SpaceWire原理介绍及FPGA实现

news2024/11/25 14:33:55

SpaceWire原理及介绍

spacewire特点

SpaceWire 总线具有高速、全双工、点对点、串行传输的特点。它由欧洲航空局（European Space Agency，简称 ESA）联合欧洲航空公司等共同发起，由 Dundee 大学制定，以 IEEE-1355 接口标准为基础并结合低电压差分技术（Low Voltage Differential Signaling，简称 LVDS）提出了该协议标准。

目的：

促进高性能星载数据处理系统的构建。
帮助降低系统集成成本。
提高数据处理设备和子系统之间的兼容性。
鼓励在多个不同任务中重复使用数据处理设备。

优势：

低复杂度且易实现：接口可在约 5000 - 8000 个逻辑门中实现，可与应用逻辑或微型计算机集成在 FPGA 或 ASIC 中；采用数据 - 选通编码，无需锁相环，对偏斜有良好耐受性。
物理特性良好：双向，每方向使用两对双绞线，物理层采用 LVDS，可在单芯片上实现完整设备，具有容错特性。
高效的分组交换网络：采用虫洞路由交换机，减少路由交换机中所需的缓冲存储器；网络拓扑无限制，可使用组自适应路由实现链路带宽共享或容错；支持向网络所有节点分配时间信息，分辨率可达几微秒。

spacewire介绍

SpaceWire 总线协议是一种高速、全双工、点对点的串行传输总线。该协议标准总共包含物理层（Physical Level）、信号层（Signal Level）、字符层（Character Level）、交换层（Exchange Level）、信息包层（Packet Level）、网络层（Networks Level）六个协议层。

名称	介绍
物理层	提供物理接口
信号层	基本描述LVDS/DS编码技术/传输波特率等方面
字符层	描述字符定义、校验方式和控制器接口。分为数据字符与控制字符
交换层	负责在两节点之间建立连接和控制它们之间的数据流
信息包层	包括了数据由本地向对方节点发送中需要定义的包格式
网络层	包括了总线路由器、总线节点和整个节点网络的定义

SpaceWire的FPGA实现

整体结构说明

AHB Master：作为AHB读写需求的主机来负责将读写需求转化为AHB协议规范发送出去。
Packet Ctrl：负责读写数据包的请求产生、相关信息和状态的产生以及相应的 CRC 校验。
Glue：主要负责寄存器与子模块间的跨时钟异步握手，包括配置寄存器以及相应的状态寄存器和中断信号。
APB Config：APB 接口寄存器配置接口，为相关参数配置、状态读取以及中断产生提供接口。
SpaceWire Codec：SpaceWire 的链路节点，负责 SpaceWire 链路建立、数据接收与发送。
Loop Generic：主要负责LVDS 环回测试的信号产生以及相关信号接收校验。
LVDS：该模块负责数字信号/低压差分信号之间的相互转换，以符合协议信号层规范。

SpaceWire 模块工作流程

子模块 CODEC

CODEC模块主要实现了SpaceWire链路接口，负责对端节点的握手，并将待发送数据（数据包以及Time-Code）以符合 SpaceWire 的编码方式发送出去，同时也将接收到的数据中的有效数据（数据包以及 Time-Code）恢复出来。它主要由发送机、接收机和主状态机三部分组成。

SpaceWire 推荐的 CODEC 内部逻辑框图

CODEC中的TRANSMITTER设计

发送机TRANSMITTER 主要实现了SpaceWire 数据的发送，负责数据的编码工作、接收主机系统的传输命令以及内部状态的状态控制，同时发送相应的数据。

RECEIVER 设计

接收机RECEIVER 主要实现了SpaceWire 数据的接收，负责时钟恢复、数据译码，输出相应的数据和状态。

FSM设计

一共包含 ErrorReset、ErrorWait、Ready、Started、 Connecting、Run 六个工作状态，协议规定转换顺序有且只有这一种。

其他

控制字符

FCT（Flow Control Token）
- 作用：用于流量控制，通知接收方发送方的数据传输能力和接收方的接收能力，以确保数据的稳定传输。
- 发送时机
  - 发送方：当发送方的发送缓冲区中有数据准备发送，并且接收方的接收缓冲区有足够的空间来接收数据时，发送方会发送 FCT。具体来说，发送方根据接收方通过 FCT 请求的空间大小，来决定发送的数据量。例如，如果接收方通过 FCT 请求发送方发送 8 个更多的 N - Char（正常字符，包括数据字符、EOP 或 EEP），那么发送方就会发送相应数量的数据。
  - 接收方：接收方通过接收 FCT 来了解发送方的发送能力和自己的接收能力，以便进行流量控制。当接收方的接收缓冲区有足够的空间时，会发送 FCT 给发送方，请求发送数据。
- 接收时机
  - 发送方：发送方在接收到接收方发送的 FCT 后，会根据 FCT 中指示的空间大小来发送数据。
  - 接收方：接收方在接收数据的过程中，如果接收缓冲区已满，会停止接收数据，并发送 FCT 给发送方，通知发送方暂停发送数据，直到接收缓冲区有足够的空间为止。
EOP（End of Packet）
- 作用：表示数据包的结束，用于标记一个数据包的传输结束。
- 发送时机
  - 发送方：当发送方完成一个数据包的发送时，会在数据包的最后发送 EOP 字符。
- 接收时机
  - 接收方：接收方在接收数据时，当接收到 EOP 字符时，会知道当前数据包已经结束，开始处理下一个数据包。
EEP（Error End of Packet）
- 作用：表示数据包的异常结束，当数据包在传输过程中出现错误时，会使用 EEP 来终止数据包的传输。
- 发送时机
  - 发送方：如果在数据包传输过程中检测到错误，发送方会在数据包中插入 EEP 字符来标记数据包的异常结束。
- 接收时机
  - 接收方：接收方在接收数据时，如果接收到 EEP 字符，会知道当前数据包出现了错误，可能是数据损坏或传输中断等原因导致的。接收方会根据具体情况进行相应的处理，例如重新请求发送数据包或采取其他错误恢复措施。
ESC（Escape）
- 作用：用于转义控制，在特定情况下，用于表示特殊的控制字符或操作。
- 发送时机
  - 发送方：根据协议规定，在需要发送特定的控制字符或进行特殊操作时，发送方会发送 ESC 字符。
- 接收时机
  - 接收方：接收方在接收数据时，会根据协议规定来处理 ESC 字符。例如，当接收方接收到 ESC 字符后，会根据后续的字符来确定是否进行特殊操作，如形成更长的控制代码或执行其他特殊功能。

总结：FCT 用于通知收发双方数据传输和接收能力以确保稳定传输，发送方在接收方有空间且自身有数据时、接收方在缓冲区有空间时发送或接收；EOP 表示数据包结束，发送方完成数据包发送时发送，接收方收到该字符知数据包结束；EEP 表示数据包异常结束（如奇校验错误），发送方检测到错误时发送，接收方收到知数据包出错；ESC 是转义符用于转义控制，发送方按协议规定需特殊操作时发送，接收方按规定处理。