SpW-part1 (Технология SpaceWire для параллельный систем и бортовых распределенных комплексов), страница 3

В результате DS&ко&дирование позволяет передавать данные в широком диапазонескоростей (в стандарте SpaceWire – от 2 до 400 Мбит/с) безРис.7. DS7кодированиеЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 5/200668предварительного согласования скоростей между приемником010и источником. Это позволяет использовать канал SpaceWire дляработы разноскоростных устройств, легко изменять скорость Vin250...400 мВобмена даже во время передачи пакетов по каналу. Не требует&~1,2 В(дифференся периодического перехода на специальные служебные после&циальное400...250 мВнапряжениедовательности кодов для синхронизации, как, например, в ка& Vin+0 В)налах с кодировкой 8В/10В (используется в таких стандартах,как Fibre Channel, Serial RapidIO, 1000&Мбит Ethernet и др.).Дифференциальное напряжение на терминирующем резисторе (Vin+ Vin-)Шкала возможных скоростей передачи по линку SpaceWireпрактически непрерывная, что позволяет гибко адаптировать100 мВскорости обмена по линку SpaceWire к требованиям приложе&Рабочий0Bдиапазонний и к реальным условиям применения (например, к помехо&100 мВприемникавой обстановке, к расстояниям и т.п.).[V in+ V in]DS&кодирование много проще и компактней в схемотехни&ческой реализации, чем, например, распространенное коди& Рис.9.

Диапазон напряжений на линиях LVDSрование 8В/10В. Это обеспечивает одно из важных преиму& ложные по знаку токи в близко расположенных проводникахществ DS&кодирования – компактную реализацию DS&кодека создают взаимно компенсирующие электромагнитные поля.Также немаловажно, что поскольку уровень дифференциальныхв СБИС и малое энергопотребление.В стандарте SpaceWire используются дуплексные соедине& сигналов невелик, не имеет значения рабочее напряжение схе&ния типа точка&точка.

S& и D&сигналы передаются каждый по от& мы драйвера (будь то 5 или 1,8 В).Кодирование данных не уровнем напряжения, а направлени&дельной дифференциальной паре. Линии передачи – однона&правленные, поэтому всего в линке SpaceWire четыре диффе& ем тока обусловливает высокую устойчивость к разнице зазем&ляющих потенциалов (до 1 В) между приемником и передатчи&ренциальные пары, по две для каждого направления.ком: абсолютное значение входного напряжения на каждом изпроводов по отношению к земле не играет большой роли.

Из&Передача сигналов (сигнальный уровень)Сформированные и закодированные битовые последователь&ности необходимо преобразовать в электрические сигналы дляпередачи через физический интерфейс. Для повышенной по&мехозащищенности и малого энергопотребления канала ис&пользуются электрические сигналы LVDS (Low VoltageDifferential Signalling – дифференцированные сигналы низкогоуровня) (рис.8) по стандартам TIA/EIA&644 и IEEE 1596.3. Этистандарты определяют величину дифференциального сигналав диапазоне 250–450 мВ при диапазоне входного напряженияприемника 2,4 В (рис.9). При этом порог срабатывания прием&ника – ±100 мВ.Драйвер LVDS (см.рис.8) формирует ток, который проходитпо физической линии связи (кабель, проводники на плате) и че&рез резистор 100 Ом на принимающей стороне.

Две пары тран&зисторов в драйвере управляют направлением прохождения то&ка через резистор. LVDS&приемники имеют высокое входноесопротивление, ток в основном протекает по резистору и фор&мирует напряжение порядка ±350 мВ при номинальном токеисточника 3,5 мА.LVDS&интерфейс обладает рядом важных достоинств. Диф&ференциальные сигналы малочувствительны к внешним поме&хам (если наводка и возникает, то практически одинаковаяв обоих проводах дифференциальной пары, и на входе прием&ника это составляющая взаимно вычитается).

В свою очередь,уровень электромагнитных помех, излучаемых LVDS&система&ми, также низок, поскольку равные по величине и противопо&69ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 5/2006МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКАрасстояния стандарт задает перечень требований к парамет&рам кабеля. В частности, фазовое рассогласование распро&странения сигналов (разница в приходе фронтов сигналов,скос, skew) между проводами витой пары не должно превышать0,1 нс/м, а между разными витыми парами – не более0,15 нс/м. Практика подтверждает, что ухудшение этих показа&телей приводит к снижению скорости устойчивой передачиданных по каналу SpaceWire. Однако в ряде практических при&менений, где не нужна скорость 400 Мбит/с, допустимы и худ&шие показатели скоса.

Так, в лабораторных условиях приблагоприятной помеховой обстановке удается обеспечиватьнормальную работу со скоростями более 300 Мбит/с дажена обычном кабеле UTP 5e.Практические исследования показали, что дальность пере&дачи также можно увеличить на десятки метров с пропорцио&нальным уменьшением скорости передачи: 200 Мбит/с на 20 м,100 Мбит/с на 30 м и т.д. И наоборот – при длине линий связив пределах 1–2 м (короткий кабель, плата) можно достигнуть600–700 Мбит/с. Кроме того, в следующей редакции стандар&та SpaceWire Part 2 (начало 2007 г.) будут включены и каналыточка&точка на волоконно&оптических линях связи со скоростьюдо 2,5 Гбит/с на расстояние до сотен метров.Раздельное DS&кодирование каждого из линков обеспечива&ет независимость скоса и джиттера между побитовыми сигна&лами разных линков, существенно упрощая передачу на высо&ких скоростях на значительные, недостижимые в параллельныхшинах расстояния.

Кроме того, это позволяет и дальше нара&щивать пропускную способность канала SpaceWire, используянесколько линков SpaceWire как параллельных линий (в скоро&стных каналах обычно называемых lanes – полосы) одного ка&нала точка&точка. Возможности SpaceWire по передаче высоко&скоростных потоков информации можно расширить, используятак называемые "толстые линки" (Fat links) [8] – группировки kлинков SpaceWire. При k = 2 получаем пропускную способностьканала до 800 Мбит/с (в каждую сторону), при k = 4 –до 1,6 Гбит/с и т.д."Толстый линк" SpaceWire имеет и лучший показатель "про&пускная способность на контакт", чем параллельные шины –10 Мбайт/с/контакт по сравнению с 1,56 Мбайт/с/контакт шиныPCI и 7,09 Мбайт/с/контакт для PCI&X. Кроме того, "толстыйлинк" обеспечивает большую отказоустойчивость, чем парал&лельные каналы: при отказе отдельной линии лишь уменьшает&ся общая пропускная способность, в то время как параллель&ный канал выходит из строя.Проводник 28 AWG(7x36 AWG)Изоляционный слойНаполнительВитая параВнутренний защитныйэкран (40 AWG)КожухНаполнительОплеткаВнешний экран(38 AWG)Внешний кожухРис.10.

Кабель SpaceWire для космических примененийза практически постоянной и небольшой величины тока пере&датчика (3,5 мА) существенно снижается уровень его шумов.Вследствие относительно небольшой разницы потенциалов ме&жду проводниками LVDS обеспечивает низкие затраты энергии(около 50 мВт на одну дифференциальную пару) – в 2,5 разаменьше, чем при ECL/PECL (ЭСЛ/ПЭСЛ, эмиттерно&связаннаялогика / псевдо ЭСЛ).Физический интерфейсНа физическом уровне стандарт описывает требования к физи&ческой среде передачи, электрическим и механическим интер&фейсам, включая типы разъемов и кабелей, а также параметрысигнальных линий на печатных платах.Кабель SpaceWire – восьмипроводной, из четырех медныхэкранированных витых пар проводов (рис.10).

Стандартнаядлина кабеля – до 10 м. Диаметр стандартного кабеля – не бо&лее 7 мм, удельный вес – до 80 г/м.В качестве стандартных разъемов для кабелей определенымикроминиатюрные 9&контактные разъемы D&типа (4 витые па&ры плюс сигнальная земля) (рис.11). В следующей редакцииSpaceWire планируется расширить число типов разъемов, оп&ределить и разъемы для подключения к шине задней стенки(backplane) в блоках.Стандарт ECSS&E&50&12A регламентирует скорости переда&чи по каналу SpaceWire от 2 до 400 Мбит/с на расстояниядо 10 м. Для передачи на максимальных скоростях на такие19,714,410,36Dout+ Sout+ Sin Din6,86 6,59562СЕТЕВОЙ УРОВЕНЬ.

МЕТОДЫ МАРШРУТИЗАЦИИОписав методы передачи данных между двумя узлами, рас&смотрим, как пакеты распространяются и маршрутизируютсяв рамках всей сети SpaceWire. Для этого предназначены про&цедуры сетевого уровня, который отсутствовал в стандартеIEEE 1355&1995.1Dout SoutSin+ Din+ВнутреннийэкранРис.11. Микроминиатюрные разъемы D7типа (размеры в мм)ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 5/200670УЗЕЛМаршрутизаторМаршрутизаторУЗЕЛВыходной порт определяется немедленно при поступлениизаголовка пакета. Занимается выходной порт. Коммутируется соединениеУЗЕЛУзел2123УзелРис.13. Удаление заголовка пакета при путевой маршрутизацииПри путевой адресации адрес назначения задается в ви&де последовательности номеров выходных портов маршрутиза&торов, через которые должен пройти данный пакет.

Принявпервый символ, маршрутизатор определяет выходной порт,удаляет этот символ из пакета и передает пакет дальше. Сле&дующий символ пакета (теперь первый) используется очеред&ным маршрутизатором для определения своего выходного пор&та и т.д. В итоге пакет прибывает к узлу&приемнику с пустымзаголовком (рис.13). Число узлов в сети при путевой адресациине ограничено.Чтобы отличать адрес при путевой адресации от других ви&дов адресации, байт путевого адреса должен иметь значениеот 0 до 31. Другие виды адресации такие адреса не использу&ют. По стандарту SpaceWire у маршрутизатора может бытьдо 32 выходных портов.

Адрес 0 назначен для конфигурацион&ного порта маршрутизирующего коммутатора. Передачей ин&формации в этот порт может задаваться конфигурация и режи&мы работы маршрутизирующего коммутатора.Поступающие во входной порт символы пакета прямо направляютсяна выходной портМаршрутизаторУЗЕЛПакет в маршрутизаторе не буферируетсяУЗЕЛ123МаршрутизаторУЗЕЛУЗЕЛ2 1МаршрутизаторМаршрутизаторУЗЕЛПри прохождении символа конца пакета EOP коммутация прекращается.Соединение разрывается, выходной порт освобождаетсяРис.12.

Червячная маршрутизацияЧервячная маршрутизацияСетевой уровень определяет методы маршрутизации пакетов иих коммутации при прохождении через сетевые узлы коммуни&кационной сети. В сети SpaceWire используется так называемая"червячная маршрутизация" (wormhole routing) [9], относящаясяк категории методов коммутации "на лету" (on&the&fly).При поступлении заголовка пакета во входной порт маршру&тизатора пакет сразу маршрутизируется (выбирается направле&ние его дальнейшей передачи, т.е. выходной порт) и начинает&ся сквозная передача потока символов пакета в выходной порт,без промежуточной буферизации и хранения в маршрутизато&ре (рис.12). Таким образом, в сетевом узле происходит и мар&шрутизация входящего пакета, и его коммутация.