SpaceWire路由器IP核的设计与实现

摘要

随着空间探测技术的发展,卫星上携带了越来越多的观测仪器和设备,特别是出现了越来越多的成像类仪器。这就导致了星载电子设备产生和待处理的数据总量迅猛增长,对设备之间用于信息交换的总线提出了更高的要求。
　　 SpaceWire是ESA于2003年提出的一种串行、高速、点对点、全双工的数据网络标准,能很好地满足现代星载设备间高速数据传输的需求。目前,SpaceWire技术得到了各航天大国的重视,并且已经在许多航天任务中得到了应用。随着应用的深入,构建SpaceWire网络是必然趋势,而SpaceWire路由器担负着数据交换的任务,是SpaceWire网络中的核心器件。因此,开展对SpaceWire路由器的研究具有重要意义。
　　 本课题在充分调研的基础上,确定了SpaceWire路由器的功能和性能需求,设计了支持7个SpaceWire端口的SpaceWire路由器IP核,并进行了软件仿真和硬件测试。实验结果表明,该路由器IP核支持SpaceWire数据包的物理寻址和逻辑寻址,实现了高、低优先级和循环优先级相结合的裁决机制,能够完成群组路由功能。根据仿真结果分析,每个端口理论上都支持高达200Mbit/s的SpaceWire链路速率。
　　 本课题的创新之处在于:
　　 设计并实现了裁决cell这一基本逻辑单元,提出了一种基于裁决cell互连结构的裁决功能实现方案。该方案取得了很好的效果,一方面,可以使裁决功能的实现逻辑清晰化,有效解决了SpaceWire路由器仲裁规模大、仲裁机制复杂的难题；另一方面,因为实现裁决功能的基本逻辑单元相同,所以便于通过增加裁决cell数量扩大裁决规模,从而增加路由器的SpaceWire端口数,这种方案大大增强了路由器的可扩展性。
　　 本课题设计实现的SpaceWire路由器IP核加上SpaceWire CODEC后能够实现SpaceWire数据包的路由交换功能,而且可以很方便地应用在SOC系统中,具有较强的实用价值。同时,本课题的研究成果为SpaceWire网络技术的研究进行了有益的探索,具有启发和借鉴意义。

目录

文摘

英文文摘

图目录

表目录

第一章 绪论

1.1 课题的目的和意义

1.1.1 各种总线的比较

1.1.2 SpaceWke总线的应用情况

1.1.3 研究SpaceWire路由器IP核的意义

1.2 SpaceWire总线的国内外研究进展

1.2.1 国外研究进展

1.2.2 国内研究进展

1.3 课题的主要内容

1.4 论文章节安排

第二章 SpaceWire协议简介

2.1 物理层(Physical Leval)

2.2 信号层(Signal Leval)

2.3 字符层(Character Level)

2.4 交换层(Exchange Level)

2.5 数据包层(Packet Level)

2.6 网络层(Network Level)

第三章 SpaceWire路由器IP核设计方案

3.1 SpaceWire路由器IP核的需求分析

3.2 SpaceWire路由器IP核整体结构

3.3 SpaceWire路由器IP核模块划分

3.3.1 包头识别模块

3.3.2 路由表模块想

3.3.3 裁决模块

3.3.4 交换矩阵模块

3.3.5 对外并行口模块

3.3.6 内部配置口模块

3.4 各模块间接口时序

3.4.1 包头识别模块与SpaceWire CODEC及对外并行口模块之间的接口时序

3.4.2 包头识别模块与路由表模块之间的接口时序

3.4.3 包头识别模块与裁决模块之间的接口时序

3.4.4 包头识别模块与交换矩阵模块之间的接口时序

3.4.5 交换矩阵模块与SpaceWire CODEC或对外并行口模块之间的接口时序

3.4.6 内部配置口模块与其他模块的接口时序

3.5 时钟分配

3.6 FPGA选型

第四章 SpaceWire路由器IP核的实现

4.1.Actel FPGA设计流程

4.2 SpaceWire路由器IP各模块的编码实现

4.2.1 时钟管理模块的实现

4.2.2 包头识别模块的实现

4.2.3 路由表模块的实现

4.2.4 裁决模块的实现

4.2.5 交换矩阵模块的实现

4.2.6 对外并行口模块的实现

4.2.7 内部配置口模块的实现

4.3 综合

4.4 布局布线

4.4.1 资源利用情况

4.4.2 静态时序分析

第五章 测试电路的设计

5.1 SpaceWire路由器IP核测试电路设计方案

5.2 硬件没计

5.2.1 电源设计

5.2.2 时钟设计

5.2.3 LVDS接口设计

5.2.4 下载电路设计

5.3 软件设计

5.3.1 数据发送部分设计

5.3.2 数据接收部分设计

第六章 仿真和验证

6.1 仿真

6.1.1 testbench设计

6.1.2 单路数据包交换

6.1.3 多路地址不冲突的数据包交换

6.1.4 多路地址冲突的数据包交换

6.2 电路验证

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 后续研究展望

[附录]SpaceWire接口终端的设计

1 工程背景

2 实现方法

3 设计验证

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢