Гляненко Современная електронная елементная база в приборах 2012
.pdf
Слева от оси ординат представлены характеристики для различных специализированных типов микросхем и для обычных логических элементов, которые используются для создания магистралей модульных систем электроники. Лучшие образцы способны обеспечить скорости передачи по “общей” магистрали данных со скоростями до 350 Мбит/с по одной линии. Справа от оси приведены данные по различным решениям и стандартам для последовательной передачи данных по линиям связи. Рекордными характеристиками обладает стандарт CML, и ему нет равных по скорости обмена до длин кабельных линий порядка 15 – 20 м. Чуть меньшими скоростями обладают стандарты LVDS, PECL, LVPECL, которые обеспечивают высокие скорости передачи на расстояния до 100 м. И лишь при длинах линий связи, превышающих 100 м, “традиционным” стандартам RS-422 и RS-485, использующим дифференциальную передачу сигнала по двум линиям, альтернативы нет.
Важнейшей характеристикой, характеризующий стандарты передачи сигналов, помимо скорости передачи и дальности, является энергопотребление одного канала (бита) (см. рис. 3.14).
Рис. 3.14. Характеристики энергопотребления для различных интерфейсов
Как следует из данного рисунка, “рекордсменом” по энергопотреблению является стандарт LVDS. Для типовых длин линий свя-
171
зи между устройствами для медицинской техники, космических исследований и экспериментальных установок на ускорителях, составляющих величину до 100 м, только LVDS может конкурировать с традиционными стандартами RS-422 и RS-485.
Рассмотрим преимущества LVDS над RS-422(485).
Небольшая амплитуда сигнала LVDS, а также незначительное электромагнитное влияние проводов пары друг на друга позволяют уменьшить шумы в линии.
Небольшое синфазное напряжение (среднее напряжение между двумя проводами) обычно составляет около 1,25 В, что позволяет использовать LVDS во многих СБИС с напряжением питания 2,5 В и ниже. Как уже упоминалось, напряжение между парами составляет 350 мВ, что позволяет, по сравнению с другими способами передачи сигналов, значительно снизить потребляемую мощность. Например, статическая мощность, рассеиваемая на нагрузочном резисторе LVDS, составляет всего 1,2 мВт по сравнению с 80 – 90 мВт, рассеиваемыми на нагрузочном резисторе интерфейса RS422(485).
LVDS используется в таких компьютерных шинах, как
HyperTransport, FireWire, PCI Express, Serial ATA и RapidIO. Также поддерживается в SCSI, начиная с версии Ultra–2 SCSI, для увеличения допустимых длин проводов и скоростей.
Преимущества привели к тому, что в последнее время в ведущих космических державах происходит отказ от интерфейсов типа RS-422 и RS-485 и переход на новые стандартизованные интерфейсы, из которых наиболее перспективным является стандарт SpaceWire, основные положения и свойства которого, будут рассмотрены ниже.
3.4. Стандарт SpaceWire
Рассмотрим подробнее один из наиболее перспективных, “новых” стандартов для реализации бортовых сетей и его возможности.
IEEE 1355-1995 — стандарт, определяющий семейство решений для организации высоконадежных последовательных соединений
HIC (Heterogeneous Inter-Conect) как на основе медных проводни-
ков, так и при помощи оптического волокна. Наиболее известными вариантами IEEE 1355-1995 сегодня являются поддерживаемый
172
Европейским космическим агентством стандарт ECSS-E-50-12A (SpaceWire) и вспомогательный стандарт ECSS-E-50-11 — SpaceWire/RMAP.
Стандарт SpaceWire основывается на двух коммерческих стан-
дартах: IEEE 1355-1995 и ANSI/TIA/EIA-644. Эти стандарты были объединены и адаптированы для применения в аэрокосмических системах. Стандарт SpaceWire определяет средства физического взаимодействия устройств и протоколы надежной передачи данных по высокоскоростным дуплексным каналам, отвечающим аэрокосмическим требованиям.
SpaceWire применяется не только в “космических” изделиях, но
ив авиационных, сухопутных и морских приложениях, поскольку он ориентирован на решение задачи организации информационноуправляющих систем на борту автономных аппаратов с критическими требованиями к надежности и производительности. Это сеть коммутации пакетов, реализованная как соединение “точка-точка” двумя дифференциальными парами LVDS с DS (Data-Strobe) кодированием. Реально достижимый уровень скорости передачи данных превышает 100 Мбит/с. Связь между узлами сети осуществляется через роутеры (маршрутизаторы). Сеть SpaceWire поддерживает механизм широковещательных пакетов и доставку данных за гарантированное время.
Стандарт описывает разъемы, кабели, электрические параметры
илогические протоколы, составляющие канал SpaceWire. SpaceWire определяет методы передачи данных между источником
иприемником. Формат данных стандартом SpaceWire не регламентируется. Стандарт SpaceWire включает в себя спецификации для следующих уровней: физический, сигнальный, символьный, обмена, пакетный, сетевой (транспортный уровень находится в стадии обсуждения).
173
Рис. 3.15. Кабель SpaceWire
Физический уровень описывает физическую среду передачи, механический и электрический интерфейсы. Кабель SpaceWire – это 9-проводной кабель (см. рис. 3.15), состоящий из четырех витых пар проводов (каждая витая пара представляет собой дифференцированную электрическую пару, кодирующую один сигнал) и одного заземляющего провода. Защитный экран расположен как вокруг каждой витой пары, так и вокруг самого кабеля. В качестве разъемов рекомендуются микроминиатюрные разъемы D-типа. Повышенная помехозащищенность и небольшое энергопотребление достигается за счет LVDS метода передачи электрических сигналов.
Для повышения надежности и помехоустойчивости аппаратуры приема-передачи данных на основе стандарта SpaceWire, разработчики стандарта рекомендуют следующую схему кабелей подключения “точка-точка” (рис. 3.16).
174
Рис. 3.16. Рекомендованная схема кабеля
На сигнальном уровне данные кодируются с помощью DSкодирования (см. рис. 3.17). Этот метод обладает самосинхронизацией, высокой надежностью по отношению к “скосу” и “джиттеру” сигналов, возможностью передачи данных в широком диапазоне скоростей (2 – 400 Мбит/с) без предварительной договоренности приемника и источника об используемой скорости.
Рис. 3.17. DS-кодирование
Битовый поток передается кодированием двух сигналов, сигналом данных D и сигналом строба S. Сигнал данных повторяет значение бита данных, т.е. имеет высокий потенциал для бита логической "1" и низкий потенциал для логического "0". Сигнал строба изменяет свое состояние каждый раз, когда состояние линии данных остается неизменным для следующего бита. Таким образом, в
175
DS-линке в каждом битовом интервале происходит изменение уровня сигнала в одной из двух линий, что позволяет приемнику всегда четко определять центр битового интервала для считывания значения бита данных, даже в случае приема большой последовательности бит данных, имеющих одинаковое значение. При этом обеспечивается максимальное использование пропускной способности канала, так как сигнал строба S передается с той же самой частотой, что и биты данных, в отличие от традиционных методов параллельной синхронизации, когда сигнал стробирования имеет удвоенную частоту.
Дополнительная надежность обеспечивается использованием бита проверки четности для каждого байта передаваемой информации на символьном уровне. Битовый поток состоит из символов данных и управления. Тип символа определяется в зависимости от значения флага данные/управление. Структура символа данных показана на рис. 3.18.
Рис. 3.18. Структура символа данных
Символ данных включает в себя бит контроля по четности, флаг данные/управление и восемь бит данных. Значение флага данные/управление, равное "0", указывает на то, что данный символ – символ данных. Биты данных передаются младшими разрядами вперед.
Кодирование символов управления. Управляющий символ состо-
ит из бита контроля по четности, флага данные/управление и двух бит кода управления. Значение флага данные/управление, равное 1, указывает, что данный символ – символ управления. Возможные управляющие символы показаны на рис. 3.19. Символ расширения ESC используется для создания дополнительных управляющих
176
символов – маркеров. В спецификации SpaceWire символ ESC используется исключительно для формирования NULL-маркера или маркера времени. Все другие применения этого символа считаются некорректными и рассматриваются как ошибка расширения.
NULL-маркер состоит из символа расширения ESC и следующего за ним символа управления потоком FCT. Бит контроля по четности Р в середине маркера NULL равен 0. NULL-маркер передается всегда при отсутствии передач символов данных и символов управления в канале. Это позволяет сохранить активность канала и определить ошибку рассоединения.
Рис. 3.19. Управляющие символы SpaceWire
Маркер времени состоит из символа расширения ESC и символа данных. Бит контроля по четности Р в середине маркера времени равен 1, Этот маркер используется для поддержания единого системного времени в сети.
Контроль по четности для определения ошибок передачи. Бит контроля по четности добавляется в символы данных или управления для определения ошибок передачи по каналу (рис. 3.20).
177
Рис. 3.20. Область, охватываемая битом контроля по четности
Бит контроля по четности охватывает восемь бит данных предыдущего символа данных или два бита управляющего кода предыдущего символа управления и флаг управления текущего символа, как показано на рис. 3.20. Бит Р используется для проверки нечетности, т. е. количество единичных битов в области охвата бита контроля по четности (включая сам бит Р) должно быть нечетным.
Для предотвращения переполнения буферов в узлах и маршрутизаторах сети (и как следствие этого – потери данных) необходимо управлять потоком данных по сети. Управление потоком данных в сети реализуется с помощью символов управления потоком FCT, передающихся между узлами, маршрутизаторах и разрешающих передачу данных от передатчика к приемнику. Каждый символ управления потоком указывает на то, что в буфере приемника есть место для приема восьми информационных символов. Приемник, обладающий большим свободным пространством, может послать через передатчик сразу несколько символов FCT, и каждый та кой символ будет означать для другой стороны DS-линка возможность передачи восьми информационных символов. Передатчик не может передавать информационные символы до тех пор, пока не получит хотя бы один символ FCT.
Для реализации механизма приема на каждой стороне необходимо иметь два счетчика: счетчик числа символов, разрешенных к передаче (счетчик передачи), и счетчик числа символов, для приема которых есть свободное пространство в буфере приемника (счетчик приема).
Каждый раз, когда через приемник принимается символ FCT, состояние счетчика передачи на данной стороне DS-линка должно быть увеличено на 8. При передаче одного информационного символа передатчик должен уменьшить значение своего счетчика передачи на 1, Значение этого счетчика, равное 0, указывает на то,
178
что передатчик не может больше передать ни одного информационного символа. В этом случае передатчик, чтобы не произошло рассоединение, должен продолжить передачу, передавая канальные символы (NULL или FCT). После сброса канала значение счетчика передачи должно быть равно 0, Максимальное значение счетчика передачи рекомендуется выбрать равным 56 (это состояние соответствует приему последовательности из 7 FCT-символов).
Уровень обмена обеспечивает инициализацию и перезапуск каналов, обнаружение ошибок и сбоев, управление потоком данных. Уровень пакетов определяет форматы пакетов с адресами назначения и данными для маршрутизации типа "червячный ход" (wormhole routing). Сетевой уровень описывает сеть SpaceWire и ее элементы (узлы, каналы и маршрутизаторы). В качестве методов маршрутизации SpaceWire рекомендует использование высокоскоростного метода маршрутизации типа "червячный ход" с возможной групповой адаптивной маршрутизацией, улучшающей пропускную способность сети. Червячный ход, используя так называемую "коммутацию на лету", позволяет передавать пакеты по сети с минимальными задержками, упрощает маршрутизаторы сети.
Сеть SpaceWire состоит из терминальных узлов, каналов и маршрутизаторов. Терминальные узлы передают и получают пакеты. Каналы служат для передачи пакетов между узлами и маршрутизаторами. Терминальные узлы могут либо напрямую соединяться каналами между собой, либо через маршрутизаторы (рис. 3.21).
Рис. 3.21. Типовая структура сети SpaceWire
Пакеты могут передаваться от узла к узлу через один или несколько маршрутизаторов либо напрямую от узла к узлу через прямое соединение. Существуют два типа маршрутизации: стати-
179
ческая и динамическая. Статическая маршрутизация предполагает установку постоянного соединения между двумя узлами. Динамическая маршрутизация предполагает частое изменение соединения между парами узлов, обычно для каждого пакета устанавливается свой путь (маршрутизация пакетов). Маршрутизация SpaceWire – динамическая маршрутизация, маршрутизация пакетов. Пакеты могут передаваться по сети, образуя различные виртуальные каналы в пределах одного физического канала.
Маршрутизация "червячный ход". Это особая форма маршрути-
зации пакетов, использующая метод коммутации "на лету" без промежуточной буферизации пакета. Каждый пакет имеет заголовок, содержащий адрес назначения пакета. Получив заголовок пакета, маршрутизатор определяет номер выходного порта для данного пакета (по его заголовку). Если требуемый выходной порт свободен, пакет сразу, без промежуточной буферизации, направляется в этот порт. Используемый выходной порт помечается как занятый до тех пор, пока не будет передан маркер конца передаваемого пакета. Если требуемый выходной порт занят, то входной порт пакета блокируется до тех пор, пока требуемый выходной порт не освободится. На рис. 3.22 показана передача пакета через маршрутизатор от одного терминального узла другому узлу. Заголовок пакета выделен черным цветом, остальная часть пакета – серым цветом.
Рис. 3.21. Принцип маршрутизации “червячный ход”
180