eng
Выпуск #1/2007
Т.Солохина, Я.Петричкович, Ю.Шейнин.
Технология SpaceWire для параллельных систем и бортовых распределенных комплексов
Технология SpaceWire для параллельных систем и бортовых распределенных комплексов
Просмотры: 5027
Во второй части статьи рассмотрим, как применяется технология SpaceWire в комплексах бортового оборудования космических аппаратов и других систем, требующих высоких характеристик коммуникационной инфраструктуры. Мы также представим отечественный комплект СБИС “Мультиборт”, разработанный компанией “Элвис” с партнерами для реализации технологии SpaceWire.
Применение технологии SpaceWire
Технология SpaceWire [1] позволяет строить высокоскоростную коммуникационную инфраструктуру для всех видов бортовых коммуникаций, таких как передача высокоскоростных цифровых сигналов между источниками/приемниками сигналов, процессорами цифровой обработки и устройствами отображения; обмен данными между вычислительными модулями параллельных вычислительных систем или распределенных вычислительных комплексов; передача команд на подсистемы комплектов бортового оборудования (КБО); сбор информации с сенсорных полей и c других первичных источников информации в КБО (для источников с низко- и среднескоростными информационными потоками); распределение меток времени в КБО, сигналов реального времени и прерываний. Широк спектр применения технологии SpaceWire и вне аэрокосмической тематики – в различных задачах, связанных со сбором и обработкой информации, управлением в комплексах с распределенной архитектурой, в системах параллельной обработки сигналов и данных и т.д.
Сеть SpaceWire способна заменить множество отдельных разнородных сетей (обычно – 3–5) на борту летательного или космического аппарата (ЛА/КА), создав единую коммуникационную инфраструктуру на базе единых технических и программных средств. Это возможно не только благодаря высоким скоростям каналов – линков SpaceWire (до 400 Мбит/с на 10 м). SpaceWire отличает и ряд важных архитектурных особенностей:
высокоскоростная коммутация пакетов с «червячной маршрутизацией» (низкие задержки, высокая пропускная способность);
гибкость и масштабируемость сети (без ограничений на топологию);
многообразие методов маршрутизации (от простого указания пути в заголовке пакета до адаптивной маршрутизации с регионально-логической адресацией);
сквозное встраивание управляющих кодов в стек протоколов (независимость прохождения кодов управления и тайм-кодов от загруженности каналов и коммутаторов данными);
малозатратность реализации SpaceWire в СБИС, компактность, низкое энергопотребление и устойчивость к помехам и сбоям.
Рис.1. Подключение источников высокоскоростных потоков данных к ВК обработки сигналов по каналам SpaceWire: а –простое подключение датчиков каналами “точка-точка”, б – подключение посредством коммутатора
Вот почему технологию SpaceWire активно применяют в разработках национальных космических агентств Европейского союза (ESA), США (NASA), Японии (JAXA) и Канады (CSA), а также в авионике ЛА различного назначения, в том числе – в их бортовых вычислительных комплексах (БВК) (табл.1). Федеральное космическое агентство РФ также приняло принципиальное решение о применении технологии SpaceWire в российской космической отрасли и об участии в деятельности международной рабочей группы по дальнейшему развитию и применению SpaceWire.
Простые решения
В аэрокосмических КБО устойчива тенденция перехода исключительно на цифровые каналы передачи сигналов и данных с пакетизацией передаваемых потоков информации. Аналоговые интерфейсы в КБО рассматриваются и стандартизуются только как средства подключения источника/приемника информации к цифровой системе локальной обработки или преобразования КБО [2]. Каналы SpaceWire можно использовать для прямого подключения датчиков – распределенных по объекту источников высокоскоростных потоков оцифрованных данных – к вычислительному комплексу (ВК) обработки сигналов (рис.1а).
Высокие скорости каналов SpaceWire открывают новые возможности для системного проектирования КБО. Во-первых, высокая пропускная способность каналов необходима для сопряжения с сенсорами, формирующими высокоскоростные информационные потоки. Посредством каналов SpaceWire датчики, распределенные по объекту, можно напрямую подключать к БВК (рис.1). При оцифровке сигналов типичными в современных бортовых системах 12- и 16-разрядными АЦП формируются информационные потоки в десятки мегабайт в секунду. Один канал SpaceWire позволяет передать информационный поток до 40 Мбайт/с (соответствует частоте дискретизации 20–25 МГц) на расстояния до десятка метров. Если этих скоростей недостаточно, можно использовать так называемые “толстые линки” – линии связи из n параллельных каналов SpaceWire, позволяющие повысить пропускную способность в n раз.
Рис. 2. SpaceWire в структуре КБО космического аппарата Mercury Planetary Observer (MPO)
Помимо пропускной способности надо помнить и о задержках распространения сигнала (latency). Например, сенсор с двумя 16-разрядными АЦП с частотой дискретизации 100 кГц формирует информационный поток 0,4 Мбайт/с. Чтобы доставить его к системе обработки информации, нужен канал с пропускной способностью не ниже 4 Мбит/с (с учетом кодирования символов данных). Задержка доставки пары отсчетов (16 + 16 бит) составит 10 мкс. Более скоростной канал (например, 200 Мбит/с) с избыточной пропускной способностью позволит снизить задержку доставки комплексного отсчета всего до 200 нс. На его обработку до формирования следующего отсчета остается 9,8 мкс. Учитывая низкие затраты на реализацию канала SpaceWire, это может быть весьма привлекательным решением.
Такая простая схема, используя каналы SpaceWire, дуплексные по своей природе, позволяет не только доставлять к центральному вычислительному ресурсу множественные потоки информации, но и по тем же каналам (и кабелям) управлять работой датчиков – настраивать режимы и параметры функционирования, запускать тестирование и диагностику и т.п. (см. рис.1). С помощью механизмов распространения кодов времени SpaceWire можно синхронизировать работу датчиков в реальном масштабе времени с точностью до долей микросекунд – синхронизировать их таймеры, синхронно снимать информацию по единому сигналу управления и т.п.
Рис. 3. Простая схема коммутируемого сопряжения БВК с экранами отображения видеоинформации
Коммутаторы SpaceWire позволяют распределять и реконфигуририровать информационные потоки между датчиками и несколькими потребителями, например между несколькими подсистемами обработки сигналов разного функционального назначения (рис. 1б). Если датчиков много, но информационные потоки от них невелики, коммутатор может играть и роль концентратора, мультиплексируя пакеты от датчиков в своем высокоскоростном выходном канале посредством механизмов маршрутизирующей коммутации пакетов SpaceWire. Направления коммутации можно задавать различными способами – от автоматической загрузки таблиц маршрутизации из конфигурационной флэш-памяти или ПЗУ при пуске системы до их оперативной программной настройки со стороны ВК, причем по тем же самым каналам SpaceWire.
Рис. 4. Модульные системы обработки данных полезной нагрузки с коммуникационной средой SpaceWire
Отметим, что уже в структуре с одним коммутатором расстояния между датчиками и БВК могут составлять до 20 м на максимальной скорости. В структурах с развитой топологией сети связи на нескольких коммутаторах между терминальными узлами распределенного КБО (например, между датчиками и БВК) легко достижимы расстояния и в 30–50 м. Этого достаточно не только для большинства космических, но и летательных аппаратов [3]. Кроме того, при снижении скорости передачи эти расстояния могут быть увеличены в несколько раз [1]: например, при скорости 100 Мбит/с – в 2–3 раза.
Пример комбинированной схемы сопряжения сенсоров с ВК на рис.1 – архитектура бортовой системы космического аппарата MPO (Mercury Planetary Observer) ESA для международного проекта Bepi-Colombo по исследованию Меркурия (рис.2). Скоростные потоки данных от научных приборов к компьютеру обработки данных полезной нагрузки передаются по прямым каналам SpaceWire, а каналы от менее скоростных источников мультиплексируются коммутатором SpaceWire.
Рис. 5. Распределенная архитектура управления массовой памятью GAMMA
Другой типичный пример работы в КБО с высокоскоростными информационными потоками – программно-управляемое распределение информационных потоков и изображений, формируемых БВК, на множество экранов отображения информации (рис.3). Высокоскоростная «червячная маршрутизация», обеспечивая малые задержки и не требуя буферизации проходящего через коммутатор пакета, позволяет передавать кадр изображения любого размера целиком, не нарезая его на пакеты. С помощью программно-настраиваемой таблицы маршрутизации можно оперативно реконфигурировать информационные потоки и направлять на мониторы нужную в данный момент информацию. Дуплексные линки позволяют по тем же каналам передавать информацию и в обратную сторону – например, запросы от операторов о видах отображаемой информации.
Программируемая коммутационная среда
В составе перспективных КБО становится все больше датчиков и исполнительных устройств (в том числе высокореактивных), а в перспективных системах – массово-параллельных исполнительных полей. Все они формируют или используют высокоскоростные цифровые информационные потоки. Характерные примеры – встраиваемые в бортовые РЛС системы передачи данных между космическими аппаратами и наземными пунктами; системы отображения видеоинформации на многопиксельных индикаторных панелях; системы формирования синтезированных изображений обстановки по информации от инфракрасных датчиков и др. Так, в технологиях типа “интеллектуальная поверхность” в конструкции несущей поверхности планера ЛА используются МЭМС с массово-параллельным управлением, позволяющие управлять аэродинамическими характеристиками ЛА без традиционных средств механизации крыла с шарнирными приводами (это технология разрабатывается в рамках проекта Smart Wing агентств DARPA и NASA).
Для работы с большим числом высокоскоростных цифровых сигналов (ВЦС) наиболее эффективны распределенные КБО с немагистральными архитектурами. В качестве коммуникационной инфраструктуры используются каналы «точка-точка», программируемые многоканальные коммутаторы, а также преобразователи параллельных каналов в высокоскоростные последовательные. Технология SpaceWire позволяет строить широкий спектр масштабируемых модульных сетевых структур из маршрутизирующих коммутаторов и высокоскоростных последовательных каналов (линков SpaceWire), формируя программируемую коммутационную среду (ПКС).
ПКС на основе высокоскоростных последовательных каналов и коммутаторов SpaceWire обеспечивает:
трансформацию потоков сигналов с многоразрядных параллельных АЦП информационных датчиков в пакеты, которые передаются по высокоскоростным последовательным каналам;
возможность располагать датчики на любом удалении от процессоров обработки сигналов (в разумных для борта пределах), что упрощает размещение КБО на борту КА/ЛА;
сокращение числа физических линий передачи, а следовательно – снижение массы и стоимости кабелей (на практике – 20–30 линий вместо нескольких сотен);
программную реконфигурацию информационных связей между системами КБО в зависимости от текущей задачи или технического состояния оборудования (распределение потоков сигналов от датчиков к устройствам обработки, коммутацию высокоскоростных цифровых информационных потоков и т.д.).
Рис.7. СБИС сигнального контроллера МС-24R
Стандартизованные протоколы, масштабируемые структуры коммуникационных сетей на маршрутизирующих коммутаторах, высокие скоростные характеристики делают SpaceWire перспективной для унифицированных модульных архитектурных решений КБО КА. Компания EADS Astrium предложила Общую архитектуру модульных систем обработки данных полезной нагрузки КА (Payload data processing generic architectures) как концептуальную основу проектирования КБО перспективных КА (рис.4). Данные с сенсоров после первичной обработки передаются по каналам SpaceWire через маршрутизирующий коммутатор в центральный вычислитель КБО. Маршрутизирующие коммутаторы SpaceWire организуют доставку данных на блоки обработки, в массовую память, в тракты передачи результатов обработки на Землю. Они же сопрягают подсистемы полезной нагрузки со служебными подсистемами КБО космического аппарата.
SpaceWire активно внедряется в распределенные архитектуры КБО и как унифицированная коммуникационная между датчиками и подсистемами массовой памяти, в частности – в распределенной архитектуре доступа к памяти GAMMA (Generic Architecture for Mass Memory Access), разработанной EADS Astrium (рис.5). В GAMMA каждый модуль твердотельной массовой памяти SSMM (Solid State Mass Memory) снабжен двумя линками SpaceWire. Для объединения модулей SSMM в распределенную структуру и организации доступа к ним используются масштабируемые структуры на маршрутизирующих коммутаторах SpaceWire. Это позволяет распараллеливать доступ к массовой памяти, оптимизировать производительность подсистемы памяти, улучшить ее администрирование бортовыми подсистемами, упростить реконфигурируемость подсистемы массовой памяти, прозрачную для прикладных подсистем КБО. Аналогичный подход применен компанией Alcatel Alenia Space в КБО спутника EarthCare.
ПКС на основе SpaceWire может сопрягаться с низкоскоростными каналами КБО CAN, SPI, MIL-STD-1553B (ГОСТ 26765.52-87), STANAG 3910 (ГОСТ Р50832-95). Для этого используются узлы-шлюзы, которые упаковывают сообщения этих каналов в пакеты SpaceWire. Данный подход, в частности, обеспечивает преемственность архитектуры – возможность поэтапного, эволюционного перехода к КБО нового поколения и обратную совместимость с эксплуатируемым сейчас оборудованием.
Высокая пропускная способность каналов SpaceWire позволяет мультиплексировать сообщения практически от любого числа низкоскоростных каналов. С другой стороны, простота аппаратной реализации делает сеть SpaceWire достаточно дешевой для того, чтобы строить на ее основе средне- и низкоскоростные системы сбора информации и управления. Избыточные скорости (свыше 2 Мбит/с) канала SpaceWire – до 400–600 Мбит/с – практически не повышают стоимость аппаратуры сети по сравнению со старыми низкоскоростными стандартами.
Рис.8. Периферийный контроллер МСТ- 01
Широкий выбор структур ПКС на основе SpaceWire позволяет строить конфигурации распределенных КБО, оптимизированные под специфику оборудования полезной нагрузки КА, под характеристики информационных потоков и выбранных схем их обработки в КБО КА. Компания EDAS Astrium Satellites в проекте спутника GAIA для астрономических исследований использовала специализированную структуру ПКС SpaceWire для массовой доставки оптических данных на блоки видеопроцессоров, а с них – на процессоры обработки данных полезной нагрузки. Эта ПКС также сопрягает ЭВМ полезной нагрузки с центральным блоком мониторинга и распределения информации сервисного модуля КА (рис.6).
Рис.9. Многоканальный адаптер пакетной передачи данных 1892XД1Я (MCB-01)
Технология SpaceWire эффективна не только в распределенных ВК и КБО [2], но и в параллельных системах обработки сигналов [3, 4]. Например, в современном стандарте конструктивного исполнения модульных масштабируемых параллельных вычислительных структур с обменом сообщениями ATCA [5] и MicroTCA можно на основе SpaceWire строить модульные вычислительные системы обработки сигналов с масштабируемой производительностью, вплоть до 1012 Flops.
Отечественная элементная база для SpaceWire
Элементная компонентная база (ЭКБ) для реализации SpaceWire разработана рядом фирм, ориентирующихся на рынок аэрокосмической техники. В Европе основные разработчики – Европейское отделение компании Atmel, EADS Astrium, Alcatel (Alcatel Alenia Space), Saab (Saab Ericsson Space) и Austrian Aerospace. В США ЭКБ для SpaceWire создают фирмы Aeroflex, BAE Systems, Lockheed Martin.
В России ЭКБ для SpaceWire разработана компанией ГУП НПЦ «ЭЛВИС» (Зеленоград) и ее партнерами, прежде всего – ЗАО НПЦ “Микропроцессорные технологии (МиТ)” (Санкт-Петербург), при участии дизайн-центров ЗАО ЦП “Ангстрем-СБИС” и ЗАО “Ангстрем-М” [1–4, 7–12.]. Уже разработан первый отечественный комплект микросхем SpaceWire [9–12] для аэрокосмических применений “Мультиборт” (MCFlight) (табл.2), который можно эффективно использовать и для других встраиваемых систем. Разработка выполнена на базе IP-ядерной аппаратно-программной платформы “Мультикор” [13].
Комплект включает две процессорные СБИС “Мультикор” - спецстойкий двухъядерный процессор обработки сигналов МС-24R и периферийный контроллер МСТ-01 со встроенными SpaceWire-контроллерами. Кроме того, в состав комплекта вошли СБИС сопряжения с сетью SpaceWire – многоканальный коммутатор пакетной передачи данных 1892ХД2Я (МСК‑01) и многоканальный адаптер пакетной передачи данных (мост) 1892ХД1Я (MCB-01). В “Мультиборт” включена и СБИС спецстойкого СОЗУ емкостью 4 Mбит. Напряжение питания микросхем – 3,3/2,5 В (периферия/ядро). СБИС комплекта спроектированы как ASIC КМОП СБИС по технологическим нормам 0,25-мкм, с пятью слоями металлизации. Учитывая специфику применения, ряд СБИС обладают повышенной радиационной стойкостью (к одиночным сбоям при потоках тяжелых ионов и по накопленной дозе). Она обеспечена архитектурными решениями (коды Хэмминга), методами “Rad Hard By Design”, а также применением при проектировании специализированных спецстойких библиотек. Тестовые образцы микросхем изготовлены на зарубежной фабрике во второй половине 2006 года и сейчас проходят заключительное тестирование.
СБИС MC-24R (рис.7) – модификация серийного сигнального процессора МС-24 (1892ВМ2Я) серии “Мультикор”, оснащенного двумя контроллерами SpaceWire. Они обеспечивают обмен данными по дуплексным каналам SpaceWire (2 канала) со скоростью 2–400 Мбит/c в канале (в каждую сторону). MC-24R может подключаться непосредственно к коммутатору SpaceWire 1892ХД2Я (МСK-01) или напрямую сопрягаться с любыми другими микросхемами с каналами SpaceWire.
Периферийный контроллер МСТ-01 (рис.8) разработан совместно с ФГУП “МНИИ “АГАТ” (г. Жуковский). Это – RISC-микроконтроллер (MIPS32-совместимой архитектуры со встроенным 64-битным аккумулятором с плавающей точкой), оснащенный двумя SpaceWire-контроллерами, что позволяет напрямую сопрягать его с сетью SpaceWire. Первые тестовые образцы МСТ-01 уже верифицированы с зарубежной реализацией стандарта SpaceWire. В состав СБИС могут войти АЦП/ЦАП (9–13бит; 1 МГц), но эта опциональная возможность уточнится после завершения тестирования СБИС.
Многоканальный адаптер (контроллер) пакетной передачи данных MCB-01 (MultiCore Bridge) (рис.9) предназначен для сопряжения со средой SpaceWire устройств без встроенных контроллеров SpaceWire. Он обеспечивает сопряжение с линками SpaceWire (4 канала) через универсальный параллельный интерфейс c протоколом асинхронной статической памяти (типа MPORT сигнальных микроконтроллеров семейства “Мультикор”), а также через шину PCI (в режиме Slave для MCB-01). Интерфейс PCI поддерживает как 64-, так и 32-разрядный режим при частоте 33 или 66 МГц. СБИС также содержит двухпортовое статическое ОЗУ (DPRAM) объемом 2 Мбита, доступное для программ пользователей.
Многоканальный коммутатор пакетной передачи данных МСК-01 – это однокристальный 16-канальный маршрутизирующий коммутатор пакетной передачи данных по дуплексным последовательным высокоскоростным каналам в соответствии со стандартом SpaceWire (рис.10). MCK-01 на аппаратном уровне реализует маршрутизацию типа «червячный ход» со всеми методами адресации, предусмотренными стандартом SpaceWire. СБИС обеспечивает коммутацию пакетов «на лету» между 16 каналами. Приемник МСК-01 в каждом из каналов автоматически адаптируется к скорости передатчика. На физическом уровне поддержан протокол LVDS (стандарт ANSI/TIA/EIA-644). MCK-01 позволяет строить коммуникационные сети диаметром от 20 м (с одним коммутатором) до 100 м и более (распределенные коммуникационные структуры с MCK-01 в качестве сетевых узлов).
Рис.10. Маршрутизирующий коммутатор пакетной передачи данных 1892ХД2Я (МСК- 01)
Конфигурационный порт MCK-01 реализован на базе встроенного процессора, позволяющего организовать детальную обработку ошибочных ситуаций, динамический подбор скоростей передачи, мониторинг и администрирование работы МСК-01 и коммуникационных сетей на их основе. Встроенный процессор также допускает прямое подключение к МСК-01 внешней памяти (к примеру, SDRAM) гигабайтной емкости. MCK-01 функционирует и под управлением внешнего процессора, подключенного через параллельный 32-разрядный порт памяти (MBA). В этом случае действия внутреннего и внешнего процессоров согласуются программно, посредством внутренней памяти (ОЗУ пакетов конфигурационного порта), а также регистров состояния коммутатора. Каждый из процессоров может выполнять функции терминального узла сети SpaceWire.
Большинство СБИС для аэрокосмических применений предполагается серийно выпускать в радиационно стойком исполнении. Кроме того, комплект “Мультиборт” планируется расширить многоканальным цифровым или цифро-аналоговым приемником, также со встроенным SpaceWire-контроллером. Прототип такой микросхемы (без дополнительной радиационной стойкости и встроенного SpW-контроллера) уже реализован в виде одной из СБИС серии “Мультифлекс” - 1288ХК1T(МF01) [10, 13, 18].
Табл.2. Комплект “Мультиборт” для бортовых встраиваемых распределенных систем с унифицированными внутренними коммуникациями на базе стандарта SpaceWire
СБИС Параметры
МС- 24R Сигнальный контроллер для аэрокосмических применений*:
2 канала SpaceWire, стандарт ECSS-E-50-12A;
скорость передачи – 2–400 Мбит/c до 10 м**;
встроенные LVDS-приемопередатчики ANSI/TIA/EIA-644;
двухъядерная MIMD-архитектура c процессорными ядрами:
RISC-ядро (MIPS32-64FP из IP-библиотеки “Мультикор”) с 64-разрядным акселератором в стандарте плавающей точки IEEE754;
DSP-ядро ELcore18;
пиковая производительность – 600 MFlops;
режимы управления энергопотреблением;
спецстойкость для аэрокосмических применений;
защита внутренней и внешней памяти кодом Хэмминга;
корпус – HSBGA416, 35×35 мм;
МСТ- 01 Периферийный контроллер:
2 канала SpaceWire, стандарт ECSS-E-50-12A;
скорость передачи – 2–400 Мбит/c до 10 м**;
встроенные LVDS-приемопередатчики ANSI/TIA/EIA-644;
RISC–ядро (MIPS32-64FP из IP –библиотеки “Мультикор”) с 64-разрядным акселератором в стандарте плавающей точки IEEE754;
пиковая производительность – 120 MOPs в 32-разрядном формате с фиксированной точкой;
опция – встроенные 4-канальные АЦП и ЦАП, 1МГц
корпус – QFP240, 34,6×34,6 мм
1892ХД1Я
(МСВ- 01) Многоканальный адаптер пакетной передачи данных*:
4 канала SpaceWire ECSS-E-50-12A;
скорость передачи – 2–400Мбит/c до 10 м**;
встроенные LVDS-приемопередатчики ANSI/TIA/EIA-644(LVDS);
интерфейс PCI Local Bus Specification. Rev. 2.2.;
32-разрядный параллельный порт для подключения к сигнальным контроллерам серии “Мультикор”;
встроенное ОЗУ 2 Мбит (64K × 32)
корпус – HSBGA416, 35×35 мм;
1892ХД2Я (МСК-01) Многоканальный коммутатор пакетной передачи данных*:
16 каналов SpaceWire (полный стек протоколов ECSS-E-50-12A);
скорость передачи – 2–400 Мбит/c до 10м**;
встроенные LVDS-приемопередатчики ANSI/TIA/EIA-644;
встроенное MIPS32-совместимое RISC-ядро;
32-разрядный параллельный порт, аналогичный МСВ-01;
встроенные ОЗУ (25 Кбайт): память программ и данных RISC-ядра (16 Кбайт), память пакетов (8 Кбайт), таблица маршрутизации (1 Кбайт);
спецстойкость для аэрокосмических применений;
корпус – HSBGA416
RAM – R Статическое ОЗУ для аэрокосмических применений;
4 Мбит (512K × 8); время выборки – 15 нс;
совместная работа с ИС серии “Мультикор”;
корпус – HSBGA416 (для первых тестовых образцов)
* На кабелях и разъемах, соответствующих стандарту.
** Предварительно. Первые тестовые образцы получены и измеряются.
Типичные системные конфигурации на базе СБИС “Мультиборт”
Рассмотрим несколько примеров построения систем на основе СБИС из комплекта “Мультиборт”.
Типовая двукратно резервированная бортовая система ввода и обработки (рис.11). Входные сигналы от N источников с различной скоростью (от 2 до 400 Мбит/c) поступают по каналам, построенным с помощью периферийного контроллера МСТ-01. В этих СБИС возможна первичная обработка информации под управлением программы, хранящейся в небольшом ПЗУ. Данные могут буферизоваться либо в ЗУ большой емкости, либо в локальной памяти бортового компьютера (БЦВМ). Последний также может быть построен на базе СБИС МС-24P и RAM-R.
Рис.11. Система ввода и обработки сигналов и изображений на борту КА на базе комплекта “Мультиборт”
После буферизации и/или обработки высокоскоростной поток информации направляется в линию радиопередатчика с основным и резервным каналом. Входящий в состав передатчика контроллер МС-24P реализует необходимые алгоритмы сжатия и криптозащиты данных.
Рис.12. Бортовая распределенная система сбора и обработки информации от периферийных датчиков на базе комплекта “Мультиборт”
Описанная система служит для решения широкого диапазона задач – от передачи разнородного потока коротких пакетов с использованием технологии виртуальных каналов до трансляции непрерывного однородного потока данных.
Бортовая распределенная система сбора и обработки информации от периферийных датчиков (рис.12). Датчики могут быть удалены на десятки метров от основной системы обработки. Они подключаются – через АЦП или напрямую – к расположенным рядом с ними СБИС периферийного контроллера 1892ВД1Я (МСТ-01). Контроллеры МСТ-01 производят первичную обработку информации благодаря встроенному RISC-ядру.
МСТ-01 передает данные в базовую бортовую систему обработки (или выводит на шину PCI) через 16-канальные коммутаторы МСК-01 и/или через многоканальный адаптер с пакетной передачей данных MCB-01. При этом допустимая длина кабелей – 10 м (или более со специальными повторителями). Система обработки может строиться на основе DSP-контроллеров 1892ВМ4Я, также обеспечивающих интерфейс с шиной PCI. СБИС МСВ-01 служит для сопряжения SpaceWire-линков и DSP-контроллеров ряда “Мультикор” без SpaceWire-портов.
Рис.13. Приемный тракт адаптивной ФАР на базе комплекта “Мультиборт”
Приемный тракт адаптивной фазированной антенной решетки (ФАР) – типичный пример высокопроизводительной DSP-системы (рис.13). Радиоприемное устройство каждого узла ФАР состоит из аналоговой части (радиочастотного модуля, РЧМ) и цифрового преобразователя частоты (ЦПЧ), необходимого для переноса сигналов из полосы рабочих частот в основную полосу обработки (Base Band). ЦПЧ строится по принципу цифрового программируемого радио (Software Defined Radio, SDR), что позволяет работать в многостандартном режиме.
ЦПЧ может быть выполнен на базе четырехканального SDR-приемника 1288ХК1Т (МF01) серии “Мультифлекс” (“ЭЛВИС”) [10, 18], на входы которого поступает оцифрованный входным АЦП аналоговый сигнал. СБИС МF01 инициализируется и настраивается с помощью периферийного контроллера МСТ‑01. Остальные элементы системы ФАР можно реализовать программно в БВК на основе DSP-контроллеров “Мультикор” и пакетов специального прикладного ПО НПЦ “ЭЛВИС” [19]. Причем БВК можно располагать в десятках метров от ЦПЧ посредством линков SpaceWire и коммутаторов МСК-01.
Высокопроизводительные системы параллельной обработки сигналов могут строиться на основе DSP-контроллеров семейства «Мультикор» [9–17, 20] (производительностью до 1,5 GFlops). Возможности этих контроллеров расширяют СБИС многоканального адаптера МСВ-01. Пара таких микросхем (DSP-процессор и SpaceWire-адаптер) образуют вычислительный узел параллельной системы – процессорный элемент (PE) с четырьмя SpaceWire-линками. На базе четырех PE, объединенных через коммутатор МСК-01, можно сформировать модуль обработки сигналов (МОС) с пиковой производительностью около 6 GFlops (рис.14). Каждый из четырех МОС обеспечивает до четырех внешних линков. Через факультативные внешние каналы SpaceWire к МОС напрямую подключаются источники/приемники высокоскоростных потоков цифровых сигналов.
Рис.14. Четырехпроцессорный модуль обработки сигналов (МОС) на базе микросхем комплекта “Мультиборт” и DSP-контроллеров “Мультикор”
МОС позволяет создавать масштабируемые параллельные системы обработки сигналов. Так, в одной корзине конструктива ATCA из плат МОС можно создать вычислительный кластер первого уровня C561 (рис.15), содержащий 56 процессорных модулей [2–6]. Коммутационная фабрика в C561 включает 16 коммутаторов MCK-01. Два коммутатора в слотах 1 и 2 связаны между собой дополнительным каналом, что дает повышенную отказоустойчивость, и сохраняет два альтернативных маршрута между любой парой МОС при однократном отказе линка.
Рис.15. Структура кластера первого уровня C561 в конструктивном исполнении ATCA на базе СБИС “Мультикор” и коммутаторов SpaceWire
В другом примере параллельной системы коммуникационная инфраструктура строится как сеть из коммутаторов SpaceWire с многополосными связями между ними. Такая сеть обеспечивает максимальную пропускную способность между любыми парами PE (рис.16) [7, 8].
Унифицированная бортовая система малого спутника для дистанционного зондирования Земли (рис.17) также реализуема базе комплекта “Мультиборт” с помощью технологии SpaceWire. Система решает такие задачи, как:
ввод сигналов и изображений с помощью ФАР или от датчиков, их обработку в БЦВМ (включая синтез и сжатие радиолокационного изображения и даже первичную обработку изображения с целью ее распознавания на борту КА);
передача изображения в радиолинию;
объединение всех устройств, формирующих информационные потоки в системе.
По предварительным оценкам, такая бортовая система на базе комплекта “Мультиборт” и четырех СБИС МС-24P может обеспечить режим непрерывной съемки (с одним угломестным лучом) с шириной полосы 100 километров, линейным разрешением 30 м, шагом координатной сетки радиолокационного изображения 20 м и 5 некогерентными накоплениями.
Рис.16. Параллельная система обработки сигналов с повышенной пропускной способностью обменов между любыми парами абонентов
Унифицированная коммуникационная система на SpaceWire в КБО спутника позволяет существенно сократить массогабаритные характеристики, заменив собой несколько различных сетей (для передачи потоков данных, управления, системы единого времени и т.п.).
Реализация технологии SpaceWire в ПЛИС
Для реализации технологии SpaceWire кроме специальных СБИС используют и программируемые логические ИС (ПЛИС), как правило – типа FPGA. Такая практика экономически оправдана при ограниченных тиражах изделий. Поскольку все СБИС комплекта “Мультиборт” проектировались по технологии “система на кристалле”, IP-блоки сопряжения с каналами SpaceWire легко включать в состав многих узлов на FPGA. Этому способствует компактность и экономичность аппаратуры SpaceWire. Специалистами НПЦ МиТ и “ЭЛВИС” разработан ряд IP-блоков, оптимизированных для реализации SpaceWire в FPGA фирмы Xilinx семейств Virtex2, Spartan 3, Virtex4. Рассмотрим два таких IP-блока.
Рис.18. IP-блок SpWCell2
IP-блок SpWCell2 (рис.18) реализует полнофункциональный контроллер канала SpaceWire, включая DS-кодирование, кодирование символов, управление соединением, управление потоком, обработку ошибок, обработку тайм-кодов и кодов распределенных прерываний. Он имеет простой интерфейс для приема и передачи байтовых потоков данных, сопровождающихся локальной синхронизацией, и управляющих сигналов (например, конец посылки). Такой интерфейс позволяет легко подключать SpWCell2 к буферам FIFO или к потоковым источникам/приемникам данных, например к АЦП/ЦАП. SpWCell2 – полностью синхронный блок, все интерфейсные сигналы фиксируются по восходящему фронту. Для управления потоком SpWCell2 оснащен программируемой схемой кредитования в зависимости от размеров приемного буфера (внешнего для SpWCell2) в 16, 32, 64 и 128 слов. Сложность блока SpWCell2 при реализации в FPGA – 550 LUT.
IP-блок SWIC2 сетевого контроллера SpaceWire предназначен для передачи/приема данных с шины AMBA AHB в высокоскоростной последовательный канал по стандарту SpaceWire. Он включает IP-блок SpWCell2, дополненный буферами FIFO, интерфейсами Master/Slave шины AMBA AHB и четырьмя каналами DMA (рис.19). Размеры всех внутренних FIFO для данных параметризированы для синтеза (8, 16, 32, 64 и 128 слов). Сетевой контроллер SWIC2 принимает и отсылает данные в виде пакетов, а также временно хранит их во внутренних FIFO. Пакеты извлекаются/помещаются из буферов FIFO в память по шине AMBA AHB в режиме прямого доступа, на основе дескрипторов пакетов. Автомат интеллектуального блока управления обрабатывает цепочки дескрипторов в автоматическом режиме высокоскоростного дуплексного обмена пакетами, без вмешательства ЦП и на максимальной скорости работы канала и шины. По событиям канала SpaceWire (установки связи, разрыв связи, прием метки времени, распределенного прерывания) вырабатываются сигналы прерываний. Для тестирования блока и каналов подключения реализован режим LoopBack (три уровня). Сложность блока SWIC2 при реализации в FPGA – 3000 LUT.
Оба описанных IP-блока обеспечивают работу на скоростях до 400 Мбит/с по каналу SpaceWire. Частоты на шине AMBA AHB (SWIC2) и со стороны параллельного интерфейса (SpWCell2) для всех указанных семейств FPGA – до 100 МГц. Virtex4 позволяет увеличить частоты на 20%.
Рис.20. Вычислительный модуль с каналами SpaceWire PCI104 SpaceWire MC-24EM Kit
На основе IP-блоков SpWCell2 и SWIC2 на FPGA Xilinx реализован ряд проектов с поддержкой SpaceWire. Например, мост МСВ-01.FPGA – сокращенный, но программно совместимый аналог СБИС МСВ-01 (без шины PCI и с уменьшенным объемом внутренней памяти). Маршрутизирующий шестиканальный коммутатор МСК-01.FPGA – аналог СБИС 1892ХД2Я (6 каналов вместо 16, нет встроенного RISC-ядра и памяти команд).
МСВ-01.FPGA и DSP-процессор 1892ВМ2Т применены в одноплатном высокопроизводительном вычислительном модуле SpaceWire MC-24EM Kit (НПЦ “МиТ”). Модуль выполнен в конструктиве PC/104 (рис.20, табл.3). Он предназначен для прототипирования бортовых и наземных распределенных и параллельных систем обработки и управления с технологией высокоскоростных коммуникаций SpaceWire.
Таблица 3. Основные характеристики PCI104 SpaceWire MC-24EM Kit:
Число каналов SpaceWire 4–6
Скорость дуплексных каналов SpaceWire
(настраивается программно) в каждом
направлении, Мбитс/с 2–400
Процессор 1892ВМ2Я (МC-24)
Производительность, MFlops до 600
Объем ОЗУ (SDRAM), Мбайт 32
Объем Flash, Мбайт 16–64
Другие интерфейсы RS-232, EJTAG
Питание, В 5
Потребляемая мощность, Вт < 10
Если сменить прошивку FPGA на МСК01.FPGA, модуль SpaceWire MC-24EM Kit можно использовать в качестве шестиканального маршрутизирующего коммутатора SpaceWire с развитыми функциями администрирования и управления сетью.
Для верификации реализации стандарта ECSS-E-50-12 на кремнии была собрана система из трех модулей (рис.21): отладочный модуль на базе СБИС периферийного контроллера МСТ-01; модуль SpaceWire MC-24EM Kit на базе МСВ-01.FPGA и модуль коммутатора SpaceWire USB Brick (Star-Dundee, Великобритания). SpaceWire USB Brick работает по каналу SpaceWire со скоростями до 200 Мбит/с. Эксперименты и измерения в различных конфигурациях связей подтвердили совместимость отечественных реализаций SpaceWire с Европейской реализацией.
Таким образом, применение технологии SpaceWire создает условия для выхода России на мировой рынок аппаратуры КА. Впервые за многие годы наша страна может стать экспортером ЭКБ космического применения и устройств на их основе для стран СНГ, ЕС, Бразилии, Японии и других государств Юго-Восточной Азии.
Рис.21. Верификация отечественной реализации стандарта ECSS-E-50-12А
На основе стандарта SpaceWire, воплощенного в отечественных СБИС, можно унифицировать системы бортового оборудования и в российской космической промышленности, что даст значительный экономический эффект и обеспечит переход к перспективным интегрированным КБО с открытой архитектурой.
В работе над проектом также принимали большое участие сотрудники ГУП НПЦ “ЭЛВИС”: А.В.Глушков, И.Н.Алексеев, Ю.Н.Александров, А.А.Беляев, Ю.И.Грибов, В.Ф.Никольский, В.А.Силин, А.А.Крымов, Ю.В.Миронова, П.А.Рыжов; ЗАО НПЦ “МиТ”: П.Л. Волков, С.В. Горбачев, Д.А. Рождественский, Е.А. Суворова, Ф.В. Шутенко, Е.Н. Яблоков; компании “АНГСТРЕМ-СБИС” (Ю.М. Герасимов) и “АНГСТРЕМ-М” (И.В. Заболотнов).
Литература
1. Шейнин Ю., Солохина Т., Петричкович Я. Технология SpaceWire для параллельных систем и бортовых распределенных комплексов. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2006, № 5, с.64–75.
2. Proposal for Analogue Interfaces Standardisation in Avionics. Avionic Systems Standardisation Committee (ASSC). July 2001, Doc. No ASSC/110/5/1.
3. Турчак А.А., Чернышев Е.Э., Михайлуца К.Т., Шейнин Ю.Е. Архитектура вычислительных систем для интегрированной модульной авионики перспективных летательных аппаратов. – Радиосистемы, 2002, №2 (вып. 65), с. 87–95.
4. Горбачев С.В., Горюнов П.В., Шейнин Ю.Е. Системные функции коммуникационной сети параллельных вычислительных систем / III ВНТК «Актуальные научно-технические проблемы разработки и реализации технических решений в отечественном авиаприборостроении». – Национальная Ассоциация авиаприборостроителей (НААП). СПб, 2000, с. 29–31.
5. Advanced TCA/ PICMG 3.0 Short Form Specification.v January 2003.
6. Горбачев С.В., Рождественский Д.А., Суворова Е.А., Шейнин Ю.Е. Масштабируемые архитектуры распределенных систем на технологии SpaceWire на базе платформы “МУЛЬТИКОР”. – Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОТ, 2006, вып.2, с. 69–80.
7. Sheynin Y., Gorbachev S. Distributed Interrupts for Real-Time Control in SpaceWire-Based On-Board Systems. – 9th Military and Aerospace Programmable Logic Devices (MAPLD) International Conference. SpaceWire Seminar. September 26–28, 2006, Washington.
8. Sheynin Y., Gorbachev S. Integrated Modular Spacecraft Avionics Architecture and SpaceWire-based Implementation. Proceedings of the 16th IFAC Symposium on Automatic Control in Aerospace, June 14–18, 2004, St. Petersburg, Russia. 2004,v. 2, p. 240–245.
9. Петричкович Я.Я., Солохина Т.В. Микроэлектронные технологии: Сигнальные микроконтроллеры серии “МУЛЬТИКОР” для перспективных аэрокосмических применений”. Труды конференции “Микросистемы-2003”, Санкт-Петербург, 2003, 14-17 июня, c. 34–37
10. Solokhina Т., Petrichkovich J., etc. MCFlight™ ‑ SOC-based chipset with SpaceWire links for Aerospace Applications. International SpaceWire Seminar (ISWS 2003), ESTEC Noordwijk, Netherlands, 4–5 November 2003, p.28–31.
11. Solokhina T.,. Petrichkovich J., etc. MCFLIGHT – Systems-оn-chip for Aerospace Applications. – 16th IFAC Symposium on Automatic Control in Aerospace (ACA’ 2004), S. Petersburg, Russia, June 14-18, 2004, Vol.2, p. 271–276.
12. Солохина Т.В., Петричкович Я.Я. и др. “MCFlight” – отечественный чипсет с портами SpaceWire для высокопроизводительных вычислительных аэрокосмических систем обработки информации в реальном масштабе времени. – ИПС РАН. РКА “ЭНЕРГИЯ”. Труды третьего расширенного семинара “Использование методов искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений в аэрокосмических исследованиях“ (АКИИ-03). 26–27 ноября 2003 г., г. Переславль-Залесский–Москва 2003, с. 17–20.
13. www.multicore.ru
14. Солохина Т., Александров Ю., Петричкович Я. Сигнальные контроллеры компании Элвис: первая линейка отечественных DSP. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, №7, с. 70–77.
15. Солохина Т.В., Петричкович Я.Я., Александров Ю. Н. и др. Микросхемы базовых серий “МУЛЬТИКОР”. Сигнальный микроконтроллер 1892ВМ2Т (МС-24). Часть1. – Chip News, № 2(95), 2005, с.20–31.
16. Солохина Т.В., Петричкович Я.Я., Александров Ю. Н. и др. Микросхемы базовых серий “МУЛЬТИКОР”. Сигнальный микроконтроллер 1892ВМ2Т (МС-24). Часть 2, Chip News, № 3(96), 2005, с.20-26.
17. Солохина Т., Александров Ю., Глушков А. и др. Новые отечественные трехпроцессорные dsp- микроконтроллеры с производительностью 1.5 GFLOPs. –Электронные компоненты, 2006, №6, с. 73—78.
18. Гусев В.В., Енин С.В., Лихих С.Н. и др. Аналого-цифровая “система на кристалле” MF01 серии “Мультифлекс”/ Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем – 2005. Сборник научных трудов под общ. ред. А.Л.Стемпковского.- М.: ИППМ РАН, 2005.
19. Джиган В.И. Многоканальные RLS и быстрые RLS алгоритмы адаптивной фильтрации. – Успехи современной радиоэлектроники, 2004, №11, с. 48–77.
20. Шейнин Ю.Е., Недоводеев К.В. Высокопроизводительная обработка больших массивов данных в неоднородных мультиядерных процессорах. – Электронные компоненты, 2006, с. 116-122.
Технология SpaceWire [1] позволяет строить высокоскоростную коммуникационную инфраструктуру для всех видов бортовых коммуникаций, таких как передача высокоскоростных цифровых сигналов между источниками/приемниками сигналов, процессорами цифровой обработки и устройствами отображения; обмен данными между вычислительными модулями параллельных вычислительных систем или распределенных вычислительных комплексов; передача команд на подсистемы комплектов бортового оборудования (КБО); сбор информации с сенсорных полей и c других первичных источников информации в КБО (для источников с низко- и среднескоростными информационными потоками); распределение меток времени в КБО, сигналов реального времени и прерываний. Широк спектр применения технологии SpaceWire и вне аэрокосмической тематики – в различных задачах, связанных со сбором и обработкой информации, управлением в комплексах с распределенной архитектурой, в системах параллельной обработки сигналов и данных и т.д.
Сеть SpaceWire способна заменить множество отдельных разнородных сетей (обычно – 3–5) на борту летательного или космического аппарата (ЛА/КА), создав единую коммуникационную инфраструктуру на базе единых технических и программных средств. Это возможно не только благодаря высоким скоростям каналов – линков SpaceWire (до 400 Мбит/с на 10 м). SpaceWire отличает и ряд важных архитектурных особенностей:
высокоскоростная коммутация пакетов с «червячной маршрутизацией» (низкие задержки, высокая пропускная способность);
гибкость и масштабируемость сети (без ограничений на топологию);
многообразие методов маршрутизации (от простого указания пути в заголовке пакета до адаптивной маршрутизации с регионально-логической адресацией);
сквозное встраивание управляющих кодов в стек протоколов (независимость прохождения кодов управления и тайм-кодов от загруженности каналов и коммутаторов данными);
малозатратность реализации SpaceWire в СБИС, компактность, низкое энергопотребление и устойчивость к помехам и сбоям.
Рис.1. Подключение источников высокоскоростных потоков данных к ВК обработки сигналов по каналам SpaceWire: а –простое подключение датчиков каналами “точка-точка”, б – подключение посредством коммутатора
Вот почему технологию SpaceWire активно применяют в разработках национальных космических агентств Европейского союза (ESA), США (NASA), Японии (JAXA) и Канады (CSA), а также в авионике ЛА различного назначения, в том числе – в их бортовых вычислительных комплексах (БВК) (табл.1). Федеральное космическое агентство РФ также приняло принципиальное решение о применении технологии SpaceWire в российской космической отрасли и об участии в деятельности международной рабочей группы по дальнейшему развитию и применению SpaceWire.
Простые решения
В аэрокосмических КБО устойчива тенденция перехода исключительно на цифровые каналы передачи сигналов и данных с пакетизацией передаваемых потоков информации. Аналоговые интерфейсы в КБО рассматриваются и стандартизуются только как средства подключения источника/приемника информации к цифровой системе локальной обработки или преобразования КБО [2]. Каналы SpaceWire можно использовать для прямого подключения датчиков – распределенных по объекту источников высокоскоростных потоков оцифрованных данных – к вычислительному комплексу (ВК) обработки сигналов (рис.1а).
Высокие скорости каналов SpaceWire открывают новые возможности для системного проектирования КБО. Во-первых, высокая пропускная способность каналов необходима для сопряжения с сенсорами, формирующими высокоскоростные информационные потоки. Посредством каналов SpaceWire датчики, распределенные по объекту, можно напрямую подключать к БВК (рис.1). При оцифровке сигналов типичными в современных бортовых системах 12- и 16-разрядными АЦП формируются информационные потоки в десятки мегабайт в секунду. Один канал SpaceWire позволяет передать информационный поток до 40 Мбайт/с (соответствует частоте дискретизации 20–25 МГц) на расстояния до десятка метров. Если этих скоростей недостаточно, можно использовать так называемые “толстые линки” – линии связи из n параллельных каналов SpaceWire, позволяющие повысить пропускную способность в n раз.
Рис. 2. SpaceWire в структуре КБО космического аппарата Mercury Planetary Observer (MPO)
Помимо пропускной способности надо помнить и о задержках распространения сигнала (latency). Например, сенсор с двумя 16-разрядными АЦП с частотой дискретизации 100 кГц формирует информационный поток 0,4 Мбайт/с. Чтобы доставить его к системе обработки информации, нужен канал с пропускной способностью не ниже 4 Мбит/с (с учетом кодирования символов данных). Задержка доставки пары отсчетов (16 + 16 бит) составит 10 мкс. Более скоростной канал (например, 200 Мбит/с) с избыточной пропускной способностью позволит снизить задержку доставки комплексного отсчета всего до 200 нс. На его обработку до формирования следующего отсчета остается 9,8 мкс. Учитывая низкие затраты на реализацию канала SpaceWire, это может быть весьма привлекательным решением.
Такая простая схема, используя каналы SpaceWire, дуплексные по своей природе, позволяет не только доставлять к центральному вычислительному ресурсу множественные потоки информации, но и по тем же каналам (и кабелям) управлять работой датчиков – настраивать режимы и параметры функционирования, запускать тестирование и диагностику и т.п. (см. рис.1). С помощью механизмов распространения кодов времени SpaceWire можно синхронизировать работу датчиков в реальном масштабе времени с точностью до долей микросекунд – синхронизировать их таймеры, синхронно снимать информацию по единому сигналу управления и т.п.
Рис. 3. Простая схема коммутируемого сопряжения БВК с экранами отображения видеоинформации
Коммутаторы SpaceWire позволяют распределять и реконфигуририровать информационные потоки между датчиками и несколькими потребителями, например между несколькими подсистемами обработки сигналов разного функционального назначения (рис. 1б). Если датчиков много, но информационные потоки от них невелики, коммутатор может играть и роль концентратора, мультиплексируя пакеты от датчиков в своем высокоскоростном выходном канале посредством механизмов маршрутизирующей коммутации пакетов SpaceWire. Направления коммутации можно задавать различными способами – от автоматической загрузки таблиц маршрутизации из конфигурационной флэш-памяти или ПЗУ при пуске системы до их оперативной программной настройки со стороны ВК, причем по тем же самым каналам SpaceWire.
Рис. 4. Модульные системы обработки данных полезной нагрузки с коммуникационной средой SpaceWire
Отметим, что уже в структуре с одним коммутатором расстояния между датчиками и БВК могут составлять до 20 м на максимальной скорости. В структурах с развитой топологией сети связи на нескольких коммутаторах между терминальными узлами распределенного КБО (например, между датчиками и БВК) легко достижимы расстояния и в 30–50 м. Этого достаточно не только для большинства космических, но и летательных аппаратов [3]. Кроме того, при снижении скорости передачи эти расстояния могут быть увеличены в несколько раз [1]: например, при скорости 100 Мбит/с – в 2–3 раза.
Пример комбинированной схемы сопряжения сенсоров с ВК на рис.1 – архитектура бортовой системы космического аппарата MPO (Mercury Planetary Observer) ESA для международного проекта Bepi-Colombo по исследованию Меркурия (рис.2). Скоростные потоки данных от научных приборов к компьютеру обработки данных полезной нагрузки передаются по прямым каналам SpaceWire, а каналы от менее скоростных источников мультиплексируются коммутатором SpaceWire.
Рис. 5. Распределенная архитектура управления массовой памятью GAMMA
Другой типичный пример работы в КБО с высокоскоростными информационными потоками – программно-управляемое распределение информационных потоков и изображений, формируемых БВК, на множество экранов отображения информации (рис.3). Высокоскоростная «червячная маршрутизация», обеспечивая малые задержки и не требуя буферизации проходящего через коммутатор пакета, позволяет передавать кадр изображения любого размера целиком, не нарезая его на пакеты. С помощью программно-настраиваемой таблицы маршрутизации можно оперативно реконфигурировать информационные потоки и направлять на мониторы нужную в данный момент информацию. Дуплексные линки позволяют по тем же каналам передавать информацию и в обратную сторону – например, запросы от операторов о видах отображаемой информации.
Программируемая коммутационная среда
В составе перспективных КБО становится все больше датчиков и исполнительных устройств (в том числе высокореактивных), а в перспективных системах – массово-параллельных исполнительных полей. Все они формируют или используют высокоскоростные цифровые информационные потоки. Характерные примеры – встраиваемые в бортовые РЛС системы передачи данных между космическими аппаратами и наземными пунктами; системы отображения видеоинформации на многопиксельных индикаторных панелях; системы формирования синтезированных изображений обстановки по информации от инфракрасных датчиков и др. Так, в технологиях типа “интеллектуальная поверхность” в конструкции несущей поверхности планера ЛА используются МЭМС с массово-параллельным управлением, позволяющие управлять аэродинамическими характеристиками ЛА без традиционных средств механизации крыла с шарнирными приводами (это технология разрабатывается в рамках проекта Smart Wing агентств DARPA и NASA).
Для работы с большим числом высокоскоростных цифровых сигналов (ВЦС) наиболее эффективны распределенные КБО с немагистральными архитектурами. В качестве коммуникационной инфраструктуры используются каналы «точка-точка», программируемые многоканальные коммутаторы, а также преобразователи параллельных каналов в высокоскоростные последовательные. Технология SpaceWire позволяет строить широкий спектр масштабируемых модульных сетевых структур из маршрутизирующих коммутаторов и высокоскоростных последовательных каналов (линков SpaceWire), формируя программируемую коммутационную среду (ПКС).
ПКС на основе высокоскоростных последовательных каналов и коммутаторов SpaceWire обеспечивает:
трансформацию потоков сигналов с многоразрядных параллельных АЦП информационных датчиков в пакеты, которые передаются по высокоскоростным последовательным каналам;
возможность располагать датчики на любом удалении от процессоров обработки сигналов (в разумных для борта пределах), что упрощает размещение КБО на борту КА/ЛА;
сокращение числа физических линий передачи, а следовательно – снижение массы и стоимости кабелей (на практике – 20–30 линий вместо нескольких сотен);
программную реконфигурацию информационных связей между системами КБО в зависимости от текущей задачи или технического состояния оборудования (распределение потоков сигналов от датчиков к устройствам обработки, коммутацию высокоскоростных цифровых информационных потоков и т.д.).
Рис.7. СБИС сигнального контроллера МС-24R
Стандартизованные протоколы, масштабируемые структуры коммуникационных сетей на маршрутизирующих коммутаторах, высокие скоростные характеристики делают SpaceWire перспективной для унифицированных модульных архитектурных решений КБО КА. Компания EADS Astrium предложила Общую архитектуру модульных систем обработки данных полезной нагрузки КА (Payload data processing generic architectures) как концептуальную основу проектирования КБО перспективных КА (рис.4). Данные с сенсоров после первичной обработки передаются по каналам SpaceWire через маршрутизирующий коммутатор в центральный вычислитель КБО. Маршрутизирующие коммутаторы SpaceWire организуют доставку данных на блоки обработки, в массовую память, в тракты передачи результатов обработки на Землю. Они же сопрягают подсистемы полезной нагрузки со служебными подсистемами КБО космического аппарата.
SpaceWire активно внедряется в распределенные архитектуры КБО и как унифицированная коммуникационная между датчиками и подсистемами массовой памяти, в частности – в распределенной архитектуре доступа к памяти GAMMA (Generic Architecture for Mass Memory Access), разработанной EADS Astrium (рис.5). В GAMMA каждый модуль твердотельной массовой памяти SSMM (Solid State Mass Memory) снабжен двумя линками SpaceWire. Для объединения модулей SSMM в распределенную структуру и организации доступа к ним используются масштабируемые структуры на маршрутизирующих коммутаторах SpaceWire. Это позволяет распараллеливать доступ к массовой памяти, оптимизировать производительность подсистемы памяти, улучшить ее администрирование бортовыми подсистемами, упростить реконфигурируемость подсистемы массовой памяти, прозрачную для прикладных подсистем КБО. Аналогичный подход применен компанией Alcatel Alenia Space в КБО спутника EarthCare.
ПКС на основе SpaceWire может сопрягаться с низкоскоростными каналами КБО CAN, SPI, MIL-STD-1553B (ГОСТ 26765.52-87), STANAG 3910 (ГОСТ Р50832-95). Для этого используются узлы-шлюзы, которые упаковывают сообщения этих каналов в пакеты SpaceWire. Данный подход, в частности, обеспечивает преемственность архитектуры – возможность поэтапного, эволюционного перехода к КБО нового поколения и обратную совместимость с эксплуатируемым сейчас оборудованием.
Высокая пропускная способность каналов SpaceWire позволяет мультиплексировать сообщения практически от любого числа низкоскоростных каналов. С другой стороны, простота аппаратной реализации делает сеть SpaceWire достаточно дешевой для того, чтобы строить на ее основе средне- и низкоскоростные системы сбора информации и управления. Избыточные скорости (свыше 2 Мбит/с) канала SpaceWire – до 400–600 Мбит/с – практически не повышают стоимость аппаратуры сети по сравнению со старыми низкоскоростными стандартами.
Рис.8. Периферийный контроллер МСТ- 01
Широкий выбор структур ПКС на основе SpaceWire позволяет строить конфигурации распределенных КБО, оптимизированные под специфику оборудования полезной нагрузки КА, под характеристики информационных потоков и выбранных схем их обработки в КБО КА. Компания EDAS Astrium Satellites в проекте спутника GAIA для астрономических исследований использовала специализированную структуру ПКС SpaceWire для массовой доставки оптических данных на блоки видеопроцессоров, а с них – на процессоры обработки данных полезной нагрузки. Эта ПКС также сопрягает ЭВМ полезной нагрузки с центральным блоком мониторинга и распределения информации сервисного модуля КА (рис.6).
Рис.9. Многоканальный адаптер пакетной передачи данных 1892XД1Я (MCB-01)
Технология SpaceWire эффективна не только в распределенных ВК и КБО [2], но и в параллельных системах обработки сигналов [3, 4]. Например, в современном стандарте конструктивного исполнения модульных масштабируемых параллельных вычислительных структур с обменом сообщениями ATCA [5] и MicroTCA можно на основе SpaceWire строить модульные вычислительные системы обработки сигналов с масштабируемой производительностью, вплоть до 1012 Flops.
Отечественная элементная база для SpaceWire
Элементная компонентная база (ЭКБ) для реализации SpaceWire разработана рядом фирм, ориентирующихся на рынок аэрокосмической техники. В Европе основные разработчики – Европейское отделение компании Atmel, EADS Astrium, Alcatel (Alcatel Alenia Space), Saab (Saab Ericsson Space) и Austrian Aerospace. В США ЭКБ для SpaceWire создают фирмы Aeroflex, BAE Systems, Lockheed Martin.
В России ЭКБ для SpaceWire разработана компанией ГУП НПЦ «ЭЛВИС» (Зеленоград) и ее партнерами, прежде всего – ЗАО НПЦ “Микропроцессорные технологии (МиТ)” (Санкт-Петербург), при участии дизайн-центров ЗАО ЦП “Ангстрем-СБИС” и ЗАО “Ангстрем-М” [1–4, 7–12.]. Уже разработан первый отечественный комплект микросхем SpaceWire [9–12] для аэрокосмических применений “Мультиборт” (MCFlight) (табл.2), который можно эффективно использовать и для других встраиваемых систем. Разработка выполнена на базе IP-ядерной аппаратно-программной платформы “Мультикор” [13].
Комплект включает две процессорные СБИС “Мультикор” - спецстойкий двухъядерный процессор обработки сигналов МС-24R и периферийный контроллер МСТ-01 со встроенными SpaceWire-контроллерами. Кроме того, в состав комплекта вошли СБИС сопряжения с сетью SpaceWire – многоканальный коммутатор пакетной передачи данных 1892ХД2Я (МСК‑01) и многоканальный адаптер пакетной передачи данных (мост) 1892ХД1Я (MCB-01). В “Мультиборт” включена и СБИС спецстойкого СОЗУ емкостью 4 Mбит. Напряжение питания микросхем – 3,3/2,5 В (периферия/ядро). СБИС комплекта спроектированы как ASIC КМОП СБИС по технологическим нормам 0,25-мкм, с пятью слоями металлизации. Учитывая специфику применения, ряд СБИС обладают повышенной радиационной стойкостью (к одиночным сбоям при потоках тяжелых ионов и по накопленной дозе). Она обеспечена архитектурными решениями (коды Хэмминга), методами “Rad Hard By Design”, а также применением при проектировании специализированных спецстойких библиотек. Тестовые образцы микросхем изготовлены на зарубежной фабрике во второй половине 2006 года и сейчас проходят заключительное тестирование.
СБИС MC-24R (рис.7) – модификация серийного сигнального процессора МС-24 (1892ВМ2Я) серии “Мультикор”, оснащенного двумя контроллерами SpaceWire. Они обеспечивают обмен данными по дуплексным каналам SpaceWire (2 канала) со скоростью 2–400 Мбит/c в канале (в каждую сторону). MC-24R может подключаться непосредственно к коммутатору SpaceWire 1892ХД2Я (МСK-01) или напрямую сопрягаться с любыми другими микросхемами с каналами SpaceWire.
Периферийный контроллер МСТ-01 (рис.8) разработан совместно с ФГУП “МНИИ “АГАТ” (г. Жуковский). Это – RISC-микроконтроллер (MIPS32-совместимой архитектуры со встроенным 64-битным аккумулятором с плавающей точкой), оснащенный двумя SpaceWire-контроллерами, что позволяет напрямую сопрягать его с сетью SpaceWire. Первые тестовые образцы МСТ-01 уже верифицированы с зарубежной реализацией стандарта SpaceWire. В состав СБИС могут войти АЦП/ЦАП (9–13бит; 1 МГц), но эта опциональная возможность уточнится после завершения тестирования СБИС.
Многоканальный адаптер (контроллер) пакетной передачи данных MCB-01 (MultiCore Bridge) (рис.9) предназначен для сопряжения со средой SpaceWire устройств без встроенных контроллеров SpaceWire. Он обеспечивает сопряжение с линками SpaceWire (4 канала) через универсальный параллельный интерфейс c протоколом асинхронной статической памяти (типа MPORT сигнальных микроконтроллеров семейства “Мультикор”), а также через шину PCI (в режиме Slave для MCB-01). Интерфейс PCI поддерживает как 64-, так и 32-разрядный режим при частоте 33 или 66 МГц. СБИС также содержит двухпортовое статическое ОЗУ (DPRAM) объемом 2 Мбита, доступное для программ пользователей.
Многоканальный коммутатор пакетной передачи данных МСК-01 – это однокристальный 16-канальный маршрутизирующий коммутатор пакетной передачи данных по дуплексным последовательным высокоскоростным каналам в соответствии со стандартом SpaceWire (рис.10). MCK-01 на аппаратном уровне реализует маршрутизацию типа «червячный ход» со всеми методами адресации, предусмотренными стандартом SpaceWire. СБИС обеспечивает коммутацию пакетов «на лету» между 16 каналами. Приемник МСК-01 в каждом из каналов автоматически адаптируется к скорости передатчика. На физическом уровне поддержан протокол LVDS (стандарт ANSI/TIA/EIA-644). MCK-01 позволяет строить коммуникационные сети диаметром от 20 м (с одним коммутатором) до 100 м и более (распределенные коммуникационные структуры с MCK-01 в качестве сетевых узлов).
Рис.10. Маршрутизирующий коммутатор пакетной передачи данных 1892ХД2Я (МСК- 01)
Конфигурационный порт MCK-01 реализован на базе встроенного процессора, позволяющего организовать детальную обработку ошибочных ситуаций, динамический подбор скоростей передачи, мониторинг и администрирование работы МСК-01 и коммуникационных сетей на их основе. Встроенный процессор также допускает прямое подключение к МСК-01 внешней памяти (к примеру, SDRAM) гигабайтной емкости. MCK-01 функционирует и под управлением внешнего процессора, подключенного через параллельный 32-разрядный порт памяти (MBA). В этом случае действия внутреннего и внешнего процессоров согласуются программно, посредством внутренней памяти (ОЗУ пакетов конфигурационного порта), а также регистров состояния коммутатора. Каждый из процессоров может выполнять функции терминального узла сети SpaceWire.
Большинство СБИС для аэрокосмических применений предполагается серийно выпускать в радиационно стойком исполнении. Кроме того, комплект “Мультиборт” планируется расширить многоканальным цифровым или цифро-аналоговым приемником, также со встроенным SpaceWire-контроллером. Прототип такой микросхемы (без дополнительной радиационной стойкости и встроенного SpW-контроллера) уже реализован в виде одной из СБИС серии “Мультифлекс” - 1288ХК1T(МF01) [10, 13, 18].
Табл.2. Комплект “Мультиборт” для бортовых встраиваемых распределенных систем с унифицированными внутренними коммуникациями на базе стандарта SpaceWire
СБИС Параметры
МС- 24R Сигнальный контроллер для аэрокосмических применений*:
2 канала SpaceWire, стандарт ECSS-E-50-12A;
скорость передачи – 2–400 Мбит/c до 10 м**;
встроенные LVDS-приемопередатчики ANSI/TIA/EIA-644;
двухъядерная MIMD-архитектура c процессорными ядрами:
RISC-ядро (MIPS32-64FP из IP-библиотеки “Мультикор”) с 64-разрядным акселератором в стандарте плавающей точки IEEE754;
DSP-ядро ELcore18;
пиковая производительность – 600 MFlops;
режимы управления энергопотреблением;
спецстойкость для аэрокосмических применений;
защита внутренней и внешней памяти кодом Хэмминга;
корпус – HSBGA416, 35×35 мм;
МСТ- 01 Периферийный контроллер:
2 канала SpaceWire, стандарт ECSS-E-50-12A;
скорость передачи – 2–400 Мбит/c до 10 м**;
встроенные LVDS-приемопередатчики ANSI/TIA/EIA-644;
RISC–ядро (MIPS32-64FP из IP –библиотеки “Мультикор”) с 64-разрядным акселератором в стандарте плавающей точки IEEE754;
пиковая производительность – 120 MOPs в 32-разрядном формате с фиксированной точкой;
опция – встроенные 4-канальные АЦП и ЦАП, 1МГц
корпус – QFP240, 34,6×34,6 мм
1892ХД1Я
(МСВ- 01) Многоканальный адаптер пакетной передачи данных*:
4 канала SpaceWire ECSS-E-50-12A;
скорость передачи – 2–400Мбит/c до 10 м**;
встроенные LVDS-приемопередатчики ANSI/TIA/EIA-644(LVDS);
интерфейс PCI Local Bus Specification. Rev. 2.2.;
32-разрядный параллельный порт для подключения к сигнальным контроллерам серии “Мультикор”;
встроенное ОЗУ 2 Мбит (64K × 32)
корпус – HSBGA416, 35×35 мм;
1892ХД2Я (МСК-01) Многоканальный коммутатор пакетной передачи данных*:
16 каналов SpaceWire (полный стек протоколов ECSS-E-50-12A);
скорость передачи – 2–400 Мбит/c до 10м**;
встроенные LVDS-приемопередатчики ANSI/TIA/EIA-644;
встроенное MIPS32-совместимое RISC-ядро;
32-разрядный параллельный порт, аналогичный МСВ-01;
встроенные ОЗУ (25 Кбайт): память программ и данных RISC-ядра (16 Кбайт), память пакетов (8 Кбайт), таблица маршрутизации (1 Кбайт);
спецстойкость для аэрокосмических применений;
корпус – HSBGA416
RAM – R Статическое ОЗУ для аэрокосмических применений;
4 Мбит (512K × 8); время выборки – 15 нс;
совместная работа с ИС серии “Мультикор”;
корпус – HSBGA416 (для первых тестовых образцов)
* На кабелях и разъемах, соответствующих стандарту.
** Предварительно. Первые тестовые образцы получены и измеряются.
Типичные системные конфигурации на базе СБИС “Мультиборт”
Рассмотрим несколько примеров построения систем на основе СБИС из комплекта “Мультиборт”.
Типовая двукратно резервированная бортовая система ввода и обработки (рис.11). Входные сигналы от N источников с различной скоростью (от 2 до 400 Мбит/c) поступают по каналам, построенным с помощью периферийного контроллера МСТ-01. В этих СБИС возможна первичная обработка информации под управлением программы, хранящейся в небольшом ПЗУ. Данные могут буферизоваться либо в ЗУ большой емкости, либо в локальной памяти бортового компьютера (БЦВМ). Последний также может быть построен на базе СБИС МС-24P и RAM-R.
Рис.11. Система ввода и обработки сигналов и изображений на борту КА на базе комплекта “Мультиборт”
После буферизации и/или обработки высокоскоростной поток информации направляется в линию радиопередатчика с основным и резервным каналом. Входящий в состав передатчика контроллер МС-24P реализует необходимые алгоритмы сжатия и криптозащиты данных.
Рис.12. Бортовая распределенная система сбора и обработки информации от периферийных датчиков на базе комплекта “Мультиборт”
Описанная система служит для решения широкого диапазона задач – от передачи разнородного потока коротких пакетов с использованием технологии виртуальных каналов до трансляции непрерывного однородного потока данных.
Бортовая распределенная система сбора и обработки информации от периферийных датчиков (рис.12). Датчики могут быть удалены на десятки метров от основной системы обработки. Они подключаются – через АЦП или напрямую – к расположенным рядом с ними СБИС периферийного контроллера 1892ВД1Я (МСТ-01). Контроллеры МСТ-01 производят первичную обработку информации благодаря встроенному RISC-ядру.
МСТ-01 передает данные в базовую бортовую систему обработки (или выводит на шину PCI) через 16-канальные коммутаторы МСК-01 и/или через многоканальный адаптер с пакетной передачей данных MCB-01. При этом допустимая длина кабелей – 10 м (или более со специальными повторителями). Система обработки может строиться на основе DSP-контроллеров 1892ВМ4Я, также обеспечивающих интерфейс с шиной PCI. СБИС МСВ-01 служит для сопряжения SpaceWire-линков и DSP-контроллеров ряда “Мультикор” без SpaceWire-портов.
Рис.13. Приемный тракт адаптивной ФАР на базе комплекта “Мультиборт”
Приемный тракт адаптивной фазированной антенной решетки (ФАР) – типичный пример высокопроизводительной DSP-системы (рис.13). Радиоприемное устройство каждого узла ФАР состоит из аналоговой части (радиочастотного модуля, РЧМ) и цифрового преобразователя частоты (ЦПЧ), необходимого для переноса сигналов из полосы рабочих частот в основную полосу обработки (Base Band). ЦПЧ строится по принципу цифрового программируемого радио (Software Defined Radio, SDR), что позволяет работать в многостандартном режиме.
ЦПЧ может быть выполнен на базе четырехканального SDR-приемника 1288ХК1Т (МF01) серии “Мультифлекс” (“ЭЛВИС”) [10, 18], на входы которого поступает оцифрованный входным АЦП аналоговый сигнал. СБИС МF01 инициализируется и настраивается с помощью периферийного контроллера МСТ‑01. Остальные элементы системы ФАР можно реализовать программно в БВК на основе DSP-контроллеров “Мультикор” и пакетов специального прикладного ПО НПЦ “ЭЛВИС” [19]. Причем БВК можно располагать в десятках метров от ЦПЧ посредством линков SpaceWire и коммутаторов МСК-01.
Высокопроизводительные системы параллельной обработки сигналов могут строиться на основе DSP-контроллеров семейства «Мультикор» [9–17, 20] (производительностью до 1,5 GFlops). Возможности этих контроллеров расширяют СБИС многоканального адаптера МСВ-01. Пара таких микросхем (DSP-процессор и SpaceWire-адаптер) образуют вычислительный узел параллельной системы – процессорный элемент (PE) с четырьмя SpaceWire-линками. На базе четырех PE, объединенных через коммутатор МСК-01, можно сформировать модуль обработки сигналов (МОС) с пиковой производительностью около 6 GFlops (рис.14). Каждый из четырех МОС обеспечивает до четырех внешних линков. Через факультативные внешние каналы SpaceWire к МОС напрямую подключаются источники/приемники высокоскоростных потоков цифровых сигналов.
Рис.14. Четырехпроцессорный модуль обработки сигналов (МОС) на базе микросхем комплекта “Мультиборт” и DSP-контроллеров “Мультикор”
МОС позволяет создавать масштабируемые параллельные системы обработки сигналов. Так, в одной корзине конструктива ATCA из плат МОС можно создать вычислительный кластер первого уровня C561 (рис.15), содержащий 56 процессорных модулей [2–6]. Коммутационная фабрика в C561 включает 16 коммутаторов MCK-01. Два коммутатора в слотах 1 и 2 связаны между собой дополнительным каналом, что дает повышенную отказоустойчивость, и сохраняет два альтернативных маршрута между любой парой МОС при однократном отказе линка.
Рис.15. Структура кластера первого уровня C561 в конструктивном исполнении ATCA на базе СБИС “Мультикор” и коммутаторов SpaceWire
В другом примере параллельной системы коммуникационная инфраструктура строится как сеть из коммутаторов SpaceWire с многополосными связями между ними. Такая сеть обеспечивает максимальную пропускную способность между любыми парами PE (рис.16) [7, 8].
Унифицированная бортовая система малого спутника для дистанционного зондирования Земли (рис.17) также реализуема базе комплекта “Мультиборт” с помощью технологии SpaceWire. Система решает такие задачи, как:
ввод сигналов и изображений с помощью ФАР или от датчиков, их обработку в БЦВМ (включая синтез и сжатие радиолокационного изображения и даже первичную обработку изображения с целью ее распознавания на борту КА);
передача изображения в радиолинию;
объединение всех устройств, формирующих информационные потоки в системе.
По предварительным оценкам, такая бортовая система на базе комплекта “Мультиборт” и четырех СБИС МС-24P может обеспечить режим непрерывной съемки (с одним угломестным лучом) с шириной полосы 100 километров, линейным разрешением 30 м, шагом координатной сетки радиолокационного изображения 20 м и 5 некогерентными накоплениями.
Рис.16. Параллельная система обработки сигналов с повышенной пропускной способностью обменов между любыми парами абонентов
Унифицированная коммуникационная система на SpaceWire в КБО спутника позволяет существенно сократить массогабаритные характеристики, заменив собой несколько различных сетей (для передачи потоков данных, управления, системы единого времени и т.п.).
Реализация технологии SpaceWire в ПЛИС
Для реализации технологии SpaceWire кроме специальных СБИС используют и программируемые логические ИС (ПЛИС), как правило – типа FPGA. Такая практика экономически оправдана при ограниченных тиражах изделий. Поскольку все СБИС комплекта “Мультиборт” проектировались по технологии “система на кристалле”, IP-блоки сопряжения с каналами SpaceWire легко включать в состав многих узлов на FPGA. Этому способствует компактность и экономичность аппаратуры SpaceWire. Специалистами НПЦ МиТ и “ЭЛВИС” разработан ряд IP-блоков, оптимизированных для реализации SpaceWire в FPGA фирмы Xilinx семейств Virtex2, Spartan 3, Virtex4. Рассмотрим два таких IP-блока.
Рис.18. IP-блок SpWCell2
IP-блок SpWCell2 (рис.18) реализует полнофункциональный контроллер канала SpaceWire, включая DS-кодирование, кодирование символов, управление соединением, управление потоком, обработку ошибок, обработку тайм-кодов и кодов распределенных прерываний. Он имеет простой интерфейс для приема и передачи байтовых потоков данных, сопровождающихся локальной синхронизацией, и управляющих сигналов (например, конец посылки). Такой интерфейс позволяет легко подключать SpWCell2 к буферам FIFO или к потоковым источникам/приемникам данных, например к АЦП/ЦАП. SpWCell2 – полностью синхронный блок, все интерфейсные сигналы фиксируются по восходящему фронту. Для управления потоком SpWCell2 оснащен программируемой схемой кредитования в зависимости от размеров приемного буфера (внешнего для SpWCell2) в 16, 32, 64 и 128 слов. Сложность блока SpWCell2 при реализации в FPGA – 550 LUT.
IP-блок SWIC2 сетевого контроллера SpaceWire предназначен для передачи/приема данных с шины AMBA AHB в высокоскоростной последовательный канал по стандарту SpaceWire. Он включает IP-блок SpWCell2, дополненный буферами FIFO, интерфейсами Master/Slave шины AMBA AHB и четырьмя каналами DMA (рис.19). Размеры всех внутренних FIFO для данных параметризированы для синтеза (8, 16, 32, 64 и 128 слов). Сетевой контроллер SWIC2 принимает и отсылает данные в виде пакетов, а также временно хранит их во внутренних FIFO. Пакеты извлекаются/помещаются из буферов FIFO в память по шине AMBA AHB в режиме прямого доступа, на основе дескрипторов пакетов. Автомат интеллектуального блока управления обрабатывает цепочки дескрипторов в автоматическом режиме высокоскоростного дуплексного обмена пакетами, без вмешательства ЦП и на максимальной скорости работы канала и шины. По событиям канала SpaceWire (установки связи, разрыв связи, прием метки времени, распределенного прерывания) вырабатываются сигналы прерываний. Для тестирования блока и каналов подключения реализован режим LoopBack (три уровня). Сложность блока SWIC2 при реализации в FPGA – 3000 LUT.
Оба описанных IP-блока обеспечивают работу на скоростях до 400 Мбит/с по каналу SpaceWire. Частоты на шине AMBA AHB (SWIC2) и со стороны параллельного интерфейса (SpWCell2) для всех указанных семейств FPGA – до 100 МГц. Virtex4 позволяет увеличить частоты на 20%.
Рис.20. Вычислительный модуль с каналами SpaceWire PCI104 SpaceWire MC-24EM Kit
На основе IP-блоков SpWCell2 и SWIC2 на FPGA Xilinx реализован ряд проектов с поддержкой SpaceWire. Например, мост МСВ-01.FPGA – сокращенный, но программно совместимый аналог СБИС МСВ-01 (без шины PCI и с уменьшенным объемом внутренней памяти). Маршрутизирующий шестиканальный коммутатор МСК-01.FPGA – аналог СБИС 1892ХД2Я (6 каналов вместо 16, нет встроенного RISC-ядра и памяти команд).
МСВ-01.FPGA и DSP-процессор 1892ВМ2Т применены в одноплатном высокопроизводительном вычислительном модуле SpaceWire MC-24EM Kit (НПЦ “МиТ”). Модуль выполнен в конструктиве PC/104 (рис.20, табл.3). Он предназначен для прототипирования бортовых и наземных распределенных и параллельных систем обработки и управления с технологией высокоскоростных коммуникаций SpaceWire.
Таблица 3. Основные характеристики PCI104 SpaceWire MC-24EM Kit:
Число каналов SpaceWire 4–6
Скорость дуплексных каналов SpaceWire
(настраивается программно) в каждом
направлении, Мбитс/с 2–400
Процессор 1892ВМ2Я (МC-24)
Производительность, MFlops до 600
Объем ОЗУ (SDRAM), Мбайт 32
Объем Flash, Мбайт 16–64
Другие интерфейсы RS-232, EJTAG
Питание, В 5
Потребляемая мощность, Вт < 10
Если сменить прошивку FPGA на МСК01.FPGA, модуль SpaceWire MC-24EM Kit можно использовать в качестве шестиканального маршрутизирующего коммутатора SpaceWire с развитыми функциями администрирования и управления сетью.
Для верификации реализации стандарта ECSS-E-50-12 на кремнии была собрана система из трех модулей (рис.21): отладочный модуль на базе СБИС периферийного контроллера МСТ-01; модуль SpaceWire MC-24EM Kit на базе МСВ-01.FPGA и модуль коммутатора SpaceWire USB Brick (Star-Dundee, Великобритания). SpaceWire USB Brick работает по каналу SpaceWire со скоростями до 200 Мбит/с. Эксперименты и измерения в различных конфигурациях связей подтвердили совместимость отечественных реализаций SpaceWire с Европейской реализацией.
Таким образом, применение технологии SpaceWire создает условия для выхода России на мировой рынок аппаратуры КА. Впервые за многие годы наша страна может стать экспортером ЭКБ космического применения и устройств на их основе для стран СНГ, ЕС, Бразилии, Японии и других государств Юго-Восточной Азии.
Рис.21. Верификация отечественной реализации стандарта ECSS-E-50-12А
На основе стандарта SpaceWire, воплощенного в отечественных СБИС, можно унифицировать системы бортового оборудования и в российской космической промышленности, что даст значительный экономический эффект и обеспечит переход к перспективным интегрированным КБО с открытой архитектурой.
В работе над проектом также принимали большое участие сотрудники ГУП НПЦ “ЭЛВИС”: А.В.Глушков, И.Н.Алексеев, Ю.Н.Александров, А.А.Беляев, Ю.И.Грибов, В.Ф.Никольский, В.А.Силин, А.А.Крымов, Ю.В.Миронова, П.А.Рыжов; ЗАО НПЦ “МиТ”: П.Л. Волков, С.В. Горбачев, Д.А. Рождественский, Е.А. Суворова, Ф.В. Шутенко, Е.Н. Яблоков; компании “АНГСТРЕМ-СБИС” (Ю.М. Герасимов) и “АНГСТРЕМ-М” (И.В. Заболотнов).
Литература
1. Шейнин Ю., Солохина Т., Петричкович Я. Технология SpaceWire для параллельных систем и бортовых распределенных комплексов. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2006, № 5, с.64–75.
2. Proposal for Analogue Interfaces Standardisation in Avionics. Avionic Systems Standardisation Committee (ASSC). July 2001, Doc. No ASSC/110/5/1.
3. Турчак А.А., Чернышев Е.Э., Михайлуца К.Т., Шейнин Ю.Е. Архитектура вычислительных систем для интегрированной модульной авионики перспективных летательных аппаратов. – Радиосистемы, 2002, №2 (вып. 65), с. 87–95.
4. Горбачев С.В., Горюнов П.В., Шейнин Ю.Е. Системные функции коммуникационной сети параллельных вычислительных систем / III ВНТК «Актуальные научно-технические проблемы разработки и реализации технических решений в отечественном авиаприборостроении». – Национальная Ассоциация авиаприборостроителей (НААП). СПб, 2000, с. 29–31.
5. Advanced TCA/ PICMG 3.0 Short Form Specification.v January 2003.
6. Горбачев С.В., Рождественский Д.А., Суворова Е.А., Шейнин Ю.Е. Масштабируемые архитектуры распределенных систем на технологии SpaceWire на базе платформы “МУЛЬТИКОР”. – Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОТ, 2006, вып.2, с. 69–80.
7. Sheynin Y., Gorbachev S. Distributed Interrupts for Real-Time Control in SpaceWire-Based On-Board Systems. – 9th Military and Aerospace Programmable Logic Devices (MAPLD) International Conference. SpaceWire Seminar. September 26–28, 2006, Washington.
8. Sheynin Y., Gorbachev S. Integrated Modular Spacecraft Avionics Architecture and SpaceWire-based Implementation. Proceedings of the 16th IFAC Symposium on Automatic Control in Aerospace, June 14–18, 2004, St. Petersburg, Russia. 2004,v. 2, p. 240–245.
9. Петричкович Я.Я., Солохина Т.В. Микроэлектронные технологии: Сигнальные микроконтроллеры серии “МУЛЬТИКОР” для перспективных аэрокосмических применений”. Труды конференции “Микросистемы-2003”, Санкт-Петербург, 2003, 14-17 июня, c. 34–37
10. Solokhina Т., Petrichkovich J., etc. MCFlight™ ‑ SOC-based chipset with SpaceWire links for Aerospace Applications. International SpaceWire Seminar (ISWS 2003), ESTEC Noordwijk, Netherlands, 4–5 November 2003, p.28–31.
11. Solokhina T.,. Petrichkovich J., etc. MCFLIGHT – Systems-оn-chip for Aerospace Applications. – 16th IFAC Symposium on Automatic Control in Aerospace (ACA’ 2004), S. Petersburg, Russia, June 14-18, 2004, Vol.2, p. 271–276.
12. Солохина Т.В., Петричкович Я.Я. и др. “MCFlight” – отечественный чипсет с портами SpaceWire для высокопроизводительных вычислительных аэрокосмических систем обработки информации в реальном масштабе времени. – ИПС РАН. РКА “ЭНЕРГИЯ”. Труды третьего расширенного семинара “Использование методов искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений в аэрокосмических исследованиях“ (АКИИ-03). 26–27 ноября 2003 г., г. Переславль-Залесский–Москва 2003, с. 17–20.
13. www.multicore.ru
14. Солохина Т., Александров Ю., Петричкович Я. Сигнальные контроллеры компании Элвис: первая линейка отечественных DSP. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, №7, с. 70–77.
15. Солохина Т.В., Петричкович Я.Я., Александров Ю. Н. и др. Микросхемы базовых серий “МУЛЬТИКОР”. Сигнальный микроконтроллер 1892ВМ2Т (МС-24). Часть1. – Chip News, № 2(95), 2005, с.20–31.
16. Солохина Т.В., Петричкович Я.Я., Александров Ю. Н. и др. Микросхемы базовых серий “МУЛЬТИКОР”. Сигнальный микроконтроллер 1892ВМ2Т (МС-24). Часть 2, Chip News, № 3(96), 2005, с.20-26.
17. Солохина Т., Александров Ю., Глушков А. и др. Новые отечественные трехпроцессорные dsp- микроконтроллеры с производительностью 1.5 GFLOPs. –Электронные компоненты, 2006, №6, с. 73—78.
18. Гусев В.В., Енин С.В., Лихих С.Н. и др. Аналого-цифровая “система на кристалле” MF01 серии “Мультифлекс”/ Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем – 2005. Сборник научных трудов под общ. ред. А.Л.Стемпковского.- М.: ИППМ РАН, 2005.
19. Джиган В.И. Многоканальные RLS и быстрые RLS алгоритмы адаптивной фильтрации. – Успехи современной радиоэлектроники, 2004, №11, с. 48–77.
20. Шейнин Ю.Е., Недоводеев К.В. Высокопроизводительная обработка больших массивов данных в неоднородных мультиядерных процессорах. – Электронные компоненты, 2006, с. 116-122.
Отзывы читателей
