航空全双工以太网（AFDX）交换机关键技术研究与实现

论文摘要

通信的高效性、实时性和确定性已经成为现代航空工业发展的方向,ARINC664作为新一代的机载数据网络标准,规范了航空电子系统专用的具有确定性QoS保证的航空全双工以太网（Avionics Full-duplex Ethernet,AFDX）解决方案,并已经通过了航空电子委员会（AEEC）的审议,具有美好的应用前景。美国波音公司和欧洲空中客车公司已经根据该标准研制出了成熟的产品,并且投入使用。但是,由于西方在技术上对中国的垄断,如何开发拥有中国自主知识产权的AFDX产品已经成为中国研制大型飞机计划的迫切要求。本文结合本实验室承担的科研项目“AFDX交换机开发”,设计出符合ARINC664规范的核心交换芯片及AFDX交换机。交换机支持16个100Mbps的以太网物理端口,可实现全双工、无阻塞的数据分组交换。论文详细阐述了VL查找表、警管（policing）、数据帧捕获和插入,CPU寄存器映射接口等功能模块的设计。VL查找表模块主要解决如何快速地根据每个虚链接的VLID找到该虚链接的相关信息的问题。警管作为流量控制的手段,能够保证每个虚链接必要的带宽。每个端口都有警管,凡是流量违规的帧被丢弃。警管功能的实现是保证AFDX实时性、确定性的很重要一方面。数据帧捕获和插入功能是交换机的高级功能。捕获功能允许交换机捕获任何进、出交换机端口或某虚链接的帧,并将它送入CPU处理。插入功能允许将CPU产生的帧插入到交换机的输出端口。CPU寄存器映射接口是联系交换芯片（FPGA）和CPU的纽带,主要解决寄存器的编址,异步60X总线和FPGA的访问等问题。以上各个模块采用Verilog HDL语言设计实现,并设计开发了相应的CPU接口驱动软件。经对实验样机的严格测试表明,AFDX交换机性能稳定,功耗较低,完全达到设计要求的各项技术指标,已顺利通过甲方验收。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 航空以太网技术发展史
• 1.1.1 航空总线技术简介
• 1.1.2 航空交换式以太网的出现
• 1.2 ARINC664 协议第7 部分
• 1.2.1 系统整体介绍
• 1.2.2 端系统
• 1.2.3 AFDX 交换机
• 1.3 论文主要工作和内容安排
• 第二章 AFDX 交换机系统设计
• 2.1 需求分析
• 2.2 系统框图设计
• 2.3 FPGA 逻辑总体设计
• 2.4 软件总体设计
• 第三章 算法研究和关键模块详细设计
• 3.1 VL 查找表的设计与实现
• 3.1.1 VL 查找表原理介绍
• 3.1.2 详细设计
• 3.1.3 时序仿真
• 3.1.4 小结
• 3.2 警管功能的设计与实现
• 3.2.1 警管原理介绍
• 3.2.2 详细设计
• 3.2.3 算法的改进
• 3.2.4 性能分析
• 3.2.5 时序仿真
• 3.2.6 小结
• 3.3 数据帧的捕获和插入功能的设计与实现
• 3.3.1 插入和捕获原理介绍
• 3.3.2 详细设计及各模块时序分析
• 3.4 CPU 寄存器映射接口设计与实现
• 3.4.1 寄存器接口功能描述
• 3.4.2 VL 查找表寄存器组和CPU 总线接口映射关系
• 3.4.3 VL 查找表寄存器接口设计
• 3.4.4 软件实现VL 查找表寄存器组的配置
• 3.4.5 CPU 接口的统一设计
• 第四章 测试
• 4.1 警管功能测试
• 4.2 捕获功能测试
• 4.2.1 输入端口捕获测试
• 4.2.2 输出端口捕获测试
• 4.2.3 VL 捕获测试
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果