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基于ARM平台的AFDX总线通讯系统

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【摘要】:
摘要:提出一种基于ARM+FPGA平台的AFDX总线通讯系统。该系统由Zynq-7K与PHY桥接电路板组成,Zynq-7K FPGA实现AFDX总线功能,PHY桥接电路实现与外接AFDX设备通讯,通过ARM软件编程实现对AFDX总线的控制,观察与外接AFDX网络设备的通讯情况,验证该AFDX总线设计是否符合要求。

基于ARM平台的AFDX总线通讯系统

龚永红 许怡冰 沈祖崮

(珠海欧比特宇航科技股份有限公司,珠海 519080)

摘要:提出一种基于ARM+FPGA平台的AFDX总线通讯系统。该系统由Zynq-7KPHY桥接电路板组成,Zynq-7K FPGA实现AFDX总线功能,PHY桥接电路实现与外接AFDX设备通讯,通过ARM软件编程实现对AFDX总线的控制,观察与外接AFDX网络设备的通讯情况,验证该AFDX总线设计是否符合要求。

关键词:Zynq-7KAFDX总线,PHYFPGA

 

Design of AFDX Bus Communication System Based on ARM

Gong YongHong Xu YiBING Shen ZuGu

(Zhuhai Orbita Aerospace Technology Co.,Ltd,Zhuhai 519080,China)

Abstract: Proposed an AFDX bus communication system based on ARM+FPGA platformThe system is composed of the Zynq-7K development board and the PHY bridge circuit boardZynq-7K FPGA implements AFDX bus functionThe PHY bridge circuit realizes the communication with the external AFDX equipmentThe AFDX bus control is realized by software programming of ARMObserve the communication with external AFDX network equipmentVerify that the AFDX bus design meets the requirements.

KeywordZynq-7K AFDX BUSPHYFPGA

 

1.    引言

 

AFDX总线是在IEEE802.3以太网基础上强化了网络通信的实时性和确定性,用于航空应用的物理连接方式。AFDX网络采用全双工访问,网络中通信节点是预先配置的,不能随机动态增加或删除。同时基于虚拟链路、带宽分配间隙和抖动等概念为每个链路安排了固定的传输带宽和最大传输时延,从源头上避免数据传输过程冲突的产生,从而使AFDX网络具有了实时性和确定性的特性。同时,通过采用双冗余网络,确保了AFDX通讯的可靠性,该总线技术已广泛应用在航空系统中。

目前,AFDX总线验证两种方法,FPGA+处理器芯片、FPGA软核。在FPGA+处理器模式下,FPGA实现AFDX功能,处理器芯片完成相关的控制功能,但两者之间的通信往往会因为带宽不足而成为系统的瓶颈。FPGA软核只适用于对处理器要求不高的场合,而且软核会占用一部分FPGA的资源。

ZYNQ7K中,FPGAARM集成在一个芯片内部,两者之间的通信使用AXI_HPAXI_GPAXI_ACP三种接口通信,带宽可达G比特,不存在二者通信带宽不足的问题。所以,设计基于ZYNQ7KAFDX总线验证系统可以解决目前验证技术中的瓶颈,对今后AFDX总线验证技术有很高的参考价值。

2.    系统总体设计

该系统由ZYNQ7KPHY桥接电路组成。ZYNQ7K由双核ARMFPGA组成,其绝大多数外设都是通过FPGA逻辑部分相连的。在ZYNQ7K中,FPGA可以作为ARM的一个从设备,受ARM处理器控制。

PHY桥接电路主要有PHY芯片和IO电路组成。IO电路负责PHY桥接电路与ZYNQ7K之间的数据通讯,PHY芯片负责验证系统与外接AFDX设备的数据通讯。

在本系统中,FPGA内部集成AFDX IP协议,AFDX模块可看作为ARM的一个外设,所以需要对ZYNQ7K内部的ARMFPGA之间的接口做一个可视化的调整和配置,通过AXI总线方式实现两者之间的资源统一。通过AMBAAXI 总线,实现AFDXSRAM的数据交换,通过AMBAAPB总线,实现AFDX的寄存器配置。其连接方式如图1所示。

1 AFDX功能结构框图

3.    软件设计

软件设计采用模块化思想,根据AFDX验证系统测试协议,验证系统软件包含多个测试子系统。系统所有软件都在Development KitSDK)下完成。本文主要讲解数据发送和数据接收验证的过程。

1)  数据发送

AFDX作为全双工网络,支持速率模式10Mbps100Mbps和自适应。本文选取100Mbps作为通讯频率。

根据协议,AFDX发送可以实现中断、网络号控制、SN控制、冗余控制、流量整形控制、采样和队列端口控制、优先级调度控制等功能。在SDK环境下,复位AFDX网络,待复位完成之后设置PHY芯片,配置链接速度,建立PHY链接。

配置AFDX发送描述符描述符1和描述符2,描述符1包含了消息的采样端口设置、子虚拟号、虚拟链路号、中断使能控制、发送长度、跳转控制和描述符使能等。需要注意的是最后一条消息的跳转控制位set_wrap必须使能。描述符2包含了数据存放的实际地址。

配置AFDX发送寄存器,设置发送端外部虚拟链路号、发送端内部虚拟链路号、发送端相应虚拟链路bag值和发送端相应虚拟链路冗余发送控制。

设置发送数据,AFDX数据协议,设置Eth_Pro协议数据、Inter_Pro协议数据和User_Pro协议数据。Eth_Pro包含了目的地地址dst_addr,源地址src_addr和协议类型type_ipInter_Pro包含了数据总total_len长度、头校验head_checksum和协议ID等。User_Pro包含了数据源端口地址src_port,目的地地址dst_port,校验checksum等。最后使能控制寄存器中发送使能开启数据发送。数据发送整体流程图如图2所示。

      2 AFDX发送数据流程图

2)  数据接收

AFDX接收数据具有中断、完整性检查和冗余控制等几个功能。其设计思路和发送一样,也是依赖于链路。设置PHY,待链路正常后设置接收描述符1和描述符2,描述符1包含中断使能控制、Wrap设定和使能位控制,和发送一样,在最后一条消息需要设置wrap为有效。接收描述符1制定了数据接收存放的地址。

       配置接收控制寄存器,设置AFDX网络Skewmax值,接收端外部虚拟链路号,接收端内部虚拟链路号、冗余管理,接收端相应虚拟链路网络接收数据功能关闭与打开,帧使能等。最后配置控制寄存器中接收位开启数据接收功能。数据接收整体流程图如图3所示。

3 AFDX接收数据流程图

3)  中断控制

AFDX作为FPGA外设模块,其中断触发方式和GPIO一致,采用上升沿方式触发,中断信号为脉冲信号,设计为中断ID61号。

调用函数XScuGic_CfgInitialize初始化中断控制器,成功返回XST_SUCCESS,该返回值属于SDK内部值。建立中断系统,将该设备添加进中断系统中,调用Connect连接中断服务程序与中断系统,最后利用函数XScuGic_SetPriorityTriggerType设置中断的触发方式,使能中断。

AFDX成功接收到消息后会产生中断脉冲给ARM,通过ARM体系的中断系统可以进入到中断服务程序,读取相关信息。在中断服务程序中,通过读取描述符1可以获取接收的数据长度,该数据长度为整个协议的数据长度,具体数据还需用过根据数据协议进行拆解。读取数据之后应清除状态寄存器,恢复无错误状态,使能接收描述符,等待下一次中断的到来。其整体程序流程图如图4所示。

4 AFDX中断接收流程图

4.    系统验证结果

外接AFDX设备采用欧比特公司自主研发的EMBC1000-PCIAFDX板卡,该板卡完全遵循AFDX标准协议,已在许多航空项目中得到应用。

       在发送数据测试中,设置AFDX IP发送一帧16条消息,虚拟号都为1A通道发送数据,观察EMBC1000-PCIAFDX收到的数据如图5所示。

 5 EMBC1000-PCIAFDX接收数据

在图5中,EMBC1000-PCIAFDX板卡成功接收到消息,每条消息的子虚拟号都为1,接收通道为B,且网络SN号为递增,说明发送端对网络SN号控制功能正常,子虚拟号控制正常。并且前16条消息BAG = 128ms,后16条消息 BAG = 64ms,说明发送端流量整形功能也正常。从以上几点可以看出,AFDX IP发送数据功能正常。

       在数据接收测试中,预先设定PCI板卡的通讯速率为100Mbps,建立一条消息,子虚拟号为1,启动发送功能,在SDK中可以看到,当有消息传递过来时,触发中断接收机制,进入到中断服务程序,打印出相应的数据,如图6所示。

  6  AFDX总线接收数据

从图6 可以看出,AFDX总线的中断功能正常。

5.    结语

从上面的实验数据及分析结果可以看出,基于ARM平台的AFDX验证系统可以充分的测试验证AFDX总线,能够直观的显示测试结果,该验证平台不仅可以验证测试AFDX IP核,也可以测试AFDX相关协议芯片,为今后的AFDX芯片测试工作也打下了基础。

6.    参考文献

[1]      OBT-AFDX终端用户手册[Z],珠海欧比特控制工程股份有限公司2014.

[2]      PCI-AFDX终端测试板卡专用软件使用说明书[Z],珠海欧比特控制工程股份有限公司 2015.

[3]      Xilinux All Programmable Zynq-7000 Soc设计指南[Z],清华大学出版社.何宾.2014

 

 

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