ARINC659總線技術(shù)綜述*

許宏杰，劉宇峰，夏　杰，劉　浩

(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.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)

ARINC659總線技術(shù)綜述*

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.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)

ARINC659總線是一個基于時間表驅(qū)動的總線型多節(jié)點串行通信總線，具有傳輸時間確定性、高容錯性和高可靠性等特點，能夠滿足航空武器裝備對新型底板總線在技術(shù)上的需求。首先闡述了ARINC659總線的背景，并對ARINC659總線的拓撲結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成、工作原理及技術(shù)特點進行了詳細分析，進一步說明了 ARINC659總線的應(yīng)用，為后續(xù)ARINC659總線深入研究與應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。

ARINC659總線；可靠性；容錯性

0　引言

總線是指為實現(xiàn)信息交換，在計算機系統(tǒng)中連接各不同功能部件之間的數(shù)據(jù)通路。常見的計算機領(lǐng)域的總線主要有PCI、CPCI和VME等，而工業(yè)測控領(lǐng)域一般都是建立在通用總線的基礎(chǔ)上進行擴展形成的，如PCI總線、VME總線進行擴展后可分別形成 PXI總線和 VXI總線。

在新一代的綜合化航空電子系統(tǒng)(Integrated Modular Avionics，IMA)中，系統(tǒng)對在線可更換模塊(Line Replaceable Modules，LRM)間的數(shù)據(jù)通信提出了高可靠、高容錯、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——ARINC659底板數(shù)據(jù)總線(簡稱ARINC659總線)。

ARINC659總線滿足了高可靠性的技術(shù)需求，同時具有雙-雙余度配置的容錯特點，其工作機制采用了命令表驅(qū)動比例訪問(Table Driven Proportional Access，TDPA)的機制，總線操作按預(yù)先設(shè)定的命令進行，在時間分區(qū)和空間分區(qū)上支持魯棒性，為構(gòu)建機架式IMA提供關(guān)鍵技術(shù)。

ARINC659背板總線所具有的技術(shù)優(yōu)勢使其在波音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架LRM之間數(shù)據(jù)傳輸提供標準底板總線。

1　ARINC659總線介紹

圖1ARINC659底板總線架構(gòu)

LRM模塊一般由宿主機和總線接口單元兩部分組成，按照其結(jié)構(gòu)劃分可分為宿主機電路和底板總線接口單元電路兩種，且可將這兩種電路同時集成到同一塊電路板上組成LRM模塊；也可采用單獨的ARINC659總線接口子卡與宿主機子卡互聯(lián)共同組成LRM模塊。

1.2系統(tǒng)工作原理

ARINC659總線的工作機制是由命令表驅(qū)動的比例訪問(TDPA)的通信機制。命令表如表1所示。各LRM模塊上的宿主機通過對其BIU內(nèi)部進行訪問，由主機接口對BIU模塊進行控制，BIU操作命令以命令表的形式通過編譯軟件編制好。在LRM模塊執(zhí)行相應(yīng)的命令之前需將接收數(shù)據(jù)的存儲空間分配好。將編制好的命令表加載到LRM模塊中，當系統(tǒng)上電后，各LRM模塊的BIU開始進行命令表讀取，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)容格式進行總線數(shù)據(jù)的傳輸和同步脈沖。按照命令表格式，BIU進行數(shù)據(jù)收發(fā)命令時，可將存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送到ARINC659總線上，或?qū)⒖偩€上收到的數(shù)據(jù)通過主機接口發(fā)送給宿主機；當其進行同步脈沖的收發(fā)命令時，通過發(fā)送或接收總線上的同步脈沖實現(xiàn)各模塊間同步狀態(tài)的切換和保持。

表1　命令表

1.1拓撲結(jié)構(gòu)

ARINC659總線拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。航空電子系統(tǒng)中，各LRM模塊之間通過ARINC659底板總線進行數(shù)據(jù)通信。每個LRM模塊包含2個總線接口單元 BIU(BIUx、BIUy)，且每個 BIU有 A、B兩個總線對，每個總線對包含“x”和“y”兩條總線，即 Ax、Ay、Bx、By 4條總線。每條總線有單獨的1條時鐘線和2條數(shù)據(jù)線，且在各時鐘周期內(nèi)能傳輸2個數(shù)據(jù)位。BIUx、BIUy分別發(fā)送各自總線上的數(shù)據(jù)，每個BIU都能接收4條總線上的數(shù)據(jù)。每條總線都有各自的收發(fā)器。ARINC659總線數(shù)據(jù)通過交叉校驗進行其錯誤檢測和容錯，檢測規(guī)則按 照Ax=Ay，Bx=By，Ax=By及Bx=Ay進行。數(shù)據(jù)檢驗由4個總線對進行交叉檢驗，故相對其傳統(tǒng)的雙余度總線，ARINC659總線的容錯性更好，且復(fù)雜性也小于傳統(tǒng)的4余度總線。

在ARINC659總線系統(tǒng)中，同步是實現(xiàn)TDPA協(xié)議的前提和關(guān)鍵。為實現(xiàn)ARINC659總線上各BIU的同步，同步方式包含長同步和短同步兩種同步方式，其中“長同步”用于失去同步的BIU再次與總線同步，“短同步”用于讓同步狀態(tài)的BIU將其時鐘振蕩器的漂移進行修正、使總線上所有 BIU間達到緊同步狀態(tài)；“長同步”按其功能可劃分為“初始化同步”和“進入同步”，其中初始化同步是在系統(tǒng)上電時或因“故障”使整個總線失步時進行總線的初始化；進入同步可使非同步的LRM模塊同步到當前幀。

ARINC659總線數(shù)據(jù)傳輸包括基本消息和主/后備消息兩種類型的消息。

(1)基本消息的點對點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流圖如圖2所示，基本消息用于各模塊間 (點到點)的通信或單模塊到多模塊的通信，且在窗口剛開始時，基本消息就傳輸數(shù)據(jù)。

(2)基本消息的廣播傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流圖如圖3所示。

圖2　點對點的傳輸

圖3　廣播傳輸

(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/后備消息用于多個備用模塊(不能超過4個)到單個或多模塊的通信，主/后備消息由簡單的仲裁機制進行數(shù)據(jù)傳輸，且只有當主LRM以及其他高優(yōu)先級的后備LRM在命令表預(yù)先規(guī)定的時間期內(nèi)保持不發(fā)送數(shù)據(jù)時，后備的LRM模塊才開始向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，且在一個消息窗口，ARINC659總線只允許一個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。

圖4　主后備消息的正常發(fā)送

1.3技術(shù)特點及優(yōu)點

ARINC659總線是一種多路串行通信總線，用于機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)校驗采用交叉檢驗的糾錯機制，按照預(yù)訂的表命令(總線操作調(diào)度表)執(zhí)行，具有兩個獨立的BIU控制模塊、4條總線分別編碼方式。ARINC659總線在總線傳輸時間和存儲空間上具有堅固性劃分的特性，是一個高容錯、高完整性的底板總線，且容錯能力較強的、可信度較高的串行總線，滿足系統(tǒng)對于底板總線高可靠性、高故障容忍度、高容錯的技術(shù)要求。

圖5　主后備消息的異常發(fā)送

ARINC659總線具有一下特點及優(yōu)點：

(1)高可靠性：由于總線的冗余機制——4條總線進行相同的數(shù)據(jù)傳輸，使ARINC659總線具有高可靠性，其數(shù)據(jù)傳輸按照不同的編碼規(guī)則進行編碼后傳輸，編碼規(guī)則如表2所示，通過LRM模塊的主-后備方式來提高系統(tǒng)的可靠性。同時，在ARINC659協(xié)議中，通過一系列隔離機制也在物理層增加了系統(tǒng)的可靠性。

表2　總線數(shù)據(jù)編碼規(guī)則

其中LRM冗余是LRM模塊按照預(yù)先設(shè)置好的優(yōu)先等級由最高優(yōu)先級的模塊向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級較低的模塊則保持沉默，只有當主LRM及優(yōu)先級高于自身的LRM保持沉默時才向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。

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

(3)數(shù)據(jù)傳輸確定性：傳統(tǒng)底板總線系統(tǒng)中，傳輸數(shù)據(jù)前要先申請總線后再進行數(shù)據(jù)，無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，ARINC659總線通過 TDPA通信機制，TDPA協(xié)議中規(guī)定，要先定義總線命令表格式，預(yù)先設(shè)定好總線的傳輸窗口將總線時間劃分為固定長度的一系列窗口，這樣可使總線活動的確定性得到保障，主機只需在固定的時間窗口組織好發(fā)送，同時主機只需在固定的時間窗口按照規(guī)則發(fā)送數(shù)據(jù)，在固定的時間點查詢數(shù)據(jù)更新標志就可完成數(shù)據(jù)的接收；

(4)中/高數(shù)據(jù)吞吐量：時鐘采用30 MHz，最大數(shù)據(jù)傳輸速率接近60 Mb/s；

(5)具有嚴格的故障隔離及糾錯能力，LRM模塊按照命令向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)和從總線上接收數(shù)據(jù)，在此期間按照數(shù)據(jù)校驗規(guī)則進行故障檢測，LRM模塊對4條總線上接收的數(shù)據(jù)進行比較和糾錯，且對不可糾錯的數(shù)據(jù)，要根據(jù)相應(yīng)消息描述中的規(guī)則來處理；

(6)具有高效的總線利用率：按照 TDPA協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸時ARINC659底板總線可避免將傳統(tǒng)串行總線上的起始、結(jié)束、錯誤校驗等字符進行傳輸，減少了該類因非數(shù)據(jù)信息字符傳輸而占用的總線帶寬，同時也消除了傳輸?shù)牡刂峰e誤的可能，相比ARINC659底板總線可傳輸更多的有效數(shù)據(jù)，且具有更高的總線利用率。

2　總線的應(yīng)用

ARINC659底板總線的技術(shù)優(yōu)勢使其能在波音 777飛機的飛管系統(tǒng)(Airplane Information ManagementSystem，AIMS)、波音 717等飛機的航空電子設(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架LRM之間數(shù)據(jù)傳輸提供了標準底板總線。

ARINC659底板總線系統(tǒng)是由LRM模塊跟宿主機組成的節(jié)點機和總線底板組成。備用模塊、I/O模塊及圖形處理模塊和處理器模塊等LRM同時連接在底板總線上，構(gòu)成具有高可靠性、高故障隔離和糾錯能力、高容錯能力的航空電子綜合化系統(tǒng)，由于總線具有高可靠性和高容錯性，因此是構(gòu)建機架式IMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，主要用于IMA機架內(nèi)部各模塊之間進行數(shù)據(jù)通信，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。ARINC659總線在系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖6所示。

圖6　ARINC659總線在系統(tǒng)中的應(yīng)用

3　結(jié)束語

ARINC659總線以其傳輸?shù)母呖煽啃?、使用簡單靈活的特點，被廣泛應(yīng)用在航空航天等領(lǐng)域。本文在ARINC659總線背景的基礎(chǔ)上，通過分析ARINC659總線的拓撲結(jié)構(gòu)、工作原理以及特點，對ARINC659總線進行了研究，對后續(xù) ARINC659總線協(xié)議研究、芯片研制、應(yīng)用解決方案以及ARINC659總線的系統(tǒng)設(shè)計具有重要的參考價值。

[1]張喜民，魏婷．ARINC659背板數(shù)據(jù)總線應(yīng)用研究[J]．航空計算技術(shù)，2011，41(5)：241－246．

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[3]徐文輝.ARINC659總線簡介[J].航空電子技術(shù)，1999，30 (2)：22-27.

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[9]張喜民，魏婷．ARINC659容錯數(shù)據(jù)總線測試驗證系統(tǒng)研制[J]．西安電子科技大學(xué)學(xué)報，2011，38（6）：140-145．

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)

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.

ARINC659 bus；integrity；fault tolerance

TN913

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.037

航空科學(xué)基金（2015ZC51036）；中國航空工業(yè)集團公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)

（2016-07-19）

許宏杰（1981-），男，高級工程師，主要研究方向：集成電路設(shè)計。

劉宇峰（1976-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：飛控設(shè)計。

夏杰（1985-），男，碩士，工程師，主要研究方向：嵌入式硬件設(shè)計與開發(fā)。

劉浩（1985-），男，碩士，工程師，主要研究方向：集成電路設(shè)計與驗證。

中文引用格式：許宏杰，劉宇峰，夏杰，等.ARINC659總線技術(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.