SpW-part2 (Технология SpaceWire для параллельный систем и бортовых распределенных комплексов)

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИТ.Солохина,Я.Петричкович, Ю.ШейнинВо второй части статьи рассмотрим, как применяется технология SpaceWire в комплексахбортового оборудования космических аппаратови других систем, требующих высоких характеристик коммуникационной инфраструктуры.Мы также представим отечественный комплектСБИС “Мультиборт”, разработанный компанией“Элвис” с партнерами для реализации технологии SpaceWire.Применение технологии SpaceWireТехнология SpaceWire [1] позволяет строить высокоскоростную коммуникационную инфраструктуру для всех видовбортовых коммуникаций, таких как передача высокоскоростных цифровых сигналов между источниками/приемникамисигналов, процессорами цифровой обработки и устройствами отображения; обмен данными между вычислительнымимодулями параллельных вычислительных систем или распределенных вычислительных комплексов; передача команд наподсистемы комплектов бортового оборудования (КБО); сборинформации с сенсорных полей и c других первичных источников информации в КБО (для источников с низко- и среднескоростными информационными потоками); распределениеметок времени в КБО, сигналов реального времени и прерываний.

Широк спектр применения технологии SpaceWireи вне аэрокосмической тематики – в различных задачах,связанных со сбором и обработкой информации, управлением в комплексах с распределенной архитектурой, в системахпараллельной обработки сигналов и данных и т.д.Сеть SpaceWire способна заменить множество отдельныхразнородных сетей (обычно – 3–5) на борту летательного иликосмического аппарата (ЛА/КА), создав единую коммуникационную инфраструктуру на базе единых технических и программных средств. Это возможно не только благодаря высоким скоростям каналов – линков SpaceWire (до 400 Мбит/сна 10 м)**.

SpaceWire отличает и ряд важных архитектурныхособенностей:• высокоскоростная коммутация пакетов с «червячной маршрутизацией» (низкие задержки, высокая пропускная способность);• гибкость и масштабируемость сети (без ограничений натопологию);• многообразие методов маршрутизации (от простого указания пути в заголовке пакета до адаптивной маршрутизациис регионально-логической адресацией);• сквозное встраивание управляющих кодов в стек протоколов (независимость прохождения кодов управленияи тайм-кодов от загруженности каналов и коммутаторовданными);• малозатратность реализации SpaceWire в СБИС, компактность, низкое энергопотребление и устойчивость к помехам и сбоям.Рис.1. Подключение источников высокоскоростных потоков данныхк ВК обработки сигналов по каналам SpaceWire: а - простое подключение датчиков каналами «точка-точка», б – подключение посредствомкоммутатораВот почему технологию SpaceWire активно применяют в разработках национальных космических агентствЕвропейского союза (ESA), США (NASA), Японии (JAXA) и Ка-  Начало см.: ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2006, №5, с.64-75.Следующий шаг в развитии технологии SpaceWire – дополнение SpaceFibre(2007 г.), расширяет диапазон скоростей до 2,5 Гбит/с, а длину линка – до100–300 м.Продолжение** ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 1/200738Таблица 1.

Примеры применения SpaceWire в зарубежных КА и проектахКосмическоеагентствоКосмический аппарат/проектОбласть применения SpaceWireЗапускESACRYOSATКанал данных с прибором Siral8.10.2005 г.ESARosettaКаналы данных с приборами VIRTIS и OSIRIS и с навигационной камерой AOCS2.03.2004 г.ESAMars ExpressКаналы данных в двух приборах (HRSC, OMEGA) и связь с датчиком положения звезд2.06.2003 г.ESAVenus ExpressКаналы данных в двух приборах (VIRTIS, VMC) и связь с датчиком положения звезд9.11.2005 г.ESAGAMMAКоммуникационная сеть между блоками массовой памяти, блоками сопряженияс датчиками, процессорными блоками БВКПроектESAAurora Avionics Architecture SystemDefinition (A3SysDef)Коммуникационная сеть между датчиками с высокоскоростными потоками оцифрованных данных, процессорными блоками распределенного БВКПроектESAPayload data processing architecture(PaDaPAr)Коммуникационная сеть для обменов с датчиками, с массовой памятью и междупроцессорамиПроектESAGAIAAstronomy science missionСопряжение процессоров обработки видеоинформации с оптическими датчиками ис ЭВМ обработки данных полезной нагрузки2012 г.ESABepi-Colombo MPOMercury observationКоммуникации между центральным компьютером платформы, вычислительным комплексом полезной нагрузки и 11 приборами2012 г.ESAExomarsMars Rover & Pasteur PayloadСопряжение восьми приборов с бортовой ЭВМ и массовой памятью2012 г.ESASolar Orbiter(SolO)Сопряжение 14-ти приборов с бортовым вычислительным комплексом2014 г.ESAMeteosat Third Generation (MTG)Управление, передача и распределение данных для обработки, синхронизация в приборном комплексе полезной нагрузки2015 г.ESAEarthCareКоммуникационная среда для доступа к системе массовой памяти SSMM (AlcatelAlenia Space)2015 г.ESAGMES S3Коммуникационная сеть для высокоскоростных реконфигурируемых информационных потоков между SSMM, процессорами обработки данных полезной нагрузкии широкополосными каналами передачи данных (3 × 150 Мбит/с)2012 г.NASASwiftСвязь высокоскоростных датчиков с основным блоком обработки данных (16 каналовSpaceWire)NASAJWSTСвязь высокоскоростных датчиков с основным блоком обработки данных.Сеть маршрутизирующих коммутаторов SpaceWire (5 шт.)ПроектNASALunar Reconnaissance Orbiter (LRO)Cвязь высокоскоростных датчиков с основным блоком управления и обработки данных (каналы SpaceWire, маршрутизирующие коммутаторы SpaceWire внутри приборов, процессорных блоков, блоков коммуникаций)ПроектNASAGeostationaryOperational Environmental Satellite,R Series (GOES-R)Cвязь высокоскоростных датчиков с основным блоком управления и обработки данных, телеметрии и команд между приборами полезной нагрузки и КБО КАПроектNASAHubble Robotics MissionСвязь высокоскоростных датчиков с бортовым вычислительным комплексомПроектNASASub-orbital missionsНет данныхПроектJAXAMercury Magnetospheric Orbiter (MMO)Сеть SpaceWire для связи с полем датчиков (sensor electronics), для передачи команди телеметрии в бортовом приборном комплексе2012 г.CSARobotic ArmСопряжение вычислительных/управляющих блоков распределенной системы управления движением робота-манипулятораПрототипнады (CSA), а также в авионике ЛА различного назначения,в том числе – в их бортовых вычислительных комплексах(БВК) (табл.1).

Федеральное космическое агентство РФ такжеприняло принципиальное решение о применении технологииSpaceWire в российской космической отрасли и об участиив деятельности международной рабочей группы по дальнейшему развитию и применению SpaceWire.20.11.2004 г.тизуются только как средства подключения источника/приемника информации к цифровой системе локальной обработки или преобразования КБО [2]. Каналы SpaceWire можноиспользовать для прямого подключения датчиков – распределенных по объекту источников высокоскоростных потоковоцифрованных данных – к вычислительному комплексу (ВК)обработки сигналов (рис.1а).Высокие скорости каналов SpaceWire открывают новые возможности для системного проектирования КБО. Во-первых,высокая пропускная способность каналов необходима длясопряжения с сенсорами, формирующими высокоскоростныеинформационные потоки.

Посредством каналов SpaceWireдатчики, распределенные по объекту, можно напрямую под-Простые решенияВ аэрокосмических КБО устойчива тенденция переходаисключительно на цифровые каналы передачи сигналови данных с пакетизацией передаваемых потоков информации.Аналоговые интерфейсы в КБО рассматриваются и стандар39ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 1/2007ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИключать к БВК (рис.1). При оцифровке сигналов типичнымив современных бортовых системах 12- и 16-разрядными АЦПформируются информационные потоки в десятки мегабайт всекунду.

Один канал SpaceWire позволяет передать информационный поток до 40 Мбайт/с (соответствует частотедискретизации 20–25 МГц) на расстояния до десятка метров.Если этих скоростей недостаточно, можно использовать такназываемые “толстые линки” – линии связи из n параллельных каналов SpaceWire, позволяющие повысить пропускнуюспособность в n раз.информации, но и по тем же каналам (и кабелям) управлятьработой датчиков – настраивать режимы и параметры функционирования, запускать тестирование и диагностику и т.п.(см. рис.1). С помощью механизмов распространения кодоввремени SpaceWire можно синхронизировать работу датчиковв реальном масштабе времени с точностью до долей микросекунд – синхронизировать их таймеры, синхронно сниматьинформацию по единому сигналу управления и т.п.Рис. 3.