隨著新一代飛機(jī)的綜合化航電系統(tǒng)對(duì)通信需求的不斷提高，傳統(tǒng)的ARINC429、1553B總線的傳輸速率分別只有100Kbps和1Mbps，其帶寬已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不 論文聯(lián)盟 http://Www.LWlm.cOm能滿足系統(tǒng)通信的需求，無(wú)法為高性能數(shù)據(jù)處理提供有力的通信支撐。
FC網(wǎng)絡(luò)是一種高速串行通信技術(shù)，速率可以達(dá)到1Gbps、2Gbps，甚至到4Gbps以上，同時(shí)還具備低延遲、可靠性高、重量輕、體積小，且 應(yīng)用靈活等特點(diǎn)，是一種新型的高速通信技術(shù)。定義了FC-AE以及ARINC818等專門(mén)應(yīng)用于機(jī)載 環(huán)境的高層通信協(xié)議，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)中，使用專用控制電路，增強(qiáng)了FC通信的可靠性和確定性，可以為機(jī)載系統(tǒng)提供一個(gè)高速、高可靠性的FC通信網(wǎng)絡(luò)[1～2]。
本文首先描述FC網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信協(xié)議，然后重點(diǎn)介紹一種FC 網(wǎng)絡(luò)的配置方法，包括對(duì)節(jié)點(diǎn)機(jī)和交換機(jī)的配置，最后通過(guò)示例分析，驗(yàn)證了FC網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性。
1 FC網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介
1.1 FC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
FC網(wǎng)絡(luò)由FC交換機(jī)和FC節(jié)點(diǎn)機(jī)構(gòu)成，FC交換機(jī)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心部件，具有線速交換的功能，是連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)的交通樞紐；FC節(jié)點(diǎn)機(jī)是網(wǎng)絡(luò)中的重要部件，作為終端可以通過(guò)交換機(jī)或者直接和節(jié)點(diǎn)機(jī)通信。
1.2 FC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
FC網(wǎng)絡(luò)作為新型的高速串行通信網(wǎng)絡(luò)，采用分布式架構(gòu)，支持點(diǎn)到點(diǎn)、交換以及仲裁換三種拓?fù)溥B接方式：
1）點(diǎn)到點(diǎn)：該結(jié)構(gòu)使用一個(gè)雙向的鏈路將兩個(gè)N端口連接起來(lái)構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，是FC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最簡(jiǎn)單的一種。該結(jié)構(gòu)中兩個(gè)端口獨(dú)占發(fā)送和接收帶寬，數(shù)據(jù)傳輸延遲低，確定性好。點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)也很明顯的：支持節(jié)點(diǎn)數(shù)目太少，沒(méi)有擴(kuò)展能力，不能滿足多個(gè)設(shè)備互連通信的需要。
2）仲裁環(huán)：仲裁環(huán)是將支持仲裁環(huán)功能的FC端口即L_Port（或具備L_Port功能的FC端口）連接起來(lái)組成的一個(gè)環(huán)狀串行通信網(wǎng)絡(luò)，并為任意兩個(gè)端口提供邏輯上的雙向點(diǎn)到點(diǎn)通信鏈路。仲裁環(huán)拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組網(wǎng)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，不需要使用額外的設(shè)備就可以完成多個(gè)FC設(shè)備的互連。但是，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有可靠性較低，通信帶寬低，數(shù)據(jù)傳輸延遲大等缺點(diǎn)。
3）交換結(jié)構(gòu)：交換結(jié)構(gòu)是使用交換機(jī)將需要通信的N_Port連接起來(lái)構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)。該拓?fù)渲羞B接的設(shè)備數(shù)最多可達(dá)1500萬(wàn)個(gè)以上，而且允許多個(gè)設(shè)備在同一時(shí)刻進(jìn)行高速通信。交換結(jié)構(gòu)是FC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中功能最具優(yōu)勢(shì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是通信帶寬高、可靠性高、數(shù)據(jù)傳輸延遲小和擴(kuò)展性好。但是，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且組網(wǎng)費(fèi)用較高。其中，交換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)除了組網(wǎng)費(fèi)用高外，其它各個(gè)方面的特點(diǎn)都更為適合航空電子系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。
1.3 FC網(wǎng)絡(luò)基本通信原理
在FC網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用采用FC-AE-ASM消息進(jìn)行端到端的通信，節(jié)點(diǎn)通過(guò)消息進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的端口ID，發(fā)送消息中包含目的節(jié)點(diǎn)的端口ID，交換機(jī)在接收到消息時(shí)根據(jù)交換機(jī)轉(zhuǎn) 發(fā)表查找消息需要轉(zhuǎn)發(fā)到的目的端口，接收節(jié)點(diǎn)不需要知道消息的源端，不進(jìn)行應(yīng)答，在接收到消息后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行解析將消息數(shù)據(jù)提交給應(yīng)用。
2 FC網(wǎng)絡(luò)配置的設(shè)計(jì)
在機(jī)載FC通信網(wǎng)絡(luò)中，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一規(guī)劃部署，以便完成網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)機(jī)之間的高效、高可靠數(shù)據(jù)通信。
在FC網(wǎng)絡(luò)中包括FC交換機(jī)和節(jié)點(diǎn)機(jī)兩部分，由于在航電系統(tǒng)中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有確定性，因此配置的思路是采用各個(gè)模塊靜態(tài)配置的方式，這樣配置的好處是配置的速度快、確定性高，而且能夠避免由于某個(gè)模塊故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)整體配置失敗。網(wǎng)絡(luò)配置前要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)劃節(jié)點(diǎn)機(jī)需要連接的交換機(jī)端口和各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信流向。
2.1 交換機(jī)的配置
交換機(jī)的主要功能是數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，所以需要對(duì)每個(gè)連接節(jié)點(diǎn)機(jī)的端口配置轉(zhuǎn)發(fā)表，交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)表是用于加載到交換機(jī)中完成網(wǎng)絡(luò)路由的表，從不同端口輸入的消息，根據(jù)該消息的目的端口ID，查找轉(zhuǎn)發(fā)表的對(duì)應(yīng)信息，從而轉(zhuǎn)發(fā)到不同的端口。交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表示例如表1所示。
交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則示意如上表所示，如果消息數(shù)據(jù)從1端口進(jìn)入，并且該消息的目的端口ID為0x10001，則交換機(jī)查表將該數(shù)據(jù)從端口2轉(zhuǎn)發(fā)出去，依次類推，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。
2.2 節(jié)點(diǎn)機(jī)的配置
節(jié)點(diǎn)機(jī)的配置主要包括收發(fā)消息的配置和節(jié)點(diǎn)屬性的配置，節(jié)點(diǎn)屬性主要配置節(jié)點(diǎn)機(jī)的端口類型是ASM或者AV，還有端口ID等屬性，收發(fā)消息配置主要是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)劃配置網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)間的通信消息，節(jié)點(diǎn)間使用消息通信，消息主要通過(guò)ID標(biāo)識(shí)，消息ID使用根據(jù)協(xié)議規(guī)定其取值范圍為1～232-1；0和0xFFFFFFFF保留，不允許使用，且網(wǎng)絡(luò)中所使用的消息必須全局唯一，節(jié)點(diǎn)間通信的示意圖如下：假設(shè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，至少需配置一條消息，假設(shè)消息ID為1，該消息對(duì)于節(jié)點(diǎn)A是發(fā)送消息，對(duì)于節(jié)點(diǎn)B是接收消息，如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)需要雙向通信，則還需要一條從節(jié)點(diǎn)B到節(jié)點(diǎn)A的消息，如圖1所示，具體使用的消息數(shù)目和通信流向可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行配置。
2.3 配置表的加載
FC交換機(jī)和FC節(jié)點(diǎn)機(jī)都使用PowerPC處理器，在其上運(yùn)行程序，將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)機(jī)通信消息都配置好后，交換機(jī)的配置可以通過(guò)主機(jī)配置 管理軟件生成，通過(guò)嵌入式PowerPC的以太網(wǎng)接口給交換機(jī)加載轉(zhuǎn)發(fā)表，兩者之間的通信通過(guò)socket套接字實(shí)現(xiàn)，采用client/Server模式使用TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，其中主機(jī)程序?yàn)榭蛻舳?#xff0c;交換機(jī)端的程序?yàn)榉?wù)器端，交換機(jī)在接收到配置數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行解析，然后配置到交換機(jī)的FPGA中的寄存器，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表的配置[3]。
節(jié)點(diǎn)機(jī)的配置可以通過(guò)主機(jī)配置管理軟件生成指定結(jié)構(gòu)的配置信息，以.c文件的格式輸出，主要包括節(jié)點(diǎn)的屬性信息、發(fā)送通信表和接收通信表，發(fā)送通信表和接收通信表分別是每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)所用到的發(fā)送消息列表和接收消息列表。節(jié)點(diǎn)機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件將讀取該.c文件，并進(jìn)行解析，將配置信息寫(xiě)到節(jié)點(diǎn)機(jī)的FPGA中的寄存器，作為節(jié)點(diǎn)通信的依據(jù)。
3 示例
下面針對(duì)某綜合處理系統(tǒng)FC交換網(wǎng)絡(luò)為例，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)的配置過(guò)程。該系統(tǒng)FC網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)交換機(jī)和4個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)組成，分別連接到交換機(jī)的1，2，3，4端口，則網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配置一個(gè)簡(jiǎn)單的環(huán)形通信示例，即使用消息0x1從節(jié)點(diǎn)機(jī)1發(fā)到節(jié)點(diǎn)機(jī)2，節(jié)點(diǎn)機(jī)2收到后使用消息0x2發(fā)數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)機(jī)3，依次類推，形成1->2->3->4->1的環(huán)形通信。
根據(jù)上述方法，配置完成后，進(jìn)行了4個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信測(cè)試，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)4個(gè)小時(shí)的測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)的通信過(guò)程中未發(fā)生丟包現(xiàn)象，可以穩(wěn)定可靠的傳輸。
4 總結(jié)
本文介紹了一種FC網(wǎng)絡(luò)的配置方法，詳細(xì)介紹了節(jié)點(diǎn)機(jī)的配置、交換機(jī)的配置和配置信息的加載方法；通過(guò)示例分析，驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)的功能和可靠性。提供了一種FC網(wǎng)絡(luò)配置的思路和方法，為高性能的FC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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總結(jié)

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