SpW-part2 (Технология SpaceWire для параллельный систем и бортовых распределенных комплексов), страница 2

Простая схема коммутируемого сопряжения БВК с экранамиотображения видеоинформацииКоммутаторы SpaceWire позволяют распределять и реконфигуририровать информационные потоки между датчикамии несколькими потребителями, например между несколькимиподсистемами обработки сигналов разного функциональногоназначения (рис. 1б).

Если датчиков много, но информационные потоки от них невелики, коммутатор может играть и рольконцентратора, мультиплексируя пакеты от датчиков в своемвысокоскоростном выходном канале посредством механизмов маршрутизирующей коммутации пакетов SpaceWire.Направления коммутации можно задавать различными способами – от автоматической загрузки таблиц маршрутизациииз конфигурационной флэш-памяти или ПЗУ при пуске системы до их оперативной программной настройки со стороныВК, причем по тем же самым каналам SpaceWire.Рис. 2.

SpaceWire в структуре КБО космического аппарата MercuryPlanetary Observer (MPO)ГенерацияпакетовПлатформаПомимо пропускной способности надо помнить и о заМодуль обработкидержках распространения сигнала (latency). Например, сен- Инструментальная электроникаУстройствообработкисор с двумя 16-разрядными АЦП с частотой дискретизацииПерваяданныхстадия100 кГц формирует информационный поток 0,4 Мбайт/с. Сенсорыобработки ИнтерфейсданныхудаленногоЧтобы доставить его к системе обработки информации,МаршрутизатортерминалаМеханизмыSpaceWireнужен канал с пропускной способностью не ниже 4 Мбит/сУправлениеТерминалимониторинг(с учетом кодирования символов данных).

Задержка доставкиприводовМассоваяпары отсчетов (16+16 бит) составит 10 мкс. Более скоростнойпамятьканал (например, 200 Мбит/с) с  избыточной пропускнойспособностью позволит снизить задержку доставки комплек- Рис. 4. Модульные системы обработки данных полезной нагрузкисного отсчета всего до 200 нс. На его обработку до формиро- с коммуникационной средой SpaceWireвания следующего отсчета остается 9,8 мкс. Учитывая низкиеОтметим, что уже в структуре с одним коммутатором расзатраты на реализацию канала SpaceWire, это может быть стояния между датчиками и БВК могут составлять до 20 м навесьма привлекательным решением.максимальной скорости.

В структурах с развитой топологиейТакая простая схема, используя каналы SpaceWire, дуплек- сети связи на нескольких коммутаторах между терминальнысные по своей природе, позволяет не только доставлять к цен- ми узлами распределенного КБО (например, между датчикатральному вычислительному ресурсу множественные потоки ми и БВК) легко достижимы расстояния и в 30–50 м. ЭтогоЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 1/200740достаточно не только для большинства космических, но и летательных аппаратов [3]. Кроме того, при снижении скоростипередачи эти расстояния могут быть увеличены в несколькораз [1]: например, при скорости 100 Мбит/с – в 2–3 раза.Пример комбинированной схемы сопряжения сенсоровс ВК на рис.1 – архитектура бортовой системы космическогоаппарата MPO (Mercury Planetary Observer) ESA для международного проекта Bepi-Colombo по исследованию Меркурия(рис.2).

Скоростные потоки данных от научных приборовк компьютеру обработки данных полезной нагрузки передаются по прямым каналам SpaceWire, а каналы от менеескоростных источников мультиплексируются коммутаторомSpaceWire.¥Ç½ÌÄÕŹÊÊÇ»ÇÂȹÅØËÁ44..¥Ç½ÌÄÕŹÊÊÇ»ÇÂȹÅØËÁ44..¥Ç½ÌÄÕŹÊÊÇ»ÇÂȹÅØËÁ44..£ÇÅÅÌ˹ËÇÉÔ4QBDF8JSFпо информации от инфракрасных датчиков и др.

Так, в технологиях типа “интеллектуальная поверхность” в конструкциинесущей поверхности планера ЛА используются МЭМС с массово-параллельным управлением, позволяющие управлятьаэродинамическими характеристиками ЛА без традиционныхсредств механизации крыла с шарнирными приводами (этотехнология разрабатывается в рамках проекта Smart Wingагентств DARPA и NASA).Для работы с большим числом высокоскоростных цифровых сигналов (ВЦС) наиболее эффективны распределенныеКБО с немагистральными архитектурами.

В качестве коммуникационной инфраструктуры используются каналы «точкаточка», программируемые многоканальные коммутаторы,а также преобразователи параллельных каналов в высокоскоростные последовательные. Технология SpaceWire позволяетстроить широкий спектр масштабируемых модульных сетевых структур из маршрутизирующих коммутаторов и высокоскоростных последовательных каналов (линков SpaceWire),формируя программируемую коммутационную среду (ПКС).ПКС на основе высокоскоростных последовательных каналов и коммутаторов SpaceWire обеспечивает:›ÔÐÁÊÄÁ˾ÄÕÆÔ¾ÌÀÄÔǺɹºÇËÃÁ½¹ÆÆÔÎÁÌÈɹ»Ä¾ÆÁؚÄÇÃÁÈÉÁ¾Å¹ÁÈɾ½ÇºÉ¹ºÇËÃÁÁÆÍÇÉŹÏÁÁРис. 5.

Распределенная архитектура управления массовой памятьюGAMMAVPUДругой типичный пример работы в КБО с высокоскоростными информационными потоками – программно-управляемое распределение информационных потоков и изображений, формируемых БВК, на множество экранов отображенияинформации (рис.3). Высокоскоростная «червячная маршрутизация», обеспечивая малые задержки и не требуя буферизации проходящего через коммутатор пакета, позволяетпередавать кадр изображения любого размера целиком, ненарезая его на пакеты. С помощью программно-настраиваемой таблицы маршрутизации можно оперативно реконфигурировать информационные потоки и направлять на мониторынужную в данный момент информацию. Дуплексные линкипозволяют по тем же каналам передавать информациюи в обратную сторону – например, запросы от операторово видах отображаемой информации.VPUVPUОптическиесенсорыVPUVPUVPUVPUУстройствавидеообработки(VPU)Модуль полезной нагрузкиПамятьнаучныхданных(700 Гбайт)БлокобработкиданныхполезнойнагрузкиСинхронизацияЦентральныйблокданныхСинхронизацияТеле�метрияИнтер�I/O фейсПередачаи управлениеТеле�телеметриейуправлениеПамятьданныхтелеметрии(8 Гбайт)Центральноеустройствораспределенияи мониторингаШина SVNСистемаПрограммируемая коммутационная средаЭнерго�Микро�командобеспечениеприводыВ составе перспективных КБО становится все больше датчиавионикиков и исполнительных устройств (в том числе высокореактивСервисный модульных), а в перспективных системах – массово-параллельныхSpaceWireMIL�STD�1553Bисполнительных полей.

Все они формируют или использу- Рис. 6 . Коммуникационная среда на SpaceWire в КБО космическогоют высокоскоростные цифровые информационные потоки. аппарата GAIAХарактерные примеры – встраиваемые в бортовые РЛС • трансформацию потоков сигналов с многоразрядныхсистемы передачи данных между космическими аппаратамипараллельных АЦП информационных датчиков в пакеты,которые передаются по высокоскоростным последовательи наземными пунктами; системы отображения видеоинформации на многопиксельных индикаторных панелях; системыным каналам;формирования синтезированных изображений обстановки • возможность располагать датчики на любом удалении от41ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 1/2007ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИпроцессоров обработки сигналов (в разумных для бортапределах), что упрощает размещение КБО на борту КА/ЛА;• сокращение числа физических линий передачи, а следовательно – снижение массы и стоимости кабелей (на практике – 20–30 линий вместо нескольких сотен);• программную реконфигурацию информационных связеймежду системами КБО в зависимости от текущей задачиили технического состояния оборудования (распределениепотоков сигналов от датчиков к устройствам обработки,коммутацию высокоскоростных цифровых информационных потоков и т.д.).снабжен двумя линками SpaceWire.

Для объединения модулейSSMM в распределенную структуру и организации доступак ним используются масштабируемые структуры на маршрутизирующих коммутаторах SpaceWire. Это позволяет распараллеливать доступ к массовой памяти, оптимизироватьпроизводительность подсистемы памяти, улучшить ее администрирование бортовыми подсистемами, упростить реконфигурируемость подсистемы массовой памяти, прозрачнуюдля прикладных подсистем КБО.

Аналогичный подход применен компанией Alcatel Alenia Space в КБО спутника EarthCare.ПКС на основе SpaceWire может сопрягаться с низкоскоростными каналами КБО CAN, SPI, MIL-STD-1553B (ГОСТ26765.52-87), STANAG 3910 (ГОСТ Р50832-95). Для этогоиспользуются узлы-шлюзы, которые упаковывают сообщенияэтих каналов в пакеты SpaceWire. Данный подход, в частности, обеспечивает преемственность архитектуры – возможность поэтапного, эволюционного перехода к КБО новогопоколения и обратную совместимость с эксплуатируемымсейчас оборудованием.Высокая пропускная способность каналов SpaceWire позволяет мультиплексировать сообщения практически от любогочисла низкоскоростных каналов.

С другой стороны, простотааппаратной реализации делает сеть SpaceWire достаточнодешевой для того, чтобы строить на ее основе средне- и низкоскоростные системы сбора информации и управления.Избыточные скорости (свыше 2 Мбит/с) канала SpaceWire– до 400–600 Мбит/с – практически не повышают стоимостьаппаратуры сети по сравнению со старыми низкоскоростными стандартами.CPUJTAGВстроенныйотладчикOnCDUARTIT, RTT,WDTICTRRISCorEAMBA AHBFPUCRAMLPORT4 каналаКоммутаторDSPSpaceWire2 каналаDMAФАПЧMPORTXRAMYRAMPRAMFlashSRAMSDRAMIOРис.7. СБИС сигнального контроллера МС-24RСтандартизованные протоколы, масштабируемые структуры коммуникационных сетей на маршрутизирующих коммутаCPUторах, высокие скоростные характеристики делают SpaceWireJTAG ВстроенныйUARTКонтроллерТаймерыотладчикпрерыванийперспективной для унифицированных модульных архитектурOnCDных решений КБО КА.

Компания EADS Astrium предложилаRISCorEОбщую архитектуру модульных систем обработки данныхAMBA AHBFPUполезной нагрузки КА (Payload data processing generic archiДвухпортовоеGPIOtectures) как концептуальную основу проектирования КБООЗУперспективных КА (рис.4). Данные с сенсоров после перАЦПЦАП4 каналавичной обработки передаются по каналам SpaceWire через4 каналаКоммутатормаршрутизирующий коммутатор в центральный вычислитель SpaceWireFlashКБО.

Маршрутизирующие коммутаторы SpaceWire организу- interface SpaceWireSRAMMPORT2 каналаSDRAMDMAют доставку данных на блоки обработки, в массовую память,IOPLLв тракты передачи результатов обработки на Землю. Они жесопрягают подсистемы полезной нагрузки со служебнымиРис.8. Периферийный контроллер МСТ- 01подсистемами КБО космического аппарата.Широкий выбор структур ПКС на основе SpaceWire позвоSpaceWire активно внедряется в распределенные архитекляетстроить конфигурации распределенных КБО, оптимизитуры КБО и как унифицированная коммуникационная междудатчиками и подсистемами массовой памяти, в частности рованные под специфику оборудования полезной нагрузки КА,– в распределенной архитектуре доступа к памяти GAMMA под характеристики информационных потоков и выбранных(Generic Architecture for Mass Memory Access), разработанной схем их обработки в КБО КА.

Компания EDAS Astrium SatellitesEADS Astrium (рис.5). В GAMMA каждый модуль твердо- в проекте спутника GAIA для астрономических исследованийтельной массовой памяти SSMM (Solid State Mass Memory) использовала специализированную структуру ПКС SpaceWireЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 1/200742для массовой доставки оптических данных на блоки видеопроцессоров, а с них – на процессоры обработки данныхполезной нагрузки. Эта ПКС также сопрягает ЭВМ полезнойнагрузки с центральным блоком мониторинга и распределения информации сервисного модуля КА (рис.6).SpaceWire-контроллерами.