SpaceWire网络混合路由机制设计、仿真及FPGA验证

摘要

目前航天技术高速发展，要求航天总线不仅能够实现数据的高速传输，而且能够适应高温、低温等恶劣环境以及具有较强的抗辐射能力。SpcaeWire总线技术因其串行、点对点、全双工、高速传输的特点，成为航天总线技术的研究热点。然而随着SpaceWire总线技术的应用范围不断扩大，因其虫洞路由传输延时的不确定性，无法保证控制数据的实时传输，导致星上网络总线的多元性，使得网络接口和协议标准化成为瓶颈。本文将动态路由和静态路由结合，设计了能实现控制数据和载荷数据共享网络的混合路由机制，并在OPNET中进行了建模仿真。为了进一步验证本文设计的路由机制的可行性，用硬件描述语言（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，VHDL）设计了可实现混合路由传输的SpaceWire路由器，并在FPGA上搭建简单的网络系统对所提出路由机制进行了初步验证。
　　（1）分析了SpaceWire总线、路由器和路由机制的研究现状，并给出了SpaceWire协议和SpaceWire-D协议规范，作为混合路由机制设计的理论基础。
　　（2）基于SpaceWire和SpaceWire-D协议，通过将静态路由（时间触发）与动态路由（事件触发）机制结合，设计了能够实现控制数据和载荷数据共用网络的混合路由机制。静态路由完全遵循SpaceWire-D协议，在保证确定性传输的同时，通过启发式调度算法首次实现了多时间窗并行调度，并提出利用最大公约数法设计时间窗，以提高网络吞吐量；动态路由通过对随机事件和载荷数据分配优先级，实现传输路径冲突时对紧急任务的优先处理。
　　（3）在OPENT中搭建网络系统仿真模型，对所提出的路由机制进行了仿真。实验结果表明，静态路由时段网络吞吐量较现有调度算法有明显提高，动态路由时段能够实现紧急事件的优先传输。
　　（4）采用VHDL编程设计了能够实现混合路由传输的SpaceWire路由器。给出了路由器设计方案，通过增加路由仲裁模块和优先级识别功能，实现动态时段数据的高效传输和传输路径冲突时对紧急任务的优先处理，避免了循环调度绝对公平的传输机制，并运用ISE开发工具对路由器进行了仿真测试。
　　（5）在Xilinx Virtex-6 ML605开发板上搭建了包含一个四端口SpaceWire路由器和四个SpaceWire节点的、能支持混合路由机制的简化SpaceWire网络系统硬件平台，对所提出路由机制进行了验证。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1课题研究目的与意义

1.2 SpaceWire总线技术现状分析

1.3 SpaceWire路由机制技术现状分析

1.4本文主要内容与结构安排

第二章SpaceWire总线协议分析

2.1 SpaceWire协议

2.2 SpaceWire-D协议

2.3本章小结

第三章混合路由机制设计及其OPNET建模仿真

3.1网络模型设计

3.2网络路由机制设计

3.3 仿真验证平台简介

3.4节点模型建立

3.5网络模型搭建与实验验证分析

3.6本章小结

第四章混合路由机制的FPGA实现与验证

4.1路由器设计整体方案

4.2硬件平台与开发环境

4.3路由机制的FPGA实现与验证

4.3本章小结

第五章总结与展望

5.1本文主要工作

5.2工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文