《電子技術(shù)應(yīng)用》
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1394總線三節(jié)點仿真設(shè)備設(shè)計與實現(xiàn)
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
辛永利1，2，靳偉平3，賈 釗3，陳飛茹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： 由于單純依靠機載環(huán)境進行1394總線驗證測試不僅成本高、風險大、資源有限，而且具有很大的局限性，所以急需開發(fā)相應(yīng)的地面仿真設(shè)備進行總線系統(tǒng)綜合化仿真測試。結(jié)合1394協(xié)議在領(lǐng)域的需求，研發(fā)了一種滿足1394協(xié)議的總線三節(jié)點仿真設(shè)備，該設(shè)備實現(xiàn)控制計算機(CC)、遠程節(jié)點（RN）、總線監(jiān)控（BM）、加載維護(LM)一體化設(shè)計，集節(jié)點數(shù)據(jù)收發(fā)、配置加載、故障注入、通信監(jiān)控、拓撲顯示、遠程加載等功能于一體，可用于實驗室環(huán)境下搭建完整的1394總線通信系統(tǒng)，構(gòu)建各機載子系統(tǒng)設(shè)備之間復雜的互聯(lián)情況，全面系統(tǒng)地完成總線仿真應(yīng)用測試，為領(lǐng)域的機載總線應(yīng)用提供支持與保障。
中圖分類號： TP393
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.005
中文引用格式： 辛永利，靳偉平，賈釗，等. 1394總線三節(jié)點仿真設(shè)備設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(6)：17-20.
英文引用格式： Xin Yongli，Jin Weiping，Jia Zhao，et al. Design and implementation of 1394 three-node simulation card[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：17-20.
Design and implementation of 1394 three-node simulation card
Xin Yongli1，2，Jin Weiping3，Jia Zhao3，Chen Feiru3
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： It has high cost and risk to make a military 1394 bus verifation test which is based on a airborne environment，as well as great limitations.It is deeply necessary to develop a corresponding ground simulation device for bus system of integrated simulation test.This paper combines the demand of 1394 protocol in the military field developed a military 1394 three-node simulation card.This device achieves integration design of the control computer,remote node,the bus monitoring and load maintenance,which makes data transceiver,configuration load,fault injection,communication monitoring,topology display,remote loading,and other functions into one. It can be used in the laboratory environment to build a complete military 1394 bus communication system,and build the airborne subsystem device between the complicated situation of the internet. The completion of a comprehensive system bus simulation application test provides support and guarantee in the field of military.
Key words : Mil1394；simulation device；three-node

0 引言

    在機載、防務(wù)領(lǐng)域，仿真技術(shù)已經(jīng)成為武器裝備研制與試驗中的一項核心關(guān)鍵技術(shù)，在綜合化仿真環(huán)境和仿真系統(tǒng)的研制和建設(shè)中尤為重要。1394總線三節(jié)點仿真設(shè)備源于我國新型飛機綜合化仿真環(huán)境的研制需求，產(chǎn)品從需求出發(fā)，結(jié)合多種復雜仿真應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計滿足多個機載領(lǐng)域1394總線產(chǎn)品的試驗驗證需求，全面系統(tǒng)地實現(xiàn)機載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的綜合化仿真、測試，并輔助完成系統(tǒng)聯(lián)試、試驗。

    本文從硬件設(shè)計、邏輯設(shè)計、軟件設(shè)計三方面闡述1394總線三節(jié)點仿真設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)過程，并通過搭建仿真試驗環(huán)境，完成產(chǎn)品及系統(tǒng)級綜合驗證。

1 產(chǎn)品設(shè)計

    1394總線三節(jié)點仿真設(shè)備主要應(yīng)用于地面仿真環(huán)境下，實現(xiàn)1394總線系統(tǒng)中的控制計算機、遠程節(jié)點、監(jiān)控節(jié)點以及加載維護節(jié)點的虛擬仿真功能。產(chǎn)品設(shè)計中通過軟硬件協(xié)同模式實現(xiàn)1394總線數(shù)據(jù)的收發(fā)功能[1]，其鏈路層和物理層采用商業(yè)協(xié)議處理芯片實現(xiàn)了IEEE 1394b總線鏈路層和物理層協(xié)議處理功能，傳輸層采用基于FPGA邏輯電路實現(xiàn)AS5643協(xié)議處理功能。同時每個產(chǎn)品配置3條獨立的總線接口，各總線擁有獨立的軟件及硬件接口資源，每條總線提供3個獨立的端口（Port），支持S100B、S200B、S400B 3種傳輸速率。

1.1 硬件設(shè)計

    1394總線三節(jié)點仿真設(shè)備硬件模塊設(shè)計中主要包括：FPGA電路、電源電路、復位電路、時鐘電路、1394接口電路，具體如圖1所示。FPGA電路實現(xiàn)1394總線協(xié)議處理，通過鏈路層組包/解包，再由物理層進行編解碼處理后通過接口電路發(fā)送到總線上，實現(xiàn)1394總線數(shù)據(jù)交互。

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    (1)主機接口

    PCI接口采用標準的PC卡接口金手指連接器，主機通過金手指連接器獲得電源、訪問板卡資源并與板卡進行數(shù)據(jù)交互，完成FPGA與主機的通信。PCI接口邏輯部分由FPGA實現(xiàn)，采用32 bit/33 MHz的PCI總線接口。

    (2)電源電路

    仿真設(shè)備采用PC提供的5 V直流供電，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)生FPGA+LLC+PHY所需的1.0 V電壓和3.3 V電壓。電壓轉(zhuǎn)換器選用LTC公司的LTM4616IV#PBF，該器件為兩路輸出，最大輸出電流均為8 A。

    (3)復位電路

    仿真設(shè)備支持兩種復位，分別是上電復位和總線復位。FPGA、三路鏈路層的上電復位和三路物理層的上電復位相互獨立均采用RC上電消抖復位，復位延時為10 ms；主機總線復位信號來自主機接口的復位輸出，這兩種復位信號均引入FPGA。

    (4)時鐘電路

    49.152 MHz的晶體提供給仿真設(shè)備的1394B總線協(xié)議芯片，50 MHz晶振作為FPGA的本板晶振，該時鐘在FPGA內(nèi)部作為調(diào)度時鐘，避免與1394接口時鐘混用，便于邏輯分塊實現(xiàn)。為了能夠給晶振提供更穩(wěn)定的電源，晶振電源輸入端增加磁珠隔離，并添加濾波電容，晶振的1管腳將其上拉為高電平。

    (5)1394接口電路

    仿真設(shè)備中1394信號通過矩型連接器引出，9個端口分別采用9根1394專用電纜引出，每根電纜的引線定義相同。同時1394總線信號采用變壓器耦合方式，提供Bilingual或Beta端口，端口模式可配置。1394總線信號通過矩型連接器插頭轉(zhuǎn)圓形連接器電纜引出到連接器上。

1.2 邏輯設(shè)計

    仿真設(shè)備邏輯設(shè)計如圖2所示，主要集成了主機接口和DMA模塊、配置表模塊、AS5643協(xié)議處理等模塊。

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    其中主機接口主要負責填寫FPGA內(nèi)部配置表內(nèi)容、對FPGA內(nèi)部寄存器進行讀寫操作和中斷操作，以及將鏈路層寄存器映射到主機接口的地址空間開放給主機訪問；DMA模塊負責主機主存與片外DPRAM之間的數(shù)據(jù)搬運。

    配置表模塊主要是用于存儲總線發(fā)送接收配置表，配置表信息在初始化階段由主機加載完成，在總線收發(fā)調(diào)度邏輯來時供邏輯查詢調(diào)度，完成數(shù)據(jù)的匹配功能。

    AS5643協(xié)議處理模塊實現(xiàn)了主機與鏈路層接口設(shè)備之間的通信，滿足基于IEEE-1394b的用法和需求建立的航空領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)總線標準SAE AS5643。FPGA邏輯配合軟件實現(xiàn)了AS5643總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議定義的異步流包、固定幀速率、STOF包同步、帶寬預分配、縱向奇偶校驗VPC、匿名簽署消息、通道號的靜態(tài)分配[2]、VPC與CRC錯誤注入、心跳字初始值自設(shè)定、數(shù)據(jù)收發(fā)控制、容錯檢測等功能。

    子系統(tǒng)主機通過主機總線橋接口完成板卡資源的訪問、板卡狀態(tài)控制、狀態(tài)信息讀取，同時將節(jié)點配置表內(nèi)容寫入片內(nèi)DPRAM中，完成發(fā)送、接收、通信參數(shù)的配置功能，如圖2線①所示。在數(shù)據(jù)處理方面，為了提高數(shù)據(jù)處理效率，設(shè)計中采用DMA方式完成數(shù)據(jù)搬運工作，發(fā)送數(shù)據(jù)時主機軟件將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按要求封裝完成后，啟動DMA控制器，將數(shù)據(jù)存入片外DPRAM中，在發(fā)送邏輯到來后完成數(shù)據(jù)組包及調(diào)度發(fā)送，如圖2中線②所示；接收數(shù)據(jù)時，主機軟件實時檢測接收消息狀態(tài)，在新的有效消息到來時，啟動DMA控制器將數(shù)據(jù)從片外DPRAM搬運至主機內(nèi)存，供主機軟件處理，如圖2線③所示。

1.3 軟件設(shè)計

    仿真設(shè)備軟件的作用是讓宿主機操作系統(tǒng)識別硬件設(shè)備，并且能夠完成對硬件資源的訪問，包括硬件資源初始化、硬件控制，以完成仿真設(shè)備正常通信功能。在進行軟件設(shè)計時，采用分層設(shè)計的思想，每一層軟件完成各自的功能，軟件層次之間采用簡單的接口進行交互，較低層次的軟件為高一層的軟件提供服務(wù)，如圖3所示。應(yīng)用軟件為用戶提供可視化界面，通過調(diào)用1394驅(qū)動軟件來完成數(shù)據(jù)的發(fā)送；WDM驅(qū)動軟件一方面與1394驅(qū)動軟件完成數(shù)據(jù)及命令的交互，另一方面通過主機PCI能夠直接訪問AS5643邏輯。

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1.3.1 WDM驅(qū)動軟件設(shè)計

    WDM驅(qū)動軟件主要提供了設(shè)備存儲空間的讀寫訪問、應(yīng)用層事件掛接、接收例程數(shù)據(jù)初始化、獲取數(shù)據(jù)等功能[3]，同時在數(shù)據(jù)搬運時，為了提高軟件的運行效率及健壯性，在程序的設(shè)計上盡可能地減少軟件開銷，將數(shù)據(jù)處理交由板卡邏輯進行處理，軟件只進行狀態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)整理。

1.3.2 1394驅(qū)動軟件設(shè)計

    1394驅(qū)動軟件使用Win32標準API接口來訪問設(shè)備的硬件資源，完成主機端與FPGA之間的數(shù)據(jù)交互，以函數(shù)接口的形式提供給上層應(yīng)用程序使用，使應(yīng)用層不必關(guān)心仿真設(shè)備硬件邏輯及數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的細節(jié)，只需要處理應(yīng)用層數(shù)據(jù)的組織即可，其主要包括：通用控制接口、調(diào)試控制接口、消息控制接口、總線控制接口、系統(tǒng)配置接口、系統(tǒng)控制接口，具體如圖4所示。

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1.3.3 應(yīng)用軟件設(shè)計

    仿真設(shè)備上層應(yīng)用程序按照功能劃分為配置表模塊、狀態(tài)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)捕獲模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和拓撲顯示模塊，如圖5所示。各功能模塊如下：

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    (1)Commander(拓撲顯示及控制)：通過獲取仿真設(shè)備鏈路層芯片在總線節(jié)點狀態(tài)發(fā)生變動后產(chǎn)生的自標識包信息，解析出當前總線的連接拓撲關(guān)系并進行圖形化顯示，同時可發(fā)起總線長復位、短復位、復位風暴以及進行總線端口禁止、使能等；

    (2)Monitor(狀態(tài)監(jiān)控)：對當前仿真設(shè)備的狀態(tài)信息進行實時監(jiān)控，包括指定類型、指定速率數(shù)據(jù)包個數(shù)統(tǒng)計、錯誤包個數(shù)、總線復位次數(shù)統(tǒng)計、VPC錯誤統(tǒng)計、數(shù)據(jù)包負載錯誤統(tǒng)計等；

    (3)Generator(數(shù)據(jù)發(fā)送)：構(gòu)造符合AS5643協(xié)議的數(shù)據(jù)包的各個字段，發(fā)送給目的終端，用于測試總線數(shù)據(jù)的發(fā)送功能；

    (4)Recorder(數(shù)據(jù)記錄)：將仿真設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)包進行實時顯示，并按照1394協(xié)議的標準形式進行協(xié)議解析及分析；

    (5)Recvcfg(配置表模塊)：體現(xiàn)AS5643協(xié)議帶寬預分配策略，節(jié)點的發(fā)送消息、接收消息、消息偏移等配置參數(shù)的生成及修改；

    (6)TicLoad（加載維護）：提供總線網(wǎng)絡(luò)維護及節(jié)點配置表、邏輯文件遠程管理功能。

2 驗證與測試

    通過上述1394總線三節(jié)點仿真設(shè)備搭建地面驗證測試系統(tǒng)環(huán)境，從拓撲構(gòu)建、組網(wǎng)通信、總線容錯、加載維護等方面進行產(chǎn)品功能及網(wǎng)絡(luò)仿真驗證，如圖6所示，該演示環(huán)境由1個控制計算機、9個遠程節(jié)點和1個監(jiān)控維護模塊組成基本的網(wǎng)絡(luò)拓撲，每個功能模塊均采用1394總線三節(jié)點仿真設(shè)備實現(xiàn)。

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    (1)拓撲構(gòu)建

    拓撲構(gòu)建模塊中對總線系統(tǒng)中的總線拓撲結(jié)構(gòu)顯示、節(jié)點狀態(tài)、端口速率顯示以及對各個端口進行禁止、使能、掛起等功能進行驗證測試。

    (2)組網(wǎng)通信

    組網(wǎng)通信模塊中基于總線測試系統(tǒng)，在遠程節(jié)點仿真中對其通道配置、配置加載、STOF包接收、數(shù)據(jù)偏移修改、異步流數(shù)據(jù)收發(fā)等功能進行驗證測試；控制計算機中對其配置加載、STOF包的配置發(fā)送、異步流數(shù)據(jù)收發(fā)、節(jié)點同步等功能進行驗證測試；總線監(jiān)控中對其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)異步流包、STOF包以及總線復位的數(shù)據(jù)監(jiān)控及數(shù)據(jù)過濾等功能進行測試；同時在該總線中加載完整的通信配置表進行總線模擬仿真測試。

    (3)總線容錯

    總線容錯測試中通過仿真設(shè)備進行數(shù)據(jù)錯誤故障注入以及總線競爭等異常總線通信功能測試。

    (4)加載維護

    加載維護測試中主要測試總線節(jié)點信息的管理及加載功能，測試包括：節(jié)點標識、節(jié)點網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及進行遠程節(jié)點配置表及邏輯文件加載測試。

    基于上述總線仿真測試環(huán)境，分別對總線系統(tǒng)中的遠程節(jié)點、控制計算機、監(jiān)控節(jié)點的功能及性能進行全面有效的測試，同時通過在實驗室組網(wǎng)模擬機載系統(tǒng)工作，并且接入到機載網(wǎng)絡(luò)中模擬其中的總線控制節(jié)點。經(jīng)過大量的試驗及系統(tǒng)聯(lián)試，結(jié)果表明仿真設(shè)備的功能、性能均滿足試驗驗證需求。

3 結(jié)論

    本文就1394總線三節(jié)點仿真設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)進行了研究，從硬件、邏輯及軟件等方面進行了分析。通過搭建1394總線地面仿真驗證環(huán)境，實測設(shè)備的各項功能、性能指標，完成總線系統(tǒng)綜合化仿真測試。

    經(jīng)大量試驗驗證表明，該產(chǎn)品相比于國內(nèi)外同類產(chǎn)品集成度高，通用性強，在仿真應(yīng)用中有效降低了實驗成本，提高了驗證效率，進而為在地面仿真環(huán)境下構(gòu)建1394總線系統(tǒng)提供了強有力的保障，可以推動1394總線通信技術(shù)在機載系統(tǒng)中的應(yīng)用，對于進一步研制和開發(fā)1394總線具有重要意義。

參考文獻

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