基于反射內(nèi)存的多功能通訊板卡研制

易宇++周學(xué)安++曲海山++王哲

摘 要：由于虛擬仿真試驗系統(tǒng)對實時性和通用性要求高，并且虛擬仿真試驗系統(tǒng)中的虛擬模型與實裝模型之間需要通過相應(yīng)的串行接口卡進(jìn)行傳輸，因此設(shè)計了基于反射內(nèi)存的多功能通訊板卡。該通訊板卡中應(yīng)用了反射內(nèi)存技術(shù)，具有串口與反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互的功能。實驗證明，基于反射內(nèi)存技術(shù)的多功能通訊板卡的帶寬最高為30 MB/s，誤碼率低于10～15，時延為深亞微秒級，支持RS 422接口等。

關(guān)鍵詞：反射內(nèi)存；多功能通訊；RS 422；虛擬仿真

中圖分類號：TN913.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

隨著裝備性能的提高，裝備的控制周期已達(dá)到1 ms甚至百微秒量級[1]。因此對虛擬仿真系統(tǒng)中通常采用的反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。虛擬模型之間通過網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)，虛擬模型與實裝模型之間通過相應(yīng)的串行接口卡進(jìn)行通訊，例如RS 422、1553B通訊板卡。因此若能直接實現(xiàn)反射內(nèi)存網(wǎng)中數(shù)據(jù)與串行接口之間的直接數(shù)據(jù)傳輸[2]，將極大地提高通訊卡的通用性和仿真系統(tǒng)的實時性[3]。

當(dāng)今市面上常見的反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品無法單獨滿足虛擬仿真系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)功能的需求，所以基于反射內(nèi)存的多功能通訊模塊的研制對于半實物仿真系統(tǒng)有著十分重要的意義。

1 多功能通訊模塊原理及工作模式

反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。多功能通訊板卡組建的反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)通過光纖連接而成。網(wǎng)上的每臺計算機(jī)通過CPCI插槽插入一塊多功能通訊板卡形成網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點。

網(wǎng)絡(luò)上每個節(jié)點的局部內(nèi)存都映射到一個虛擬的全局內(nèi)存，構(gòu)成分布式共享存儲器。用戶對本地節(jié)點內(nèi)存的讀寫相當(dāng)于對全局內(nèi)存的讀寫。對于本地節(jié)點內(nèi)存的讀寫可以由宿主機(jī)或帶有RS 422接口的設(shè)備完成。多功能通訊板卡上集成了4路RS 422接口，使帶有RS 422的設(shè)備能直接訪問反射內(nèi)存網(wǎng)。

2 總體方案設(shè)計

圖2所示為多功能通訊板卡總體框圖。該板卡總體上由宿主機(jī)交互模塊、DDR2模塊、RS 422模塊、光纖接口模塊四部分組成，各個模塊均掛載在Avalon總線上，借助該總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。Avalon交換式總線定義的內(nèi)聯(lián)線策略使得任何一個Avalon總線上的主外設(shè)都可以與任何一個從外設(shè)溝通。

2.1 宿主機(jī)交互模塊設(shè)計

宿主機(jī)交互模塊負(fù)責(zé)處理板卡和宿主機(jī)的信息交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)組幀和打包、與Avalon總線交互等功能。該模塊由CPCI總線的接口單元、數(shù)據(jù)解析單元和數(shù)據(jù)組幀單元等構(gòu)成。宿主機(jī)交互模塊框圖如圖3所示。

PLX9054的工作模式采用C模式，傳輸方式選擇DMA模式。

數(shù)據(jù)解析單元通過PCI總線的地址位來區(qū)分上位機(jī)的數(shù)據(jù)種類[4]。上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)種類有經(jīng)由RS 422接口的數(shù)據(jù)、廣播到反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)、讀寫本地內(nèi)存的數(shù)據(jù)[5]。為了更好地管理數(shù)據(jù)，將反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)存劃分為兩大區(qū)域：地址0x00000000～0x000FFFF是RS 422數(shù)據(jù)，地址0x0010000～0x8000000是通用內(nèi)存數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)組幀加包是為了解決從單一數(shù)據(jù)源發(fā)送數(shù)據(jù)到不同出口而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)帶寬不同、協(xié)議不匹配等問題[6]。為了方便數(shù)據(jù)交互，統(tǒng)一各路數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)目前反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)沒有形成協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，設(shè)計其實現(xiàn)機(jī)制和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示：

（1）發(fā)送到RS 422接口的數(shù)據(jù)由命令標(biāo)志位和數(shù)據(jù)位構(gòu)成。其中命令標(biāo)志位用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀和命令幀。命令幀包括波特率配置和字長配置。

（2）發(fā)送到反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)格式由幀頭標(biāo)志、節(jié)點號、中斷標(biāo)志、協(xié)議號標(biāo)志、包長度組成。其中節(jié)點號表示該數(shù)據(jù)包的源節(jié)點號，協(xié)議號標(biāo)志表示該數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)源采用的協(xié)議。幀頭標(biāo)志位用于區(qū)分幀頭和地址幀、數(shù)據(jù)幀、校驗幀。

（3）為了提高系統(tǒng)帶寬，宿主機(jī)交互模塊集成了四個Avalon總線主端口，由于每個總線主機(jī)均有自己的專用互聯(lián)，總線主機(jī)只需搶占共享從機(jī)，而非總線本身，因此不會造成總線擁塞。Avalon接口性能很高，可每個時鐘傳輸1次，所以對上下行數(shù)據(jù)的傳輸速率的影響可忽略不計。

2.2 光纖接口模塊設(shè)計

圖4所示為光纖接口模塊。該模塊由光電收發(fā)器、編解碼控制、數(shù)據(jù)仲裁和數(shù)據(jù)解析等功能單元組成。其中，光傳輸模塊采用集成光電轉(zhuǎn)換方案，其支持的最高串行數(shù)據(jù)傳輸率為1.062 5 Gb/s。

各功能單元之間為保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，設(shè)計了多個FIFO來緩存接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。解決上下接口速率不匹配、跨時鐘域的問題。

在高速串行收發(fā)器中，內(nèi)置有8 B/10 B解碼器可以檢查出單比特錯誤，同時還內(nèi)置有CRC校驗器，能夠有效發(fā)現(xiàn)錯誤并糾正單比特錯誤。利用這兩種方案能夠?qū)㈠e誤有效反饋給上層進(jìn)行處理。

2.3 RS 422模塊設(shè)計

圖5所示為RS 422模塊。該模塊主要由UART模塊、控制模塊和RS 422接口電路組成。

UART在Avalon總線體系里是一個常用的字符型外圍設(shè)備[7]，為Altera FPGA上的嵌入式系統(tǒng)和外部設(shè)備提供了串行字符流通信方式。主控制模塊的主要功能單元為UART控制、地址匹配和數(shù)據(jù)打包等。同時控制模塊內(nèi)嵌3個Avalon主端口和1個Avalon從端口，通過Avalon總線與其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3 主要功能及性能指標(biāo)測試

測試時搭建由虛擬機(jī)和實物設(shè)備構(gòu)成的半實物仿真系統(tǒng)驗證基于反射內(nèi)存的多功能板卡的各項功能及性能。

3.1 反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)功能測試

測試網(wǎng)絡(luò)采用由三個節(jié)點、光纖互聯(lián)組成的環(huán)狀鏈路，其中一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入RS 422設(shè)備，測試是否能構(gòu)成共享內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)。測試模型如圖6所示。

在廣播通訊測試中，節(jié)點0計算機(jī)作為數(shù)據(jù)源發(fā)送數(shù)據(jù)包，環(huán)路節(jié)點1、2收到數(shù)據(jù)包后執(zhí)行存儲操作，同時按序轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)包回到節(jié)點0時，該節(jié)點刪除數(shù)據(jù)包，不再轉(zhuǎn)發(fā)，最后將3個節(jié)點的內(nèi)存數(shù)據(jù)讀取比較。本次測試用大小為12字節(jié)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行了長時間連續(xù)測試。實際測試結(jié)果表明傳輸中的誤碼率低于10-15。

3.2 RS 422功能測試

測試2模型和測試1一致。節(jié)點3上的RS 422設(shè)備作為數(shù)據(jù)源廣播大小為12字節(jié)的數(shù)據(jù)包，最后比較各節(jié)點內(nèi)存數(shù)據(jù)。每個通道按照三種波特率9 600 b/s、115.2 Kb/s、1 Mb/s和字長8位、9位共6種組合方式分別測試，設(shè)備收發(fā)的數(shù)據(jù)和各節(jié)點內(nèi)存區(qū)數(shù)據(jù)完全一致。

3.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸速率測試

測試3沿用測試1的測試模型。宿主機(jī)讀寫采用DMA方式，測試時，節(jié)點0宿主機(jī)發(fā)起數(shù)據(jù)寫傳輸，發(fā)起的同時開啟RTX系統(tǒng)提供的0.1 ms時鐘，當(dāng)數(shù)據(jù)通過環(huán)形網(wǎng)絡(luò)更新完畢時則停止計時，得到數(shù)據(jù)寫速率。每次發(fā)送100個數(shù)據(jù)包，發(fā)送500次，有效數(shù)據(jù)總量為200 000 MB。試驗數(shù)據(jù)如表1所列。通過宿主機(jī)讀內(nèi)存數(shù)據(jù)，每次讀100個數(shù)據(jù)包，讀500次，有效數(shù)為200 000 MB，得到數(shù)據(jù)讀速率。數(shù)據(jù)讀測試如表2所列。

在數(shù)據(jù)量較小時，傳輸速率不高，因為大部分時間開銷都在中斷的傳輸和邏輯判斷中。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)變大時，傳輸速率較快，并趨于穩(wěn)定。

3.4 傳輸延時測試

傳輸延時包括節(jié)點間延時和節(jié)點內(nèi)延時，測試模型如圖7所示。相鄰節(jié)點之間完成數(shù)據(jù)發(fā)送接收過程的延時測試，需要依次經(jīng)過發(fā)送節(jié)點發(fā)送單元、光電收發(fā)器、光纖、光電收發(fā)器、接收節(jié)點接收單元，其中光纖長度為10 m。通過100次測試單板自收發(fā)，可測得節(jié)點與節(jié)點間的時延平均為244.4 ns。節(jié)點內(nèi)部處理相鄰節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)時會造成延時。完成以上一次收發(fā)需要經(jīng)過兩次節(jié)點間時延和一次節(jié)點內(nèi)時延。經(jīng)過100次測試，得出節(jié)點內(nèi)平均時延為263.2 ns。

4 結(jié) 語

通過一系列實驗測試證明，基于反射內(nèi)存的多功能通訊板卡設(shè)計合理，滿足高速（帶寬最高為30 MB/s）、可靠（誤碼率低于10-15）、可預(yù)測（時延是深亞微秒級）、多功能（支持多模式的RS 422）等要求。目前，該板卡已應(yīng)用在虛擬仿真平臺。需要指出的是，該板卡上還集成了RS 232、1533B、CAN等通訊模塊，改動FPGA程序即可擴(kuò)展板卡的通訊能力。

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