《硅谷》：实时AFDX网络选择模块的实现技术研究 |
| 2012-08-16 14:42 作者：田 园 来源：硅谷网 HV： 编辑：GuiGu 【搜索试试】
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硅谷网8月16日消息 《硅谷》杂志2012年第13期刊文称，航空全双工交换式以太网是由空客公司首先提出的新一代航空电子通信网络，并已经成功应用在A380等机型上[1][2]。随着航电通信网络变得越来越复杂，其连接的设备也越来越多。针对多个设备连接一套交换机的需求，提出一种基于FPGA的实时AFDX网络选择模块技术方案，对模块设计的硬件设计、系统组成及关键设计进行详细的介绍，且为功能扩展提供设计思路。研究结果表明该模块满足多个设备连接一台交换机的需求，符合AFDX协议。
随着航空电子技术的飞速发展，对航空通信网络的数据总线通信速率、处理能力、可靠性等提出了更高的要求。传统的ARINC429、1553B总线，因点对点或共享总线通信方式，具有可靠性高的优点，但通信网络传输速率只有100Kb/s和1Mb/s，已经远远不能满足通讯速率的要求。航空全双工交换式以太网（AvionicsFullDuplexSwitchedEthernet，AFDX）由商业以太网发展而来，遵循IEEE802.3和ARINC664Part7通信协议标准[2]，具有技术成熟、高传输速率、高可靠性性、可扩充性等特点，采用了虚拟链路技术和冗余管理，提高了数据传输的可靠性和确定性[3]。
AFDX网络由AFDX端系统和AFDX交换机组成。随着AFDX网络的复杂化，端系统与交换机不断增多，网络负载不断增大，严重影响AFDX的确定性。AFDX网络具有双冗余的特性，航电系统中设备存在多个端系统设备与AFDX网络进行数据交互的需求。
1网络选择设计
在航电系统中，当需要实现多个设备连接一套交换机时，就需要对网络数据传输方向进行选择。假设有设备N个、交换机两个和网络选择模块，其连接方式如图1。交换机1提供设备与网络A的连接，交换机2提供设备与网络B的连接。每个设备相当一个AFDX网络端系统，具有A、B两个网口。N个设备各自的A、B网口与两个交换机提供的A、B网形成多个并行的数据传输通道。网络选择模块提供N个设备与两个交换机A、B网数据的交换选择。
图1网络选择连接方式
本文提出一种利用控制指令对两个设备进行选择上网方法，可以对交换机或上层设备的数据依据离散量的情况进行实时的转发，不影响数据帧之间的Bag，jitter等AFDX网络的确定性因素。
经过对需求分析，网络选择模块需要完成以下功能：
1）对控制指令或离散量信号进行解析，判断哪个设备或端系统与A、B网相通；
2）网络选择模块分别接收交换机1及交换机2发送来的数据，通过离散量控制转发给相应的端系统。反之亦然，接收设备或端系统A、B通道的数据，将A通道的数据转发至交换机1，将B通道的数据转发至交换机2；
3）当控制指令或离散量信号发生改变时，网络选择模块需完成对链路的重新选择。确保不对当前模块正在相互传输的数据产生影响；
4）所转发的帧需满足AFDX网络协议的的数据完整性完整性及确定性，对转发时所产生的延迟需进行控制，不对原有数据帧的完整性、bag、jitter等产生影响。
2硬件设计
设计采用一片大规模FPGA实现网络选择功能的实现。实现中功能分为外部控制指令接收端口、发送控制模块、接收控制模块、用以完成六个MAC的初始化配置的网络配置模块以及对应于四个网口和两个交换机的共计六个MAC。只需要一片FPGA和六个PHY芯片就可完成模块所需功能，硬件设计框图如图2。
2.1缓冲区设计
设计中发送控制模块和接收控制模块需要设置缓冲区存放从MAC核接收到的数据。
设计中共需要采用6个缓冲区，可以考虑使用外部存储器或FPGA内存。使用外部存储器优点是容易扩展、节省内部FPGA资源和访问速度很快，但缺点是会造成频繁访问外存，一次外部存储器访问至少需要三个访问周期，造成时间浪费，必然对数据包的bag和jitter产生影响，不能达到实时的目的。
图2硬件设计框图
AFDX帧长度为64字节至1518字节。缓冲区按照帧划分，即将缓冲区划分为数个区域，每个区域存放一个帧，故这个区域应该能够存放最长帧。存储器按照32bit宽设计。取大于AFDX协议最长帧1518字节的1600字节为每个区域的大小，在本设计中每个缓冲区设这10个区域。总共需要16000字节，约为1.57KB。为每个AFDX网口都需要设置一个缓冲区，共6个缓冲区，约需9.375KB。现在Xilinx和Quartus的大规模FPGA芯片的内部存储容量已经达到数兆字节级别，因此这种设计是完全可以实现的。
2.2缓存策略
缓冲区存储方法为将从MAC核输入的帧内容组织成32位宽的字后存储至缓冲区，缓存至32位宽的缓冲区，然后开始启动发送控制流程。缓存策略的关键在于何时启动发送控制流程。有两种方法：第一种是将全部帧内容接收完成后，计算帧长度后依据帧长度再启动发送控制流程；第二种方法是边接收边发送，一旦开始接收即开启发送控制流程。
第一种策略的优点是可以得知帧的具体长度和全部的帧内容，因此可以将超短帧和超长帧过滤，并且当数据内容存在错误时也可将帧过滤。但此方法的缺点是如果网络上存在一连串的长帧，就会对BAG及Jitter产生极大的影响。以1518字节为例，从MAC传输来的数据为四比特宽，接收32bit需要8个时钟周期，发送32bit需要8个时钟周期。发送一个1518字节的帧需要（1518*8/4/8）*2=759个时钟周期。设计中选择的mac核时钟为25MHz，一个时钟周期为40ns。总共需要759*40=30360ns。在端系统的输出中，每个特定的虚链路（VL）的流速流量都受到规划控制，VL的流速流量与BAG（bandwidthallocationGap）、jitter（抖动）以及真的最大长度相关。BAG的设定范围是2的0~7次方，即最小为1ms。如上述计算，转发一个1518字节的帧需要0.03ms，如若有30个最长帧，必将产生0.9ms，接近1ms的延迟。累积造成的后果必将使第30帧后的帧因bag或jitter过大被过滤。
故应在延迟最小的情况下，将收到的帧发送出去。故本文设计采用的是当接收至一个32位宽的内容时即可开启发送。8*2*40=640ns，不到1us的延迟，对毫秒级别的bag和微秒级别的jitter都不会产生影响，并且没有累积效应。但该方法存在一个可以避免的缺点就是如果帧长度超过一个缓冲区大小时（即大于1600字节），如果超出的部分没有及时发送出去而被新的内容覆盖掉就会出现错误。避免的方法就是实时计算当前接收的帧长，当超出缓冲区长度后，及时更新下个帧接收的存储首地址即可。
2.3逻辑设计
从存储器选择上可以知道本设计主体为大规模FPGA。设计中将逻辑分为四个模块，分别为发送控制模块、接收控制模块、控制指令接收端口和网络配置模块。
发送控制模块接收来自交换机A和交换机B发送的数据，根据控制指令选择发送方向。接收控制模块根据控制指令选择接收端系统A或端系统B的数据，然后将A口的数据发送往交换机A，B口的数据发送往交换机B。网络配置模块用于对MAC核进行初始化的配置和逻辑内部的初始化。
控制指令采用的是外部离散量的方式，控制指令接收端口处理控制指令的接收和指令切换。处理控制指令存在两个难点：一是需要对控制信号进行同步处理及毛刺处理，否则控制信号的毛刺会使数字电路无反应或莫须有的切换，影响电路的正常工作，严重时会导致FPGA内部逻辑紊乱；二是当控制指令改变时，需完成当前帧的发送操作后再切换发送方向，否则链路上会出现不完整的帧，导致错误。
FPGA设计中对于外部输入信号，使用前必须经过同步化及消除毛刺。最简单的同步化操作使用的是边沿检测的思维方式，用系统的最快时钟将控制信号锁存两拍即可[4]。本文使用状态机对同步后的控制指令进行处理，使得状态机的触发时间达到可控，可以避免竞争冒险。状态机的循环控制不仅可以使系统协调运作，并且减少毛刺对系统的影响[4]。
第二个难点本文采用的方法是当控制指令切换时，将当前切换控制指令使用0/1的方法进行保存，1代表切换，0代表不进行切换。每次新的发送流程启动时都需要查询下该状态即可。当存在切换命令，且发送控制流程也进行了切换，需要发送控制模块告知控制指令接收端口已经切换完成，将保存切换的状态位置零完成切换。整个过程类似网络中的握手机制。
3结束语
随着航电网络系统日益庞杂，网络选择模块可以实现多个设备与一台交换机的连接。本文对基于FPGA的AFDX网络切换模块设计进行了研究，并在系统实现方法方面做了详细的介绍。基于该模块的设计可以添加相应的功能实现功能扩展，为以后的开发提供了设计思路和借鉴基础。（原文载于《硅谷》杂志2012年第13期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载） |
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