楊 峰，陳 偉，王宣明，楊晴柯

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

1394總線關鍵協(xié)議分析與研究*

楊 峰1，2，陳 偉3，王宣明1，2，楊晴柯3

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

在新一代飛機安全關鍵/任務關鍵系統(tǒng)中，對總線的實時性、確定性、可靠性提出更高的要求。1394總線協(xié)議通過規(guī)范強制根節(jié)點、靜態(tài)分配通道號、縱向奇偶校驗、STOF同步、異步流包通信及發(fā)送/接收端電氣特性指標等約束，保證了總線傳輸?shù)母邔崟r、高確定及高可靠性。針對1394總線在安全關鍵/任務關鍵系統(tǒng)中的應用需求，分別從總線拓撲結(jié)構、總線包格式和總線可靠性三方面對1394總線關鍵協(xié)議進行詳細分析與研究，為1394總線設計、實現(xiàn)及系統(tǒng)應用奠定了理論基礎。

IEEE1394b協(xié)議；1394總線；異步流包；遠程節(jié)點；余度拓撲

0 引言

IEEE1394b協(xié)議具有傳輸帶寬高、速度快和傳輸距離長等技術特點，廣泛用于傳輸多媒體數(shù)據(jù)[1]。但 IEEE1394b協(xié)議是基于商用、工業(yè)級1394總線設備制定的，未對介質(zhì)特性、包格式、消息有效性及系統(tǒng)完整性等進行約束，不能滿足機載領域中對總線高實時性和高可靠性的要求。本文基于IEEE1394b協(xié)議在機載領域中延時高、可靠性低的不足，描述了1394總線協(xié)議的新特性，并詳細分析了總線拓撲結(jié)構、總線包格式和總線可靠性等關鍵協(xié)議。

1 概述

SAE（國際機動車工程師學會）為了滿足機載領域中對總線確定性和可靠性要求，建立并發(fā)布一套專用1394總線協(xié)議體系，即1394總線協(xié)議體系。1394總線協(xié)議體系主要由六部分組成，其中1394總線接口特性(AS5643)是核心協(xié)議，規(guī)定了總線包格式、拓撲結(jié)構、節(jié)點操作、消息完整性管理和系統(tǒng)完整性管理等要求；銅介質(zhì)接口特性(AS5643/1)規(guī)定了銅介質(zhì)發(fā)送/接收傳輸特性指標要求；其他協(xié)議是基于1394總線接口特性、銅介質(zhì)接口特性規(guī)定了總線接口特性測試方法、介質(zhì)特性測試方法、應用指南和常見問題解決方法，具體描述如表1所示。

2 關鍵協(xié)議分析

本節(jié)將從總線拓撲結(jié)構、總線包格式及總線可靠性關鍵協(xié)議入手，分析和研究1394總線的關鍵協(xié)議。

表1 1394總線協(xié)議體系

2.1 總線拓撲結(jié)構

1394總線協(xié)議根據(jù) IEEE-1394b協(xié)議本身提供的拓撲結(jié)構并結(jié)合機載應用特點推薦了 3種總線構型，分別為樹狀拓撲、環(huán)形拓撲和三余度環(huán)形拓撲。

樹狀拓撲結(jié)構如圖1中CC-A的Bus3所示，拓撲結(jié)構簡單，但其可靠性不高，單節(jié)點故障將會影響其他節(jié)點通信功能。環(huán)形拓撲結(jié)構如圖1中CC-A的Bus1所示，節(jié)點間連成環(huán)形，1394總線協(xié)議提供的環(huán)檢測和環(huán)斷開功能將自動檢測總線拓撲的環(huán)路，若檢測到環(huán)路，則自動禁止某兩個端口間的連接，斷開環(huán)路形成樹狀拓撲。如果任意一個節(jié)點故障，那么總線將故障節(jié)點自動重構為新樹結(jié)構的末端，使其不影響其他節(jié)點間的通信，為系統(tǒng)提供第一級容錯能力。

圖1 三余度總線拓撲結(jié)構

1394總線三余度總線拓撲如圖1所示，由3臺飛管計算機組成余度結(jié)構，每臺飛管計算機有 3個CC節(jié)點，每個節(jié)點作為CC連接其他遠程節(jié)點組成一條總線。每個CC節(jié)點負責總線同步、總線控制管理，三余度飛管計算機通過交叉互聯(lián)鏈路（CCDL）連接，實現(xiàn)三余度飛管計算機的數(shù)據(jù)交互功能，提供另一級容錯[2]。

2.2 總線包格式

1394總線協(xié)議規(guī)定采用 STOF包實現(xiàn)總線同步，并使用異步流包完成總線的通信功能。STOF包由CC節(jié)點按照系統(tǒng)周期進行周期性的廣播發(fā)送，該消息通道號默認為31通道，每個遠程節(jié)點都能收到 STOF包，并完成總線的同步功能；其中STOF包負載中還包括總線狀態(tài)字、系統(tǒng)模式字、系統(tǒng)時間、飛機時間等信息，用于控制總線狀態(tài)及傳遞指令信息。

總線使用異步流包進行數(shù)據(jù)傳輸，每個節(jié)點均按預先分配的總線帶寬進行數(shù)據(jù)發(fā)送。異步流包由1394頭、ASM 頭、Payload數(shù)據(jù)（包含心跳、健康狀態(tài)字）、包尾和數(shù)據(jù) CRC組成，如圖2所示[3]，其中1394頭和數(shù)據(jù) CRC為IEEE-1394協(xié)議中規(guī)定的內(nèi)容，定義異步流包采用通道號尋址，并具備包頭CRC和數(shù)據(jù)CRC校驗功能。其余部分為Mil-1394總線協(xié)議為保證數(shù)據(jù)通信可靠性和確定性增加的內(nèi)容。

圖2 異步流包格式

2.3 總線可靠性

1394總線可靠性主要從消息完整性管理、系統(tǒng)完整性管理及電氣特性指標要求三方面體現(xiàn)。為了實現(xiàn)消息完整性的管理，1394協(xié)議主要在包格式定義和傳輸過程中對消息完整性進行檢測和校驗。系統(tǒng)完整性管理主要體現(xiàn)在遠程節(jié)點對控制計算機（CC）的有效性判斷，CC是1394總線最重要的節(jié)點，實現(xiàn)總線同步及總線管理等功能。電氣特性指標主要規(guī)定了發(fā)送端和接收端物理特性參數(shù)范圍，保證線纜上模擬信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.3.1 消息完整性管理

1394總線消息完整性管理主要從異步流包格式和傳輸過程中消息有效性判斷兩個方面實現(xiàn)：

（1）在包格式定義方面，如圖2所示，異步流包中定義縱向奇偶校驗（VPC）、健康狀態(tài)字、心跳和狀態(tài)字等實現(xiàn)消息完整性管理。具體描述如下所示：

①縱向奇偶校驗是將包負載的每個數(shù)據(jù)字進行按位異或，再把異或得到的值按位取反。在物理層和軟件層進行消息傳輸時，縱向奇偶校驗對數(shù)據(jù)的完整性增加了一種保障；

②健康狀態(tài)字是異步流包負載區(qū)的第一個字，它主要以包錯誤、子系統(tǒng)錯誤、節(jié)點錯誤和節(jié)點端口狀態(tài)來指示節(jié)點故障；

③心跳是描述接收新數(shù)據(jù)到來的一個狀態(tài)，隨著新一幀數(shù)據(jù)的到來，心跳會加1，心跳由系統(tǒng)應用軟件更新；

④狀態(tài)字是STOF包負載的第一個字，表明總線上CC節(jié)點的故障狀態(tài)。

（2）在傳輸過程中，規(guī)定 STOF接收偏移的精度應為STOF幀速率的1.0%或100 μs，二者中選擇較大的值，若超出精度范圍則認為數(shù)據(jù)無效，記錄錯誤計數(shù)，連續(xù)錯誤達到指定計數(shù)后，向系統(tǒng)上報故障，可以通過查看錯誤消息狀態(tài)寄存器獲取故障狀態(tài)[4]。

2.3.2 系統(tǒng)完整性管理

1394總線系統(tǒng)完整性管理是指RN節(jié)點監(jiān)控 CC節(jié)點發(fā)送的STOF包，從而判斷CC節(jié)點的失效狀態(tài)，并檢驗1394總線操作的正確性以及 CC節(jié)點軟件運行的正確性。為使總線操作過程中遠程節(jié)點能成功接收 CC節(jié)點的數(shù)據(jù)，CC節(jié)點應滿足如下3個條件：

（1）STOF包周期是有效的；

（2）STOF包是有效的；

（3）CC發(fā)送異步流消息是有效的。

1394總線系統(tǒng)完整性管理主要從以上 3個條件出發(fā)，對CC節(jié)點的有效性進行管理，具體流程如圖3所示。

2.3.3 電氣特性指標

1394總線協(xié)議對總線設備終端和傳輸信號的物理特性進行了定義。發(fā)送端主要從發(fā)送信號幅值、上升/下降時間、抖動等參數(shù)對發(fā)送信號進行了約束；接收端從接收靈敏度、輸入阻抗、變壓器插入損耗對接收端物理特性進行約束，同時規(guī)定了到達接收端的信號幅值，保證信號能被準確接收。具體電氣特性指標見表2、表3[5]。

圖3 系統(tǒng)完整性管理流程

表2 發(fā)送特性指標

3 結(jié)論

通過對1394總線關鍵協(xié)議深入地分析和研究，并依據(jù)本協(xié)議設計實現(xiàn)了機載產(chǎn)品。經(jīng)過大量測試及系統(tǒng)聯(lián)試、試飛試驗等驗證，結(jié)果表明，1394總線協(xié)議能夠滿足新一代安全關鍵/任務關鍵系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡的確定性、可靠性和實時性的要求，并且已成功應用于多個航空重點型號項目。對于新一代航空系統(tǒng)總線系列產(chǎn)品的設計、實現(xiàn)具有一定的指導價值，為1394總線推廣到航天、兵器、船舶等其他軍工領域提供了技術支撐。

[1]1394b：IEEE standard for a high performance serial bus-amendment 2[S].The Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc，2002.

[2]SAE-AS5643：IEEE-1394b interface requirements forand aerospace vehicle applications[S].SAE Aerospace，REV.A，2006.

[3]王亞明，史潔琴.關于 IEEE1394總線異步數(shù)據(jù)包配置的分析[J].計算機與現(xiàn)代化，2007(9)：68-71.

[4]趙彬，田澤，楊峰，等.基于 AS5643協(xié)議的接口模塊設計與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展，2013，23(8)：100-102.

[5]張大樸，王曉，張大力，等.IEEE1394協(xié)議及接口設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

Analysis and research of1394 bus key protocol

Yang Feng1，2，Chen Wei3，Wang Xuanming1，2，Yang Qingke3
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China)

In a new generation of aircraft safety-critical and mission-critical systems,real-time,certainty and reliability of bus are put forward higher requirements.To ensure the high real-time,high certainty of a bus transmission and high reliability,1394 bus protocol specification forced constraints such as the root node,the static assignment channel number,vertical parity check,STOF synchronous and asynchronous flow packet communication and send/receive electric property indexes.Aiming at application demand of1394 bus in the safety-critical and mission-critical system,detailed analysis and research on the1394 bus key protocol are given respectively from the bus topology，bus packet format and the reliability.Then it established theoretical foundation for design,implementation and system application of1394 bus.

IEEE1394b protocol；1394 bus；asynchronous flow packet；remode node；redundancy topology

TP393

：ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.002

楊峰，陳偉，王宣明，等.1394總線關鍵協(xié)議分析與研究[J].電子技術應用，2016，42(6)：7-9，16.

英文引用格式：Yang Feng，Chen Wei，Wang Xuanming，et al.Analysis and research of1394 bus key protocol[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：7-9，16.

2016-03-09）

楊峰（1980-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：集成電路設計與驗證、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

陳偉（1986-），男，碩士，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。

王宣明（1983-），男，碩士，工程師，主要研究方向：數(shù)字集成電路設計和驗證。

楊晴柯（1988-），女，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。

航空科學基金（2015ZC51036）；中國航空工業(yè)集團公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)