（计算机应用技术专业论文）基于fpga技术的星载高速复接器设计.pdf

摘要 摘要 随着空间科学任务的增加，需要处理的空间科学数据量激增，要求建立一 个高速的空间数据连接网络。高速复接器作为空间飞行器星上网络的关键设备， 其性能对整个空间数据网络的性能起着重要影响。 本文阐述了利用先入先出存储器f i f o 进行异步速率调蕤，应用v h d l 语 言和可编程门阵列f p g a 技术，对多个信号源数据进行数据打包、信道选通调 度和多路复接的方法。设计中，用v h d l 语言对高速复接器进行行为级建模， 为了验证这个模型，首先使用软件进行仿真，通过编写t e s t b e n c h 程序模拟f i f o 的动作特点，对程序输入信号进行仿真，在软件逻辑仿真取得预期结果后，继 续设计硬件电路，设计出的实际电路实现了将来自两个不同速率的信源数据 ( 1 3 9 4 总线数据和1 5 5 3 b 总线数据) 复接成一路符合c c s d s 协议的位流业务 数据。在实验调试中对f p g a 的输出数据进行检验，同时对设计方法进行验证。 验证结果完全符合设计目标。 应用硬件可编程逻辑芯片f p g a 设计高速复接器，大幅度提高了数据的复 接速率，可应用于未来的星载高速数据系统中，能够完成在轨系统的数据复接 任务。 关键词：c c s d s ，虚拟信道，位流，高速复接器，f p g a 基于f p g a 技术的星载高速复接器设计 a b s t r a c t x u l i j t m ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o n ) d i r e c t e db yc h e nx i a o m i n w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h e s p a c et e c h n o l o g y , t h ea m o u n t o f s c i e n t i f i cd a t ag r o w s r a p i d l y a ne f f i c i e n t a n dh i g hs p e e ds p a c ed a t al i n kn e t w o r ki s n e e d e d b e i n g i m p o r t a n te q u i p m e n t ，h i g hr a t em u l t i p l e x e rp l a y sak e yr o l ei nt h ef u n c t i o no f t h e s p a c ed a t a l i n kn e t w o r k i nt h i s a r t i c l e ，am e t h o dt h a td e s i g n st h eh i 曲r a t em u l t i t ) l e x e rw i 也f p g a t e c h n o l o g ya n dv h d ll a n g u a g ei sd e s c r i b e d t h em u l t i p l ed i g i t a ls i g n a l sw i l lb e m u l t i p l e x e di no n ed a t ac h a n n e lb yt h em u l t i p l e x e r , w h i l et h ed a t ai sp a c k a g e di n c c s d ss t a n d a r df o r m a t t h ea l g o r i t h mt h a tm a k ed a t ac h a n n e la l t e r n a t er e g u l a r l yi s a l s oe l a b o r a t e di nt h ep a p e r i nt h i sd e s i g n ，am o d e li se s t a b l i s h e dw i t hv h d l at e s t h e n c h p r o g r a m i se d i t e d t os i m u l a t et h eb e h a v i o ro ft h ef i f o a f t e rt h es o f t w a r es i m u l a t i o ni sa c c o m p l i s h e d ， ar e a lh a r d w a r ec i r c u i ti s d e s i g n e dt om u l t i p l e xt w od a t ac h a n n e l s ( 15 5 3 bd a t a c h a n n e la n d 1 3 9 4d a t a c h a n n e l ) a c c o r d i n g t oc c s d s s t a n d a r d d u r i n g t h e e x p e r i m e n ta n dh a r d w a r ed e b u g g i n g ，t h eo u t p u tl o g i co ft h ef p g ai sc h e c k e du p t h em e t h o do ft h ed e s i g na n dt h ea l g o r i t h mi sa l s ov e r i f i e d t h er e s u l tm e e t st h e r e q u i r e m e n tp e r f e c t l y w i t hf p g a t e c h n o l o g y , t h es p e e do f t h eh i g hr a t em u l f i p l e x e ri sg r e a t l yi n c r e a s e d i tw i l lb ea p p l i e di nt h es p a c e c r a f td a t as y s t e m sa n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h e s p a c em i s s i o n si 1 1f u t u r e k e yw o r d s ：c c s d s ，v i r t u a lc h a n n e l ，b i ts t r e a m ，h i g hr a t e m u l t i p l e x e r ， f p g a h 绪论 1 1 1 课题的目的 绪论 1 1 课题的目的和意义 在原有高速复接器设计的基础上对其进行改进，用硬件实现一种调度算法， 提高高速复接器的复接速率，使其能够复接来自i e e e l 3 9 4 高速串行总线数据 和1 5 5 3 b 低速串行总线数据，将1 3 9 4 总线和1 5 5 3 b 总线接口传来的数据处理 成符合c c s d s 协议的数据格式，然后复接下行。 1 1 2 课题的意义 随着空间技术的不断发展，空间飞行器的科学任务日益繁重，数据交换和 传输能力亟待提高，从而需要建立一个高速且高效的空间连接网络。高速多路 复接器作为星务管理分系统中的一个重要组成部分，主要任务是通过i e e e l 3 9 4 高速串行总线接收高速图像数据，同时还要下行1 5 5 3 b 串行总线采集的工程参 数和科学数据。高速复接器是实现数据综合传输的关键设备，按照c c s d s7 0 1 0 一b 3 高级在轨系统、网络和数据链路、结构说明的标准，利用虚拟信道和位 流业务等概念，将来自不同信源的数据( 如静止图象、科学实验数据、工程参 数等) 复接为一路，按照c c s d s 颁布的空间数据系统标准建议书的位流数据 格式，送高速数传发射机下行【l 】。高速复接器作为空间和地面相联系的数据网 络接口，必须提高数据吞吐速率，才能完成未来科学研究中日益繁重的数据下 行任务。 1 2 1 国内研究进展 1 2 国内外研究进展 中国科学院空间科学与应用研究中心在高速复接器的研制方面一直处于国 内领先水平，自1 9 9 3 年开始进行a o s 的应用研究以来，先后在载人飞船有效 墨王! 里垒垫查塑星矍壹垄墨堡塑丝盐 载荷数管系统、实践五号卫星、8 6 3 遥科学通用平台以及2 0 0 3 年发射的探测一 号卫星上采用了c c s d sa o s 数据标准1 2 】。己经研制出传输速率在1 0 mb p s 的 高速复接器，并且在空间飞行器上得到成功应用并申请了国家专利，为国家做 出了巨大贡献。为适应新的传输要求，空间中心已经着手研发速率超过百兆比 特率的高速复接器，并且已经开始预研。 i 2 2 国外研究进展 国际上，九十年代的复接器的速率一般不超过5 0 mb p s ，速率都不是很高。 由于空间科学任务的增加，同时，国际间相互合作也日趋增多，科学数据的交 换量不断增大，因此各国空间局都在着手改进高速复接器的设计，增加数据下 行速率。美国国家宇航局在1 9 9 9 年4 月发射的美国地理扫描卫星，l a n d s a t 七号卫星已经可以通过x 波段发射机下行1 5 0 mb p s 的数据。 目前有多个国家参与了国际空间站的建设。国际空间站由许多国家的实验 舱共同组成的，由于涉及国际空间合作领域的科学研究，国际空间站对高速复 接器的设计十分重视，国际空间站对未来高速复接器的技术指标要求很高，要 求复接器在数据处理方面达到的指标是上行数据的速率达到2 5 mb p s ，下行数 据速率要求至少达到3 0 0 mb p s ，甚至乐观的估计到1 0 0 0 mb p s 。在空间站建设 中，即将发射的欧洲空间局的哥伦布舱比较先进。哥伦布舱在数据传输控制上 进行了很大的改进，将于2 0 0 4 年发射的哥伦布轨道舱的高速复接器将复接1 2 路数据，其中包括视频信号等高速数据以及音频和控制信号等低速数据，下行 传输速率达到1 5 0 mb p s ，同时欧洲空间局正着手研究进步提高高速复接器的 性能，准备到2 0 0 5 年至2 0 0 6 年，设计开发出功能更强的高速复接器专用集成 电路a s i c ，设计指标达到复接数据的速率不低于3 0 0 mb p s 。可以预见，在新 世纪各国空间局都将竞相发展多信道、高数据吞吐率的高速复接器。 1 3 课题要达到的性能指标及关键技术 作为研制速率超过1 0 0 mb p s 高速复接器的预研，本课题的主要目的是设 计一个速率为2 0 m b p s 的高速多路复接器。通过新兴的可编程门阵列f p g a 技 术，验证硬件设计高速复接器的可行性，应用v h d l 语言，在f p g a 上实现一 2 绪论 种调度算法。复接器设计的关键目标是实现数据的c c s d s d 格式和不同信道的 有效复接。设计要求复接数据每个数据包大小必须相同，在进行信道切换时传 输数据必须井然有序。在信道切换的瞬间避免出现丢失数据现象。设计的高速 复接器在功能上能够实现复接两路数据，一路是1 3 9 4 总线数据，一路是1 5 5 3 b 总线数据。 基于f p g a 技术的星载高速复接器设计 第一章课题理论基础 1 1c c s d s 简介 随着空间技术的发展，空间数据处理任务越来越艰巨，除常规的遥测遥控 以及跟踪信号外，还出现了科学实验数据，话音通信，运动图形和静止图象等。 由于传送信息的复杂化、高交换量和高数据率，要求产生新的通用标准以适应 空间技术的发展。基于这种情况，1 9 8 2 年，美国宇航局( n a s a ) 、欧洲空间局 和许多其他国家的空间局成立了空间数据系统咨询委员会即c c s d s ( c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e ef o rs p a c ed a t as y s t e m ) ，其职责是开发空间数据系统标 准化通信体系结构、通信协议和业务，使未来的空间任务能以标准化的方式进 行数据交换和处理。同时可以加速空间数据系统的开发，促进国际间的相互支 持合作与交流。我国的航天技术要走向世界，航天测控与数据系统体制一定要 和c c s d s 标准接轨p j 。 1 2 c c s d s 数据交换网络结构 在c c s d s 标准中，对空间飞行器之间的数据交换提出了具体的协议，并 给出了在c c s d s 网络中传输数据的具体协议格式。其协议数据是在c c s d s 数 据交换网络结构c p n ( c c s d s p r i n c i p a ln e t w o r k ) 中传输的。c p n 被嵌入到工 程数据处理网络中，它为空间数据用户提供端到端的数据流支持。一个c p n 网 络由在轨部分的船上网络( o n b o a r dn e t w o r k ) 以及通过空间链路子网( s p a c e l i n ks u b n e t w o r k ) 连接的地基网络或者另一个其它在轨船上网络组成。它的结 构如图1 1 所示，从图中可以看出，一个c p n 主要由在轨飞行器网络和地面网 络，以及连接他们的空间链路子网构成。c c s d s 没有严格规定每个网络节点内 的网络结构，它的建议主要集中在制定空间飞行器之间，空间飞行器与地面之 间连接的网络协议。 c c s d s 希望提供一种通信系统结构，使国际上不同国家的空间局能够相互 支持、合作和交流，这种通信结构使一个空间局能够利用自己的数据传送资源 4 墨= 童堡壁里笙墨型 一一一一 - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 在空间与地面之间与其它空间局双向传输数据。 空地网络结构 空空网络结枘 图1 1c p n 结构图 1 3 空间链路子网s l s 介绍 c p n 提供八种不同的业务，其中的i n t e r a c t 和p a t h 业务是异步模式的，空 间链路子网提供其它六种业务( 封装业务e n c a p s u l a t i o ns e r v i c e ，复用业务 m u l t i p l e x i n gs e r v i c e ，位流业务b i t s t r e a ms e r v i c e ，虚拟信道接入业务v i r t u a l c h 蛐e la c c e s ss e r v i c e ，嵌入业务i n s e r ts e r v i c e ，和虚拟信道数据单元业务 v i r t u a lc h a n n e ld a t au n i ts e r v i c e ) ，这些业务可以是异步模式也可以是同步模 式。 空间链路子网s l s ( s p a c el i n ks u b n e t w o r k ) 是组成c p n 的核心，它把 c c s d s 高级在轨系统中分离设备通过网络连接起来，它既支持空间和地面之间 也支持空间和空间之间信道双向传输。s l s 既支持p a t h 业务和i n t e r n e t 业务同 时也提供了专门在c p n 内部传输的s l s 数据传输业务。c c s d s 在s l s 的业务 系统中定义了完整的协议体系，能够满足空间数据交换的要求。 图1 2 显示了所有可以流过s l s 的数据流。在发送端，数据自上而下传送， 而在接收端则自下而上传送，物理空间媒介将s l s 发送端和接收端连接起来。 此图同时标明了s l s 所包含的数据处理和格式化功能。 基于f p g a 技术的星载高速复接器设计 c i n t e r n e t s e r v i c e i 。u 。i；。 l 二工i 二i ：i _ t 。b 。i i 。i r r 二 l x e dl h g i j i i l l 。i 。i i i l v i r t u l c h a n n e l p h y s i c ls p a c em e d t l i m 一w h m h w h h h w _ w h 一 _ h h _ 一m - n h h w w 图1 2 s l s 层功能结构图 1 3 1 虚拟信道( v i r t u a lc h a n n e l ) 和虚拟信道数据单元v c d u 在s l s 中，c c s d s 协议的一个重要特征就是虚拟信道的概念( v jn 1 嵋l c h a n n e l ) a 虚拟信道能实现一个物理信道被多个高层数据流共享，这些数据流 可以使用s l s 的不同业务。这样，一个物理信道被分成几个独立的逻辑数据信 道，这些逻辑数据信道就叫虚拟信道，每个虚拟信道都有独立的信道标号以区 别于其他的虚拟信道，每个虚拟信道内仅仅支持一种业务级别。 为了建立简单可靠并且一致同步的数据处理机制，s l s 采用了固定长度的 协议数据单元以便在弱信号，多噪声的宇宙空间中传输数据。这些数据单元的 6 l l 上一 i； - 肘+ l | 第一章课题理论基础 长度根据不同任务阶段以及不同的连接通过管理来建立。通过数据单元交界处 的同步标志位划定这些数据的界限。这些协议数据单元和指定的虚拟信道相关 联，因此叫做虚拟信道数据单元( v i r t u a lc h a n n e l d a t au n i t ，缩写为v c d u ) 如 果虚拟信道数据单元的内部业务级别选项中包含纠错编码保护，那么就成为编 码虚拟信道数据单元( c o d e d v i r t u a lc h a n n e ld a t au n i t ，缩写为c v c d u ) 。每个 v c d u 或者c v c d u 都有一个头部和尾部勤务信息区域，头部勤务信息区域包 含了空间链路协议的控制信息，两个勤务信息区域之间是固定长度的传输数据 区域，这里包含了协议数据单元将要传送的用户数据。 1 3 2 位流业务 在s l s 提供的六种不同的传输业务类型中，高速复接器采用了位流业务协 议( b i t s t r e a ms e r v i c e ) ，下面介绍一下位流业务。 位流业务传输原理是把即将在s l s 中传输的上层用户数据看成是一系列位 流，c p n 并不需要了解它们的内部结构，也不需要知道这些位流的边界。在传 输过程中必须保持位流的先后顺序，传输模式可以是异步传输也可以是等时传 输。 位流业务将每个s l s 用户数据的位流分成数据块，这些数据块的大小和 v c d u 的协议数据单元的传输数据区域的大小相同，同时也可以在定长数据区 内加入或者删除填充的数据。 位流业务的具体协议规则和实现方式： 位流业务不允许在一个虚拟信道中再次进行数据复用，个虚拟信道只能 传输一路位流，位流业务允许用户的位流为任意长度，但打包后的数据可能和 原来数据的长度不一致，因此必须加入填充数据，填充数据的地址要被记录。 在v c l c 子层中，会形成位流协议数据单元( b _ p d u ) ，这些数据单元相当于 一个个数据包，长度是固定的。一个b _ p d u 被填满后，会继续填充下一个位 流协议数据单元。如果在发送时刻位流业务数据单元没有被用户数据填满，那 么必须填充无效数据到剩余的数据空间，同时要记录有效数据和填充数据的边 界，这是通过位于b _ p d u 头部的位流数据指针来实现的。位流数据指针会记 录下这个边界，同时位流业务还提供一个位流数据丢失标志，告诉用户数掘可 基于f p g a 技术的星载高速复接器设计 能在传输时丢失，b p d u 的形成主要是在v c l c 子层完成的ab _ p d u 接着进 入v c a 子层，在v c a 子层中，b _ p d u 要加入更多的勤务信息，构成v c d u ， 然后在v c d u 加上同步标志位，构成传输的c a d u ，连续的c a d u 可以在物 理层中进行传输。 位流业务协议数据单元的格式由图1 3 表示。 lb p du 包头j ” l 空余位 位鎏葬据i e p du 位流数据区 l 2 b i t s j 1 4 b i t s l 图1 3 位流协议数据单元 位流协议数据单元的头部数据由1 6 个比特组成，包括： 空余位：比特0 和比特1 为空余位，c c s d s 并没有定义，通常可以设成0 0 ”。 位流数据指针：比特2 至比特1 5 是位流数据的指针位，指针指出最后一个 有效用户数据的位置。这个比特区域以模为1 6 3 8 4 十进制数的计数，增量为l ， 如果没有填充的数据，那么指针应该全为“l ”，相反，如果全是填充数据，那 么它的所有位置“0 ”。位流数据区则装入将要传输的用户位流数据。 1 3 3s l s 的业务等级 s l s 所有业务分三个等级： 等级一：s l s 业务数据单元在整个s l s 的传输过程中必须是完整的，同时 顺序保持一致，由s l s 产生错误的概率非常低。 等级二：s l s 业务数据单元在整个s l s 的传输过程中可能不完整，但必须 保持顺序一致，同时由s l s 传输而产生错误的概率非常低 等级三：s l s 业务数据单元在s l s 传输中可能不完整，但顺序保持一致， 同时，它可能包含由s l s 产生的错误。 等级业务是在等级二的基础上增加了s l a p 功能( s p a c el i n ka r q p r o c e d u r e ) 。此功能在异步传送的复用业务，位流业务，虚拟信道接入业务数据 中增加了重新传输控制( a r q ) 。这个功能是通过空间链路重传进程来实现的。 等级一业务必须定义为全双工操作，也就是必须同时建立两个指定的虚拟信道， 每个方向个虚拟信道。 第一章课题理论基础 等级二业务在v c d u 中添加了纠错编码控制，一般是r s 编码，形成c v c d u 后再进行传输。 等级三业务，就是建立v c d u 后，不经过其它的纠错控制处理，直接送到 下层指定物理信道传输。 1 3 4s l s 中的两种传输方式： 异步数据传输模式：在s l s 中，只有复用业务( m u l t i p l e x i n g ) ，封装业务 ( e n c a p s u l a t i o n ) ，位流业务( b i t s t r e a m ) 和虚拟信道接入业务( v i r t u a l c h a n n e l a c c e s s ) 使用异步模式。在数据被传输前，协议数据单元把将要传输的数据异 步的装入v c d u 或者c v c d u 中，装入的数据必须和虚拟信道数据单元的传输 数据区大小相吻合。 等时传输模式：通过s l s 传输的一些类型的等时业务，要求保持严格的时 间关系进行传输。完成这种要求，就必须在传输过程中定义固定的时问延时。 1 3 5s l s 的具体功能 1 3 5 1 物理信道功能 在物理信道功能中，将建立指定的空间数据传输信道，一个连续的数据流 将送往发送端，进行并串转换，然后调制，在空间媒介中串行传递，在接收端 解调，位同步，通过接收端接口在接收端的网络中继续传送。由于课题主要集 中在数据连接层，因此不详细介绍物理层的功能。 1 3 5 2 虚拟信道功能 在发送端，虚拟信道功能主要是接收来自上层用户业务数据单元，然后将 其处理成具有信道标号的空间链路数据单元，一般是v c d u 或者是c v c d u ， 这些数据单元根据不同的业务等级采取编码保护控制。将它们排定适当顺序， 排列成一系列连续的数据流提交到物理信道层，然后在指定的物理信道中传送。 在接收端，将这些数据流位同步，然后根据同步标志位找到数据单元的边界， 然后通过进行解码，恢复传送时的顺序，被传输的拥护数据单元被提取出来， 通过接收端接口送到指定用户。 在物理信道传送过程中，每个v c d u 和c v c d u 是被信道接入数据单元 基于f p g a 技术的星载高速复接器设计 ( c h a n n e la c c e s sd a t au n i t 缩写为c a d u ) 装载的。c a d u 的边界由同步标志 位来限定，为了保证每个时隙都被占用，排列起来的v c d u 或者c v c d u 连续 传送。如果上层用户没有数据可以发送传输，那么就要产生填充数据，占用这 些时隙，填充数据也要封装成v c d u 的格式。连续不问断的c 删就组成了 物理信道接入数据单元，通过物理信道进行传输。 o s ll a y e r s ：s l sl a y e r s d a t al n kl a y e r p h y s i c a ll a y e r v i r t u a lc h a n n l l f n kc o n 可r o l s u 8 l a y r v i r l l j a lc h a n n e l a c c e s ss u 8 l a y e r p h y s l c a lc h a n n e l l a y e r 图1 4s l s 和o s i 比较 s p a c e l i n k l a y e r 图1 4 表示c c s d s 空间链路子网s l s 和国际标准化组织定义的开放系统 互连( o p e ns y s t e mi n t e m o n n e c t i o n 简称o s i ) 的参考关系。空间链路层由两个 子层构成，一个是虚拟信道连接控制子层( v c l cs u b l a y e r ) ，一个是虚拟信道接 入子层( v c as u b l a y e r ) 。两个子层都罗列在物理层上，物理层则是空间与空间设 备之间，或者空间与地面设备之间相互通信的物理媒介。 1 3 6 空间链路子层 高速复接器主要完成的是空间链路子层的功能，其功能和o s l 网络体系结 构中数据链路层相同。 1 3 6 1 虚拟信道连接控制子层v c l cs u b l a y e r 在虚拟信道连接控制子层中，要将用户数据进行预处理，使它符合s l s 的 六种业务的数据格式。 1 3 6 2 虚拟信道接入子层v c a s u b l a y e r v c l c 子层的数据处理完毕后，向下传到v c a 予层，v c a 子层有两个功 1 0 能：v c d u 打包过程和信道接入过程。 在虚拟信道接入子层中主要完成对业务数据的打包工作，即增加路由、信 道控制以及纠错保护控制等勤务信息，将封装好的虚拟信道数据单元v c d u 加 上同步标志位，使它成为虚拟信道接入数据单元c a d u ，然后通过物理层进行 传输。 1 3 6 + 3v c d u 的数据格式 当来自v c l c 子层的协议数据单元被嵌入到v c d u 的用户数据区时，就产 生了v c d u 。一个v c d u 主要由几个部分组成：v c d u 主导头、可选的数据嵌 入区、v c d u 数据区、和一个可选的v c d u 尾部数据。在发送端v c a 子层， 虚拟信道建立过程将用户数据组成v c d u 来传送，而与此相反，在接收端的 v c a 子层则需要将用户数据提取出来。两个过程分别叫v c d u 打包过程和v c a 业务数据单元提取过程。 在v c d u 打包过程中，直接将v c a 业务数据单元也就是v c l c 处理过的 数据，嵌入到v c d u 的数据区，同时加入v c d u 的头文件。而v c a 业务数据 单元提取过程则是将嵌入到v c d u 中的上层用户数据提取出来。数据提取的过 程，则是根据v c d ui d ，将指定的虚拟信道的数据从数据区提取出来。 在数据发送端将对v c d u 进行纠错编码保护，加同步识别码，产生填充数 据。同时在接收端，则通过识别同步标志，进行同步，然后解码，删除填充数 据，恢复出v c d u 数据单元。 在v c a 子层最后形成的v c d u 以及编码形式的c v c d u 的结构如图1 5 所示。 1 v c d u 包头 7 l 同步标志 版本号 vc d u 标号 虚通道数据 信号区 单元计数 飞行器 虚通道重传空余 vc d u 数据单元区域 il a c f f c i d 标号标号标志 标志 i3 2 b 如2 b i t s8 b i t s6 b i t s2 4 b i t s1 b i t7 b i t s8 1 1 2 b i 地 一 图1 5c a d u 数据单元 1 3 6 4 虚拟信道数据单元v c d u 协议的具体定义 基于f p g a 技术的星载高速复接器设计 v c d u 各个数据区的定义如下： ( 1 ) v c d u 头部数据 版本号( 2 个比特) ：如果是“0 0 ”，代表c c s d s 遥感传输帧结构，如果是 “0 1 ”，代表c c s d s 的v c d u 。 v c d u i d 标志符( 比特2 至比特1 5 ) ：这十四个比特是标志出v c d u 所属 的空间飞行器，以及指出虚拟信道号，前八位即比特2 至比特9 是飞行器标志 s p a c e c r a f ti d ，代表接收或者发送数据的不同实体。当互相联系的空间飞行器数 目比较多时，每个飞行器都要分得一个标志号，这样当不同飞行器的v c d u 在 一个物理信道传输时，才不至于混淆。当进行空间对地面传输时，表示空间飞 行器的标志，即发送端标志，当地面对空间传输时，表示接收端标志，当空间 和空间之间传输时表示发送飞行器的标志。后六位比特( 比特1 0 至比特1 5 ) 表示虚拟信道标志v i r t u a lc h a n n e li d ，因此每一个s p a c e c r a f ti d 最多可以附带 6 4 个虚拟信道。 v c d u c o u n t e r ( 比特1 6 至比特3 9 ) ：统计每个特定虚拟信道中的v c d u 的数目。这2 4 比特的数据区以模1 6 ，7 7 7 ，2 1 6 来计数的。 s i g n a l f i e l d ( 比特4 0 至比特4 7 ) ：包括一个比特的重传标志位r e p l a v f l a g ( 比特4 0 ) ，和空闲的七个比特( 比特4 1 至比特4 7 ) 。 头部错误控制( 比特4 8 至比特6 3 ) ：这1 6 个比特是一个可以选择的v c d u 头部数据错误控制区，视v c d u 的业务等级而定。 ( 2 ) v c d u 数据区 装入上层用户需要传输的数据。 ( 3 ) v c d u 尾部数据 主要对整个v c d u 进行纠错编码保护，视业务等级，可以选择也可以不选。 选择后，主要用r s 编码来进行错误控制。 v c d u 组成后，在传输前要加同步标志位，组成c a d u ，同步标志位统一 为十六进制的1 a c f f c l d ，分隔开不同的v c d u 。 v c d u 数据包最小数据容量是1 2 4 个字节( 9 9 2 比特) ，最大数据容量是1 2 7 5 个字节( 1 0 2 0 0 比特) 。 数据包的大小由业务等级和数据管理需要来确定，数据管理上可以根据用 第一章课题理论基础 户来定义大小，业务等级越高，由于添加纠错编码，数据容量也需要增大。 1 4i e e e l 3 9 4 总线和1 5 5 3 b 总线简介 由于星务管理系统中采用了i e e e l 3 9 4 总线和1 5 5 3 b 总线，下面对这两种 总线做简要介绍。 1 4 1i e e e l 3 9 4 总线简介 i e e e l 3 9 4 总线是i e e e 制定的一个高速串行总线标准。它是t i 、s o n y 、 m i c r o s o f t 、p h i l i p s 、a p p l e 等公司共同提出制定的一种高速串行总线，其前身是 a p p l e 公司在1 9 8 6 年提出的用于连接打印机，调制解调器，硬盘，扫描仪等外 部设备到电脑的总线设计“f i r e w i r e ”。1 9 9 5 年1 2 月，i e e e l 3 9 4 1 9 9 5 正式由 t i ，s o n y 等公司定义，成为支持个人电脑与多媒体连接的新一代标准。商业 上仍沿用a p p l e 公司的“f i r e w i r e ”名称。2 0 0 0 年3 月，新标准m e e l 3 9 4 a _ 2 0 0 0 正式通过批准。i e e e l 3 9 4 a 支持三种传输速率：1 0 0 mb p s 、2 0 0 mb p s 和4 0 0 mb p s 。 并且具有更好的数据流控制和节能特性。它支持对等设备之间的带宽视频音频 数据传输，也支持即插即用和热插拔。未来的1 3 9 4 总线可以支持1 6 0 0 mb p s 和3 2 0 0 mb p s 等更高的速率，同时具有巨大的映射至内存的地址空间，每个节 点拥有2 5 6 t 字节的地址空间，每条总线上有1 6 p 字节的地址空间【4 1 。 i e e e l 3 9 4 标准参照o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 体系结构，规定了 一个多层协议的参考模型。这个体系模型主要分三个层次：物理层，数据链路 层，会话层。链路层和物理层是i e e e l 3 9 4 界面的主要构造模块。链路层采用 a c k n o w l e d g ed a t a g r a m 和会话层通讯，负责将数据分解为发送和接收数据包， 将数据包传输给物理层，以及同步数据传输时的时钟控制。物理层提供 i e e e l 3 9 4 总线与设备之间的电气连接，负责设备的初始化，并保证同一时间内 一次只有个节点发送数据及各个节点的公平竞争权利，并转换和传送总线数 据流和信号电平信息给链路层。物理层设备也可以是中继器，允许数据从一个 设备传输到另一个设备而不通过数据链路层。 i e e e l 3 9 4 标准采用了一种多层协议模型，每层提供服务和相邻层或串行总 线管理层通讯，这叫服务原语。服务原语是可能实现方式的一种简写，真实的 基于f p g a 技术的星载高速复接器设计 实现与服务原语可能不大相同，但都能满足要求。i e e e l 3 9 4 总线标准提供以下 四种服务原语：请求( r e q u e s t ) 、指示( i n d i c a t i o n ) 、应答( r e s p o n s e ) 和证实 ( c o n f i r m a t i o n ) 。 i e e e l 3 9 4 标准定义两种传输模式： 1 2 5u s 接收与发送一定数量的数据包， 式适用于文件等数据传输。 i e e e l 3 9 4 总线的主要性能特点： 同步模式和异步模式。同步模式保证每 适用于传输图象和音频数据。而异步模 ( 1 ) i e e e l 3 9 4 在一个端口上最多可以连接6 3 个设备，设备间用树形或者菊 花链结构。 ( 2 ) 采用基于内存的地址编码，具有高速传输的能力。总线采用6 4 位地址 宽度( 1 6 位的网络i d ，6 位节点i d ，4 8 位内存地址) ，将资源看作寄存器和 内存单元，可以按照c p u 内存的传输速率进行读写操作。 ( 3 ) 采用点对点的连接方式( p e e r t o p e e r ) 。任何支持i e e e l 3 9 4 标准的设备 可以直接连接。设备间传输数据时，不分主从设备，都是主机和服务器【5 1 。 1 4 21 5 5 3 b 总线简介 1 5 5 3 b 总线最初是在七十年代末为适应飞机的发展由美国提出的飞机内部 电子系统连网标准，由于它的高可靠性和灵活性，在航空航天领域得到广泛应 用。 1 5 5 3 b 总线是一种广播式分布处理的计算机网络，网络上可挂接3 2 个终端， 所有终端共享条消息通路，任一时刻网络中至多只有一个终端在发送消息， 传送中的消息可以被所有终端接收，实际接收的终端通过地址来识别。1 5 5 3 b 总线网络结构简单，终端的扩展十分方便，任一终端( 除总线控制器外) 的故 障都不会造成整个网络的故障，总线控制器可以通过备份来提高可靠性，由于 网络对总线本身的故障比较敏感，因此通常采用双余度总线。1 5 5 3 b 总线的性 能特点是强调了实时性，1 5 5 3 b 总线的传输码速率为1 mb p s ，每条消息最多包 含3 2 个字，因此传输一条消息的时间比较短。 1 5 5 3 b 总线按指令响应的方式异步操作，即总线上的所有消息传输都是通 过总线控制器发出的指令来控制。相关终端对指令应给予回答( 响应) 并执行 第一章课题理论基础 操作。这种方式非常适合集中控制的分布式处理系统6 1 。 苎王! 堕垒垫查竺星塾壹垄塞堇墨丝生 一一一 第二章f p g a 技术简介 2 1 可编程a s i c 简介 逻辑芯片的分类可以用图2 1 来说明。 图2 1 逻辑芯片种类 按照a s i c 的制程方式，根据图2 1 可以分成以下四种：p l d ( p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c 曲、g a t e a r r a y 、c e l l b a s e di c 、f u l l - c u s t o m i c 。 其中从属于p l d 里的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) 和 c p l d ( c o m p l e xp l d ) 相对s i m p l el o g i c 下的p a l 、p e l l 具有更高的电路门数， 因此可以应用于功能比较复杂的电路。 逻辑芯片可分为：标准逻辑( s t a n d a r d l o g i c ，如t t l c m o s 等系列芯片) 和应用规格芯片( a s i c ，a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 两大类。 随着v l s i 与计算机技术的成熟，a s i c 芯片具有以下几项优点： ( 1 ) 电路容积高：芯片内的组件门数高，相对缩小整个电路板的面积。 ( 2 ) 电路性能佳：电路信号延迟小，比较容易得到可靠的电路设计。 ( 3 ) 具有完备的开发工具：协助完成电路的合成与仿真，并能自动做出电 6 第二章f p g a 技术简介 路的最佳化，缩短设计研发周期。 ( 4 ) 具有可编程逻辑功能：提供弹性的设计方式，允许多次清除和重复烧 录。 ( 5 ) 费用低廉：随着v l s i 制作技术的提高，a s i c 芯片内的门数不断增 加，但价格却逐步下降。 虽然可以使用相同的硬件描述语言，如v h d l ，v e r j l o g 来设计f p g a 或c p l d ，但是这两种芯片有下面几个重要的不同点： 内部绕线不同：由于f p g a 的绕线是分段式，因此会造成内部延迟时间不 固定，对初学者不容易掌握。c p l d 的绕线是连接式，内部延迟时间固定，比 较容易设计和使用。f p g a 是一种具有可编程内连线的通道型门阵列，采用分 段互连线，利用长度不同的多种金属线经传输管道将各种逻辑单元连接起来， 因此布线延迟是累加的、可变的，还与通道有关，在实现中延时不确定。c p l d 是采用类似p l d 可编程逻辑阵列的固定内连布线，布线延时是固定的、可预测 的。由于f p g a 多采用单层布线的形式来组合芯片内部逻辑块和连线，而c p l d 则倾向于采用多层布线来实现逻辑块和数据通道的互连，因此c p l d 芯片的功 耗要大于f p g a 。 门数不同：c p l d 的接线简单，所以芯片内的门数比f p g a 多。a l t e r a 公司 所生产的f l e x 系列( r a m 形式) 、m a x 系列( r o m 形式) 都是属于c p l d 的类型。而x i l i n x 公司生产的s p a r t a n 系列( r a m 形式) 则是属于f p g a 类 型。 2 2f p g a 的选取 f p g a 技术为实现高速实时信号的处理提供了便利的条件。自1 9 8 4 年x i l i n x 公司推出第一片现场可编程逻辑器件( f p g a ) 至今，f p g a 已经历了十几年的 发展历史。在这十几年的发展过程中，数字系统现场集成技术取得了惊人的发 展，现场可编程逻辑器件从最初的1 2 0 0 个可利用门，发展到9 0 年代的2 5 万个 可利用门，现在，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商又陆续推出了数百万 门的单片f p g a 芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。使用 f p g a 厂商的芯片以及由厂商提供的开发软件，可以的缩小研发周期，方便快 基于f p g a 技术的星载高速复接器设计 捷的进行测试，是快速硬件设计的主要方法。f p g a 功能的复杂性决定了f p g a 设计手段的多样性。f p g a 设计为了达到更高的性能，必须将f p g a 厂商提供 的f p g a 功能内核、逻辑图设计方法和h d l 语言的设计方法有机的统一起来。 v h d l 语言的使用，可以使设计更加快速、灵活 8 】。目前国际上具有代表性的 e d a 软件供应商有c a d e n c e ，s y n o p s y s ，a v a n t ! ，m e n t o r 等。 f p g a 基本结构由三种可编程单元和一个用于存放编程数据的静态存储器 组成【7 】。目前国际上的f p g a 厂商较多，按照具体结构可分为三类：查找表型 f p o a 结构、多路开关型f p g a 结构和多级