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 芯片功能

    HK659芯片可實現(xiàn)ARINC-659-1993中規(guī)定的同步脈沖收發(fā),、數(shù)據(jù)傳輸校驗,、總線故障容錯以及總線調(diào)試等功能，是一款通用化和小型化的通信處理通信處理芯片,。主要功能如下：

    (1)PCI主機接口：

    ①支持PCIv2.2協(xié)議,，容忍5.0 V輸入,；

    ②總線頻率33 MHz,，A/D總線寬度32 bit；

    ③支持PCI標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部配置空間,；

    ④只支持PCI Target接口,；

    ⑤支持單拍和Burst操作,。

    (2)ARINC659總線協(xié)議處理單元：

    ①時鐘采用30 MHz，最大數(shù)據(jù)傳輸速率60 Mb/s,；

    ②總線訪問采用表驅(qū)動協(xié)議(Table Driven Protocol)；

    ③支持4余度實時熱備份,，具有高可靠性,；

    ④4條雙-雙配置的串行總線傳輸數(shù)據(jù)，具有很強的容錯能力,。

    (3)命令表自加載單元：

    ①支持XC18V04,、XCF32P兩種型號PROM，數(shù)據(jù)位寬8 bit,，頻率20 MHz,；

    ②宿主機不能讀寫PROM，HK659只能讀取PROM,，更改PROM時只能通過JTAG接口來修改。

    (4)豐富的片內(nèi)存儲器資源：

    ①集成64 K×32 bit的SRAM,，存儲PROM中的命令表（主機不可訪問）,；

    ②集成32 K×32 bit的DPRAM,，用作收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

    (5)供電電壓：

    ①內(nèi)核電壓：1.8 V,；

    ②I/O電壓：3.3 V,。

1.2 芯片架構(gòu)設(shè)計

    根據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)和需求規(guī)范，進(jìn)行體系架構(gòu)設(shè)計,，提出了一種滿足ARINC659總線高可靠性,、高容錯性要求的芯片體系架構(gòu)，為保證協(xié)議中定義的物理隔離（包括BIU隔離,、供電隔離、總線隔離）,，采用單BIU設(shè)計。此外,，還集成PCI主機接口,、PROM加載接口,，以及豐富的內(nèi)部存儲器資源,，采用IEEE1149.1 JTAG總線來實現(xiàn)外部命令表的燒寫功能,，其芯片架構(gòu)如圖1所示。HK659芯片集成了PCI主機接口、ARINC659總線協(xié)議處理單元,、PROM命令表自加載單元,、與主機交互數(shù)據(jù)所需的 DPRAM存儲器和映射命令表所需的 SRAM存儲器。

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1.2.1 硬件設(shè)計

    ARINC659總線協(xié)議處理芯片的硬件設(shè)計主要包括ARINC659總線協(xié)議處理單元,、PCI主機從接口,、PROM加載接口以及豐富的片上存儲器資源等。

    ARINC659總線協(xié)議處理單元主要由采樣整形模塊,、數(shù)據(jù)接收單元,、數(shù)據(jù)發(fā)送單元、收發(fā)控制單元和預(yù)譯碼單元組成,。主要實現(xiàn)了機載計算機與ARINC659總線的連接功能,。主要功能包括：命令表的讀取、譯碼功能,，初始化同步,、長同步、短同步脈沖的收發(fā)控制,，基本消息,、主/后備消息的發(fā)送和接收控制，故障注入情況下的收發(fā)數(shù)據(jù),，以及調(diào)試功能（包括單步斷點調(diào)試、時間斷點調(diào)試,、機架斷點調(diào)試）,。

    PCI主機從接口主要實現(xiàn)了HK659與PCI總線的連接。該接口只實現(xiàn)了PCI總線的從接口功能,，用于主機系統(tǒng)與HK659的數(shù)據(jù)交換,。

    HK659命令表的所有數(shù)據(jù)存放在HK659外部的PROM中，當(dāng)系統(tǒng)上電后,，HK659的命令表自加載邏輯通過PROM接口自動將外部PROM中的命令表搬到內(nèi)部SRAM中,。命令表自加載模塊自動產(chǎn)生地址從外部PROM中讀出數(shù)據(jù)，并寫入內(nèi)部SRAM中,，不需要主機干預(yù),。命令表加載完成后，HK659將開始初始化,、預(yù)譯碼命令,，并且按命令表執(zhí)行命令。

    ARINC659總線協(xié)議處理芯片豐富的片上存儲器資源主要包括集成64 K×32 bit的SRAM,，存儲PROM中的命令表,；集成32 K×32 bit的DPRAM，兩個端口獨立的異步操作等。

1.2.2 軟件設(shè)計

    為滿足以HK659芯片為核心構(gòu)建的ARINC659總線應(yīng)用需求,，基于ARINC659總線協(xié)議,，配套規(guī)劃的軟件包括HK659芯片驅(qū)動軟件和ARINC659總線配置工具軟件。

    HK659芯片驅(qū)動軟件提供上層應(yīng)用軟件訪問HK659芯片的接口,，包括HK659芯片的初始化,、DPRAM的訪問、INT命令中斷使能和清除等功能,。

    ARINC659總線配置工具軟件用于根據(jù)系統(tǒng)要求對系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點間的通信和節(jié)點各任務(wù)進(jìn)行配置和設(shè)置,、自動生成總線命令表并編譯成可固化到PROM中的目標(biāo)代碼，其編譯流程如圖2所示,。

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1.3 工作原理

    HK659芯片實現(xiàn)了ARINC659-1993中規(guī)定的總線接口,、時鐘同步、數(shù)據(jù)傳輸及調(diào)試等功能,，工作原理如下所示：

    (1)在系統(tǒng)上電之后,，PROM命令表自加載單元和PCI主機接口單元相繼復(fù)位完畢，芯片進(jìn)行命令表自加載,。在此期間,，ARINC659總線協(xié)議處理單元仍處于復(fù)位狀態(tài)；如果主機要訪問HK659的資源,，則先要讀取表加載狀態(tài)標(biāo)志寄存器的標(biāo)志位,，該標(biāo)志位為‘0’時，表明此時不能訪問HK659的寄存器和存儲資源,。

    (2)在命令表加載完畢之后,，表加載標(biāo)志寄存器中的標(biāo)志位置位，主機才可以訪問HK659的寄存器和存儲資源,。此時,，ARINC659協(xié)議處理單元復(fù)位完畢，命令預(yù)譯碼單元從映射RAM中讀取命令表參數(shù),，來初始化芯片,。

    (3)在芯片初始化完畢之后，ARINC659協(xié)議處理單元從映射RAM中讀取命令,，預(yù)譯碼之后存入命令預(yù)譯碼FIFO之中,。

    (4)在上電初始化完畢之后，ARINC659協(xié)議處理單元從命令預(yù)譯碼FIFO中讀取指令碼,，并且按照指令執(zhí)行相應(yīng)操作,。

    (5)在執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送命令時，ARINC659協(xié)議處理單元要判斷標(biāo)志位是否更新,。如果標(biāo)志位被更新,，將發(fā)送數(shù)據(jù)；否則，不發(fā)送數(shù)據(jù),。

    (6)在執(zhí)行數(shù)據(jù)接收命令時,，如果ARINC659協(xié)議處理單元沒接收到數(shù)據(jù)，則DPRAM中的數(shù)據(jù)區(qū)將不會被更新,；如果接收到數(shù)據(jù),，則更新DPRAM中的數(shù)據(jù)區(qū)。

    (7)在主/后備消息傳輸時,，主模塊沒有更新數(shù)據(jù),、處于失步狀態(tài)或者發(fā)生故障時，由后備模塊1進(jìn)行消息傳輸,；如果后備模塊1發(fā)生上述情況,，則由后備模塊2進(jìn)行消息傳輸；依次類推,。

1.4 物理實現(xiàn)

    HK659芯片采用SMIC 0.18 ?μm工藝設(shè)計,，管腳240個（包括功能管腳和電源地管腳，功能管腳106 個）,，管芯面積7.5×7.5 mm2,。在芯片版圖設(shè)計中，加強對串?dāng)_的分析和修復(fù),，噪聲容限嚴(yán)格控制在20%以內(nèi),。針對板級系統(tǒng)的噪聲問題，在芯片內(nèi)電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時采用特殊的設(shè)計方式予以部分去除,，如增加芯片內(nèi)電源地信號線間的耦合電容,，減小外部電源引入的共模噪聲的影響；對于芯片內(nèi)的動態(tài)電源噪聲,，則采用增加電源網(wǎng)絡(luò)密度,、增強供電能力和局部增加去耦電容予以補償,。對于關(guān)鍵信號,，增加去噪聲保護(hù)。該版圖設(shè)計已申請并獲得國家布圖保護(hù)專利授權(quán),。

    HK659芯片功耗實測小于0.8 W,，采用定制管殼CBGA256，外形大小為24×24 mm2,，內(nèi)部腔體10×10 mm2,，采用雙排焊盤設(shè)計，引腳數(shù)為256個,。

2 技術(shù)優(yōu)勢

    在國外,，Honeywell公司已經(jīng)在波音777 AIMS、波音737、波音717,、MD-90,、MD-10、KC-10,、E-6等飛機中成功應(yīng)用ARINC659底板總線,，目前正在新一代空間探索系統(tǒng)中積極推廣[4]。國外對我國實行技術(shù)和產(chǎn)品封鎖,，尚無商業(yè)化的協(xié)議處理芯片,。在國內(nèi)，對ARINC659總線技術(shù)應(yīng)用的研究剛剛起步,，個別單位開發(fā)了基于FPGA的解決方案[5-7],，這種實現(xiàn)方式需要占用大量系統(tǒng)資源，處理效率較低,，設(shè)計復(fù)雜,，功耗較大，無法滿足軍用尤其是航空惡劣環(huán)境下高可靠性等應(yīng)用要求,，且FPGA受制于人,，國內(nèi)沒有滿足軍用要求的協(xié)議處理芯片及總線收發(fā)器、總線配置工具等,。

    HK659芯片具有面積小,、功耗低、延遲小,、功能全等特點[8],，經(jīng)協(xié)議符合性測試驗證、整機應(yīng)用驗證和鑒定檢驗,，證明其功能,、性能滿足要求，集成度,、可靠性,、功耗優(yōu)勢明顯，可滿足航空惡劣環(huán)境下高可靠性等應(yīng)用要求,，實現(xiàn)了新型底板總線技術(shù)的自主保障和自主可控[9],。

3 芯片驗證

    本文所設(shè)計的HK659芯片已經(jīng)過虛擬原型驗證、FPGA原型驗證,、ATE測試,、協(xié)議符合性測試、系統(tǒng)應(yīng)用驗證和定型評測,，滿足ARINC659總線標(biāo)準(zhǔn)要求,。具體測試內(nèi)容及測試結(jié)果如表1所示,。

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4 總結(jié)

    本文所設(shè)計的HK659芯片是一款完全符合ARINC659協(xié)議、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的協(xié)議處理芯片,，該芯片設(shè)計新穎,，功耗低，面積小,，功能性能穩(wěn)定可靠,，滿足ARINC659總線應(yīng)用要求。該芯片已進(jìn)行了ATE,、協(xié)議符合性,、系統(tǒng)應(yīng)用等充分驗證。驗證結(jié)果表明,，該芯片符合ARINC659標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議要求,，功能、性能滿足要求,，集成度,、可靠性、功耗優(yōu)勢明顯,；有效地支持了新一代機載電子系統(tǒng)對新型底板總線技術(shù)的應(yīng)用需求[10],。

參考文獻(xiàn)

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