一种PON结构航空总线协议芯片的内存架构

关键词：无源光网络；光纤通道；航电总线；低功耗

在光纤协议中，ＦＣ－ＡＥ－１５５３Ｂ是基于ＭＩＬ－ＳＴＤ－１５５３Ｂ而发展起来的实时性协议，但标准航空总线协议并没有对网络的拓扑结构进行明确的约束．目前在航电总线领域对光纤网络性能的分析研究主要集中在光纤（ＦｉｂｒｅＣｈａｎｎｅｌ，ＦＣ）协议的建模，实现和组网应用等方面的研究．例如文献［１］研究了ＦＣ网络复杂混合拓扑的建模与仿真，对机载ＦＣ网络做出性能评价；文献［２］对基于无源光网络（ＰａｓｓｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋ，ＰＯＮ）结构的拓扑组网方式进行了建模分析设计；文献［３］分析比较了点对点、仲裁环和交换式三种常见光纤航电总线组网方式，对不同传输方式的优缺点进行了对比．

各种拓扑结构的实现方式，都没有对总线协议的实现方式中的内存访问架构进行分析优化．本文针对拓扑结构中性能较优的基于ＰＯＮ结构的点对点传输提出一种内存访问架构，改善了ＮＴ到ＮＴ传输模式下的ＮＣ数据转发延迟；并且采用基于硬件的内存动态访问架构，降低了系统的传输功耗．

ＰＯＮ技术正是为了支持点到多点应用发展起来的光接入技术．ＰＯＮ网络拓扑结构组网是一种下行一点到多点，上行多点到一点的网络双向传输结构，如图１所示．整个协议网络由３类节点构成：ＰＯＮ网络控制器（ＰＯＮＮｅｔｗｏｒｋＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＰＮＣ），ＰＯＮ网络终端（ＰＯＮＮｅｔｗｏｒｋＴｅｒｍｉｎａｌ，ＰＮＴ），ＰＯＮ光分配器（ＰＯＮＯｐｔｉｃａｌＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＮｏｄｅ，ＰＯＤＮ）．其中，ＰＮＣ是整个网络的控制核心，负责终端传输请求查询、总线同步、数据传输协调以及错误处理和备份传输数据的功能．ＰＮＴ是连接总线与应用设备之间的终端，用来实现应用设备与总线之间的通信功能．ＰＯＤＮ负责执行光信号的下行分配和上行收集与传输功能．ＰＯＤＮ是无源器件，故整个网络的互联传输具有非常低的功耗．网络的上下行线路分别采用不同波长的光源作为载体进行传输．由于ＰＯＮ在上下行数据传输时采用波分复用方式，因此本组网方式的上下行数据通信可以实现全双工传输．

根据航空总线协议，ＮＣ作为网络的控制端，它的次级节点可以高达２ｅｘｐ２４个，如何动态设计任务的执行流程，实现与上位机的实时交互成为设计的重点．我们采用了一种与上层软件相结合的动态共享存储分配机制，ＮＣ存储空间可以动态的分配给最近一段时间需要与它通信的ＮＴ．在通信任务结束后根据控制器的设计进行任务堆栈的切换，以实现上位机对芯片进行任务配置和芯片执行任务的无缝连接．

通过对“任务计数器”的设置反映连续执行的任务个数，最多可连续执行８０组不同任务．每组任务对应“描述栈”中的四个字，依次表示任务开始执行时芯片的相应状态、时标值，和由上位机提前配置好的多任务时间间隔以及信息块地址指针．

对任务执行配置区域采取了双缓冲机制，即栈指针、描述栈和信息块都分为“活跃区”和“非活跃区”．通过控制寄存器的不同设置选择当前“活跃区”，由芯片内部逻辑进行读写访问，同时，上位机可以通过ＰＣ接口对“非活跃区”进行配置，以便执行完当前任务后无需等待，可以立即切换到另一组任务（原来的非活跃区），这极大的提高了任务执行的效率．

共享存储机制是存储数据的空间在芯片内部逻辑和外部接口的读写访问下进行及时释放的方法．芯片内部数据存储的位置和大小由上层软件通过对命令帧的配置进行合理的规划．原始数据通过ＰＣ接口完全上传到上位机后，该部分接收缓存得到自动释放；上位机发送数据到ＮＣ，所使用的数据空间也要在数据发送完成后及时的释放．以此在保证数据安全可靠的前提下提高存储空间的整体利用率．

另外根据文献［３］的分析，ＮＴ到ＮＴ的传输模式下，点到点的组网方式中，由于数据经过ＮＣ的转发，传输延迟较长．如图３（ａ）所示．

针对上述情况进行改进，如图３（ｂ）所示．改变命令帧的发送顺序，在ＮＣ模式下，在内存中单独划分出一定的接收缓存（如３２个字）用来存储ＮＴ－ＮＴ时ＮＣ需要转发的数据，在该接收缓存半满的时ＮＣ进行数据的转发．ＮＣ转发延迟时间固定化为１６个周期，数据长度越长，提升效果越明显．

ＮＴ的内存架构设计在数据存储上与ＮＣ有一定差别．ＮＴ用来连接终端或实现桥接功能，它可以连接多个外部设备，如视频、音频、雷达或各种传感器．大多数设备需要及时传输数据到ＮＴ的存储空间，所以不同的ＮＴ，可能需要分配的存储空间方式不一样．我们使用了一种环形的循环存储管理方式，根据实际情况，在对ＮＴ进行配置的时候不同的挂接设备分配不同的存储空间．如果一个设备的存储空间存满了，更多的数据将从该空间的起始位置自动进行覆盖存储．因此，如果某个设备的数据必须实时的发送给ＮＣ，则需要进行任务配置的时候优先考虑．对于某些设备，ＮＣ只需要知道最新的信息，如一些传感器，在这种情况下，数据的覆盖不会造成任何影响．ＮＴ的内存管理如图４所示．

从图４可以看出，ＮＴ也采用了双缓冲机制，不同的是对数据块的控制使用了查找表功能，“查找表”在进行ＮＴ初始化的时候进行配置，不同的ＮＴ可以根据自身情况灵活设置，它主要根据收到的命令帧的具体内容选择接收、发送还是广播等工作模式，再根据查找表中的“子地址控制字”对各个挂接模块设置的缓存大小进行数据的循环存储．

根据ＮＣ和ＮＴ工作模式的存储器管理架构设计，对ＮＣ、ＮＴ的内存具体划分如表１所示．

本协议硬件实现采用的是ＴＳＭＣ的０．１３μｍ工艺，使用ＳＲＡＭ－ＤＰ－ＨＳ软件自动生成双端口ＲＡＭ，该软件最大可生成８Ｋ×３２的ＲＡＭ块，根据设计的内存划分，需要两个ＲＡＭ才能满足设计需求．由于芯片应用环境的特殊性，要求具备较低的功耗，而高速大批量的数据传输必然会对内部ＲＡＭ进行频繁的访问，因此，能否有效降低内部ＲＡＭ的动态功耗成为了关键．根据内存的具体存储空间的划分，ＮＣ工作模式下需要４Ｋ×３２的控制信息存储空间，ＮＴ工作模式下需要２Ｋ×３２的控制信息存储空间．利用存储器分块访问技术，对ＲＡＭ块以２Ｋ×３２的单元进行组合，采取８块２Ｋ×３２的ＲＡＭ代替２块８Ｋ×３２的ＲＡＭ．其功耗和面积对比如表２所示（其中芯片电压为１Ｖ，工作频率为１２５ＭＨｚ）．

由表２可以看，采用存储器分块访问技术后面积增加了０．７４ｍｍ２，增加了２０％，但动态功耗得到了明显降低，平均动态功耗降低了３３．３２％，在很大程度上提高了芯片的寿命和可靠性，对于航空环境的特殊情况下用面积换功耗还是值得的．

在ＸｉｌｉｎｘＶｉｒｔｅｘ５开发板上对原型代码进行验证，如图５所示．验证平台拥有丰富的外设，包括：ＳＦＰ模块、ＯＬＴ模块、ＯＮＵ模块、ＰＣＩｅ接口、以太网和６１５８０芯片等．完全满足系统的测试需求．

通过软件平台（见图６），对芯片配置需要传输的任务组数据．该软件主要的功能是按照前面提到的存储管理机制，生成数据存储器中各个板块的数据信息，包括配置信息和待传输的随机数据．

通过Ｃｈｉｐｓｃｏｐｅ采样，可以计算出端到端的传输延迟，即ＮＣ发送隔离ＦＩＦＯ输出数据到ＮＴ接收隔离ＦＩＦＯ写入数据之间的时间间隔．如图７所示．图中为命令帧的传输，在ＮＣ发送出去的时刻为６２９５．５Ｔ，ＮＴ接收到该命令帧的时刻为６３６１．５Ｔ，其中Ｔ为系统时钟１２５ＭＨｚ的周期，由此可以得到传输延迟为：ｔｄ＝（６３６１．５－６２９５．５）Ｔ＝０．５２μｓ；

对于ＮＴ－ＮＴ的传输模式，因为ＮＣ需要缓存１６个周期的数据再进行数据转发，所以延时为ｔｄｎ＝ｔｄ＋１６Ｔ＝０．６５μｓ．满足协议规定最大延迟此延时２μｓ要求．也远小于文献［３］中的数据．

由于芯片内部使用了双端口ＲＡＭ，所以上位机和芯片内部逻辑可以同时对ＲＡＭ进行访问，交互时间可以看成是“０”．根据传输数据的长度不同，通过比较传输不同传输数据长度下实际信息载荷量，得出数据净荷率随传输数据总量的变化趋势如图８所示．随着传输数据量的增加，数据净荷率趋于稳定状态，接近于９６％．

本文通过对下一代航空总线协议的内存访问架构的分析，提出了适合航空特殊环境的低功耗高效率设计．从实验结果可以看出，采取该架构的内存访问方式改善了ＰＯＮ结构网络在ＮＴ－ＮＴ传输方式的不足，降低了动态功耗，达到了设计的目的．