SAE高速环形总线概述.doc

SAE高速环形总线概述SAE高速环形总线概述迈克?括拉斯‘摘要本文介绍了一种新的联网标准.它具有高残存力,高流通量,低延时和实时操作等特性.在过去的十年里,M1L—STD一1553标准,ARINC标准及其他一些标准都满足了航空电子综合系统及其他军用电子设备的联网要求.尽管在以后几年里,MIL—STD一1555标准和其他一些标准还将继续使用.但是,只有采用光纤和其他最新搜术的更先进的联网协议,才会满足将来的实时应用.这将是肯定无疑的..在60年代末和70年代初,自开工程师协会(sAE)下属的A2K委员会推出了MIL—STD一1553标准.近几年来,SAE下属的AE一9B委员会(现易名为ASD一2委员盒一直致力于开发高速数据总线标准,以代替1553标准AE一9B委员会的奋斗目标是制订这样的局部网络标准.该标准不仅可支持高于1553的(1MHz>数据速率,而且还须具备许多其他高速实时系统所必须的特性.?198’0年初,AE-gB委员会成立了高速应用任务需求(HART)子委员会它的工作是要制订出指导开发高速标准的根本原理和法那么.HART的工作方针纂中在ISOIOSI模式的物理层和逻辑链路层.它通过空军的PavePilI8f,B一1B和ATF方案.海军(考虑到机载,舰载和岸基使用的特点)以及英国方面的潜在用户等收集了大量的有关信息.在开发标准的早期阶段,提出了j午多供选择的总线拓扑和协议,计有星形总线,环形总线,线状总线和载波侦听多路访问(CSMA)等.经该委员会进行大量的比照研究之后,供选择的范围才慢慢缩小.HART委员会考虑需要超过1553标准和其它一些标准的性能有以下三个用高速字计数器来支持很高的流通效率.HART文本的另一个通要求是分布式控制或称令牌传递.由于环形令牌传递的时阔消耗比命令/响应系统的轮询序列的时间开销要少.因此,采用令牌传递控制可以减少系统开销.令牌传递的另一个优点是提高了系统的可靠性.这是因为消除了与命令/响应网络的总线控制器有关的单点失效模式的缘故.HART文本指出的另外二项要求是寻址方式和延迟级(Cla~sesoflatency).寻址方式分为物理寻址和逻辑寻址.物理寻址是为网络上的每个站点指定各自的单一地址,以用于常规的站与站之间的通信.逻辑寻址需要一个与任何单一站点都无关的信息目的地址,用来识别一些特殊的通信.例如向网上各个站点发送导航信息.逻辑寻址支持多向投递一向网上的预定子区发送信息和播送信息一向网上所有站点发送信息.各种优先权信息有着不同延迟级要求,在令牌传递协议中嵌入某种机构后,使高度紧追(如危及安垒)的信息,可先于其他网络传输,而立即发送.HART文本还列出了许多有开关高速网络拓扑的要求.最少站点数为128,站的间距为3OO米(最好为100O米),电气隔离以及站的耦台,插入,移去的方针等.文本要求标准不受数据速率和介质类型(导线和光纤)的影响.本文还论及了系统可靠性和抗毁性方面的要求.例如对于站和/或介质失效,必须能迅速地恢复.2.性艟要求除上述一般要求外,HART文本还提出了大量的性髓要求和设计目标.由于本标准主要用于军事方面,所以特别强调实时性蒯方面的要求.其中,信息速率是最重要的判据.平均位数据速率与以下参数有关:作用站点数量的多少(I~128可变的),用不用播送和(或)多向投递效劳,信息传输量的变化,可变的延迟级和信息开销,短的和长的信息,作用的和非作用的站点数量等.另外一个对性能评估的参数是字错误率.标准规定.对已检测出的字错,每100X10.秒不大于1个的概率为9O%J对未检测出的字错,每四小时不大于1个的概率为9O.再一个耍考虑的参数是随着消息优先权别的变化系统可容许的最长延迟时间.所谓延迟时间,即从发送数据开始到接收站得垒部消息为止的这段时间.对拥有128个站点的网络,有四个站发送信息,标准特别要求减少最低优先权的消息的等待(延迟)时间.SAEAE一9B委员会和HART子委员会利用调查表,图表和计算机模拟来评估推荐的各种网络方寨的性能.虽经长期努力,仍未能得出一致的结论.因此最后决定推出二个高速数据通信标准,即sAEAS4074.1一线状令胂传递多路数据总线和SAEAS4074.2一高速环形总线.一29—二,环形总线拓扑SAE环形总线的物理拓扑(图1a)是用二条并行的点一点链路串接成环形通路,可连接2至128个站点的数据通信系统.这二个环形通路是互为反相旋转的,即内环提供逆时针信号通路,外环提供顺时针信号通路.环形总线上站的典型结构如图Ib所示.它有二个连接介质形成双环的环接口模块(RIM),一个执行协议控制的环接口部件和一个主机接口.主机通常是一台馓处理机.任何站点不管是失效还是未上电,RIM中的旁路器都可使环操作继续进行.艘甚.4-.e蠢{(c.Ⅳj幢结束堇I弭鞠〞界符\糍竞疆I帧状态li瞅惠{扣艘帧收想2l噪普I『『】1JtoI1I1os3lII1IS口T2lIR2jl1盘ll1Ro4,令牌幢如枝‰置?图2环形总线中帧的类型?(a)令牌帧,(b)信息帧}(c)信标帧双环拓扑用三种持有的方法来增强系统的可靠性.当环接口摸,块或某介质段出现故障时,双重冗余可使系统能在另一环上继续操作.另外,环接口模块的旁路器使站对于未上电或故障呈透明状态,以致系统的其余局部能移继续操作.在双环上的同一段介质同时出现故障时,系统可以用回路返回(1oopback)结构(图lc)来配置任何给定的站.回路返回站可以从条环线接收信号,并重新发送到另一条环线上去.在配置成同路返回模式时,一条环形线作为信息的主动接收和发进器.而另一条环形线上的RIM~I|是被动的转发器./HART文本规定用桥式机构来支持二个或更多的环形总线之间的互连(图ld)标准规一8O一圈34位/5位NRZI编码(a)简化框图,定可用桥来联结另外的三个环,从而使简按联入网的站点数,可从128增_~512.三,介质的独立性HART文本的一个首要宗旨说明,高速标准与数据速率和传输介质是无关的.状标准和环形标准中,有关电子和光纤介质的使用说明并未放入标准的主体局部,而是用附录方式提出的.这样,在具体实施时,对于数据速率和介质以及有关发送和接收信号参数等方面的选择就提供了极大的灵活性.对于环形总线标准,用电子方式实现时,附录要求50M波特的信号速率(40MHz的数据速率),当用光纤实现时,附录要求100M波特的信号速率(80MHz的数据速率).对于电子介质,附录要求500的三芯电缆,传输幅值为4V(峰一峰值),并具有机电旁路器.对于光纤介质,附录(主要由SKE的KSD一3一原名KE—gC～委员会开发)推荐100馓米的光纤和无源的分流(光)旁路机构,并规定两者的位误码率均为10I1..四,帧,符号和代码位SAE环形总线标准规定了三类帧格式t令牌帧,信息帧和信标帧(图2).令牌帧为信息传输提供了分布式访问控制的方法.信息帧用于信息盼实际传输.在上电初始化以及失效恢复序列期间,为了控制环的重新配置,需要用剜信标帧.图3给出了高速环形总线标准规定的编码方案.三种格式的帧,都是由符号和代码位组合而成.,如下图,在物理介质上传输的所有信号位的极性用不归零翩反转(NRZI)强码来决定.如假设下一符号位或代码位是0,那么该信号位的极性保持前一信号位的极性不变.如假设下一符号位或代码位是,剐该信号位的极性与当前信号的极性相反.符号和代码位这种表示,消除了三个以上连续同极性信号位的传输.-把符号转换成信号位韵编码方案是4位/5位(4B/5B)编码.4B/SB编码把4个数据位转换成5个符号位.然后由NRZI编码,把该符号位转换成信号位.四位二进制的l6种可能的组合,每一组合都被转换成各自唯一的五位符号.因此,在信息帧的信息域申,每l6位的字都由4个符号组成.,.除了用l8个符号表示l6进制信息组之外,还有一些专用的非I8进制符号.用作帧的起始一31—或结束定界符.由J,K和A符号组合成三种格式帧的起始定界符,而结束定界符均为单一的T符号.“空〞符号由五个连续的〞1〞组成.遣导致在物理介质中形成〞1和〞0〞的交替传送.空符号用于令牌帧和信息帧中.它是环形总线时钟恢复(同步)方案的一局部.空符号还作为某些信息传输序列之后和系统重新配置时的填充,以使信号位充满整个环,以保持同步.代码位(不是符号)用在令牌帧的各种控制子字段和信息帧的状态字段中.在系统工作时,各站必须能实时地改变这些位的值.因此,令牌帧中的令牌状态,优先权和保存子段以及信息校验序列的错误标志和确认等位均未采用4B/5B编码/译码,从而有可能规定各站的4信号位次的最大延迟时间.五,令牌传递在正常操作时,环形总线被访问是通过环绕环形总线连续传递的令牌帧来实现的.在令牌传递工作模式时,每个站的工作犹如一个被动转发器.二类令牌帧一空令牌帧和忙令牌帧一是由令牌状态位来区分的.当没有站点竞争发送息时,空令牌就继续沿环传递.当某一站点有信息发送的时候,它就触发令牌状态位,使其变忙,并把它的信息附加在忙令牌帧的后面,形成信息帧.在信息帧结束之后,发送站进出一个新的空令牌.环形总线的一个突出优点是它的具有优先权的通信协议.这种优先权通信是通过令牌帧中优先权字段和保存字段来实现的.当一个信息正沿着环传送时,任何站都可使用保存字段告诉环,它有信息等待发送.通过修改忙令牌的保存字段的值,现行信息和竞争站点信息的优先权数,实现通信的灵活性.然而等待信息的优先权必须高于由保存字段指示的现行信息的优先权,才能使等待信息超前实现信息传送.保存字段的优先数可设定为0～7.其中0表示为最高的优先权.当发送站送一个新的空令牌时,其优先权字段的值由刚返回的忙令牌的保存字段来决定.因此空令牌可以被申请.任何具有等于或大于空令牌优先权的后续站,都可把自己的信息帧发送到总线上去.对于正常的令牌传递序列来说,〞短〞信息协议是一个例外.短信息的发送时间远小于信号在环上的传播时间.使用短信息协谭可以减少令牌传递的开销.这时暂停使用通常的优先权协议规那么.在一个忙令牌之后,最多可连续跟随15个短信息.信息帧是用来实现信息传输的.信息帧中的数据总是从请求空令牌的站,进到一个或多个目的站的.如图2b所示.接续附加字段到一个忙令牌帧后,形成信息帧.其中信息优先权字段表示了该信息的实际优先数.它必须等于或大于忙令牌的优先权字段值.协议还提供了重试单个信息的功能,并由重试状态位来控制.传送16位字长字的数目,由字计数字段来决定,其范围为1~4096.发送地址字段规定了发送站的七位物理地址.SAE环形总线标准支持二类目的地址寻址——物理地址寻址和逻辑地址寻址对于一个特定的信息,其寻址方式由逻辑,物理子字段决定.此外,当经桥与其他环连接通信时,标准还支持全局寻址.通过二位垒局物理地址字段或四位垒局逻辑地址字段来识别外部环的地址.16位物理目的地址字段叉分成7位物理地址和9位子地址段,分别支持对128个站点和每个站点中512个子地址寻址一32—逻辑寻址时,逻辑地址的长度,可由地址计数子字段规定为16,32,48或64位.因此,逻辑地址子字段的长度为1至4字.这由系统要求决定.’可变信息字段包含1~4096个16匣字长的数据字(与字计数字段规定相同).另外,还包含调节子段,以提供256或更长的字计数.调节子段由8个空符号组成,嵌在信息字段的每。