SpW-part1 (Технология SpaceWire для параллельный систем и бортовых распределенных комплексов)

МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКАSpaceWire – это наиболее передовая и активно развиваемая сегодня технология для построения распределенных гетерогенных бортовых систем, преждевсего аэрокосмического назначения. Ее поддерживает и внедряет в перспективные космические аппараты (КА) и Европейское космическое агентство ESA, икосмические агентства США (NASA) и Японии (JAXA).В российской космической отрасли развивать и внедрять технологию SpaceWire стратегически важно,поскольку она способствует обеспечению современных тактикотехнических характеристик перспективных российских КА, конкурентоспособности на мировом рынке космических технологий и услуг, развитиюмеждународного сотрудничества в космической области с другими странами, совместимости и унификации разработок аппаратуры КА российских предприятий.

Технология SpaceWire перспективна и вдругих областях, где используются встроенные распределенные и параллельные информационновычислительные и управляющие комплексы, работающие в реальном времени.В разработке технологии SpaceWire принимали активное участие специалисты российских университетов и компаний – СанктПетербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (ГУАП), ГУП НПЦ "ЭЛВИС", ЗАО НПЦ"Микропроцессорные Технологии".

Что особенно важно,компания ЭЛВИС разрабатывает и производит в рамках своего семейства "Мультикор" специализированные СБИС [1], оснащенные встроенными контроллерами SpaceWire.Однако отсутствие информации об этой технологии иподдерживающих ее отечественных СБИС затрудняетосвоение SpaceWire фирмамиразработчиками. Восполним этот пробел.ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 5/2006Ю. Шейнин, СанктПетербургскийгосударственный университет аэрокосмическогоприборостроения (ГУАП)Т.Солохина, Я.Петричкович, ГУП НПЦ “ЭЛВИС”ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ СТАНДАРТА SpaceWireОдна из основных тенденций в области аэрокосмической тех&ники – унификация и стандартизация оборудования и интер&фейсов комплексов бортового оборудования (КБО).

Важней&ший элемент любого современного КБО – система передачиинформации. Работы в области создания и внедрения унифи&цированных бортовых систем передачи данных насчитываютболее чем тридцатилетнюю историю – достаточно вспомнитьиспользуемую до сих пор спецификацию MIL&Std&1553B, пер&вый стандарт бортовых локальных сетей, утвержденныйв 1973 году.По мере расширения и усложнения задач, реализуемых пер&спективными космическими и летательными аппаратами, воз&растали и требования к комплексам бортового оборудования(КБО). Существующие архитектуры КБО с низкоскоростнымиУровнимодели OSIУровниSpiceWireПриложенийПредставленияСессионныйТранспортный(во 2й редакции)СетевойТранспортныйСетевойПакетныйОбменаСоединенияСимвольныйФизическийСигнальныйФизическийРис.1. Сопоставление иерархии протоколов стандарта SpaceWireс моделью OSI64каналами передачи информации перестают соответствоватьсовременным требованиям.

Стали необходимы новые техноло&гии комплексирования высокоинтеллектуальных подсистемКБО в интегрированные масштабируемые комплексы с откры&той архитектурой [2].В результате через 30 лет после появления MIL&Std&1553B,24 января 2003 года, был опубликован стандарт SpaceWire(ECSS&E&50&12A "SpaceWire – соединения, узлы, маршрутиза&торы и сети") [3]. Стандарт разработан под эгидой междуна&родного комитета Consultative Committee for Space Data Systems(CCSDS) Европейской ассоциации по стандартизации космиче&ских систем ECSS (European Cooperation for SpaceStandardisation). Головной исполнитель – Европейский центркосмических исследований и технологий ESTEC Европейскогокосмического агентства ESA. В разработке участвовали специа&листы многих стран, в том числе российских университетов икомпаний: Санкт&Петербургского государственного универси&тета аэрокосмического приборостроения (ГУАП), ГУП НПЦ"ЭЛВИС" и ЗАО НПЦ "Микропроцессорные Технологии".SpaceWire – это перспективная системообразующая техно&логия для высокоскоростной коммуникации и комплексирова&ния бортовых систем аэрокосмических аппаратов, которая мо&жет найти применение и в распределенных системах различно&го назначения (промышленных, бортовых наземных и т.п.).SpaceWire разрабатывалась в соответствии с такими требова&ниями аэрокосмических применений, как высокие скорости пе&редачи информации, малые задержки доставки сообщений, ус&тойчивость к отказам и сбоям, низкое энергопотребление,электромагнитная совместимость, компактная реализацияв СБИС, поддержка систем реального времени и системныхфункций бортовых комплексов.Технология SpaceWire оказалась настолько удачной, что бы&ла принята как базовая не только ESA, но и космическимиагентствами США (NASA) и Японии (JAXA).

Международная ра&бочая группа SpaceWire WG с участием представителей ESA,NASA и JAXA продолжает разработку второй очереди стандартаSpaceWire. Включиться в эту работу планирует и Федеральноекосмическое агентство РФ.Разработка технологии SpaceWire базировалась на трехстандартах: IEEE 1355&1995 [4], TIA/EIA&644 [5] и IEEE Standard1596.3&1996 [6].

Стандарт IEEE 1355&1995 предназначался дляпостроения высокопроизводительных масштабируемых мо&дульных параллельных вычислительных систем. Другие два сла&гаемых SpaceWire – стандарты TIA/EIA&644 и IEEE 1596.3&1996 –описывают метод передачи данных дифференциальными сиг&налами с малым напряжением LVDS (Low Voltage DifferentialSignalling).Взяв за основу эти три стандарта, адаптировав их для аэро&космических применений и добавив недостающие для косми&ческих применений свойства и характеристики, разработчикисформировали спецификацию SpaceWire.Таблица 1. Стек протоколов стандарта SpaceWireУровень иерархииОсновные функцииСетевой уровеньМаршрутизация пакетов в сетевых узлах; ориенти&рован на использование "червячной маршрутиза&ции" (wormhole routing) пакетовУровень пакетовФормат пакетов и метод инкапсуляции данных в па&кетыУровень обменаУстановление и управление соединением точка&точ&ка (уровень звена данных), включая инициализациюканала связи, управления потоком данных, синхро&низацию, обнаружение неисправностей и переза&пуск соединенияУровень символовФормирование и кодировка символов данных иуправленияСигнальный уровень Преобразование данных в сигналы линии связи,спецификация их электрических и временных пара&метров, границ помехоустойчивости и скорости пе&редачи данных в каналеФизический уровень Определяет разъемы, кабели, проводники на печат&ных платах и технические требования по обеспече&нию электромагнитной совместимости (ЭМС)АРХИТЕКТУРА SpaceWireСтандарт SpaceWire регламентирует логические протоколы,физические разъемы и кабели, электрические свойства соеди&нений, которые определяют канал связи SpaceWire, архитекту&ру коммуникационной сети и обеспечивают средства передачипакетов информации от исходного узла до требуемого узла на&значения через масштабируемую коммуникационную сеть.

Онописывает работу коммутационной сети на шести уровнях ие&рархии (табл.1). Их можно условно соотнести с семиуровневойэталонной моделью взаимодействия открытых систем OSI(рис.1). Однако принципы межуровневого взаимодействия, по&ложенные в основу SpaceWire, несколько отличаются от эталон&ной модели OSI. Например, управляющие коды, формат кото&рых определяется на уровне символов, используются не толькодля управления потоком данных непосредственно в канале, нои при маршрутизации на сетевом уровне.Сеть SpaceWire состоит, в общем случае, из некоторого чис&ла узлов&абонентов (SpaceWire nodes) и сетевых узлов – мар&шрутизирующих коммутаторов (routing switches) (рис.2).Узлы&абоненты сети SpaceWire – это устройства, передаю&щие и принимающие потоки данных. Они связаны с маршрути&зирующим коммутатором или друг с другом дуплексными кана&МаршрутизаторЛинк...Маршрутизатор...МаршрутизаторМаршрутизаторЛинкУзелУзел...УзелУзелУзел...УзелУзелУзел...УзелРис.2.

Обобщенная структура сети SpaceWire65ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 5/2006МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКАлами, называемыми линками (link). Узел оснащен одним илинесколькими линк&портами и интерфейсом с источником дан&АдресаМаркер концаПоле данныхназначенияпакетаных (хост&устройство (host) – процессорный модуль, датчик,исполнительное устройство, периферийный контроллер, и др.).От хост&устройства узел принимает данные, кодирует их и от& Рис.4.

Формат пакета SpaceWireправляет в свой передатчик, непосредственно подключенный к ния – для передачи по сети SpaceWire разбиваются на пакеты.Пакет SpaceWire (рис.4) включает поле заголовка, содержа&линку (рис.3). На другом конце линка данные принимает при&емник, который их восстанавливает (декодирует) и передает щее адрес назначения, и поле полезной нагрузки с даннымиадресату (другому хост&устройству) или на выходной порт мар& пользователя, ограниченное маркером конца пакета. Пакетышрутизирующего коммутатора. Приемник и передатчик с необ& передаются по сети друг за другом без каких&либо разделите&ходимыми элементами управления и интерфейсами к хост&уст& лей и интервалов. В качестве начала заголовка пакета всегдаройству образуют контроллер линка SpaceWire (по сути – тра& рассматривается его первый символ.