AFDX交换机及交换芯片中关键模块的设计

论文摘要

航空工业飞速发展,现有的航空通信网络系统无论从传输速度、服务质量还是扩展性等方面已无法满足发展需要,迫切需要为大规模机载通信电子设备提供新的数据通信网络。ARINC664规范是航空电子技术委员会审议通过的新一代机载以太网标准。该规范第七部分定义了一个名为AFDX的全双工的、确定性的机载数据交换网络。它基于IEEE802.3协议,通过使用虚链路技术模拟了一个点到点的、具有确定性QoS保证的网络,并通过并行冗余结构来提高网络的可靠性。本文结合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,为航空电子设备间的数据通信提供高可靠性、高效率的解决方案。本文首先概括介绍当前航空实时以太网特点和发展现状;结合以往航空以太网的应用,分析AFDX产生原因、特点、优势和发展前景;并讨论用FPGA进行AFDX交换芯片原型设计的优势和难点;详细介绍AFDX交换机整机硬件电路的设计,其中包括交换电路和嵌入式CPU控制电路;详细描述了核心交换芯片中接收发送缓存、分组转发、警管、过滤等模块的原理分析、算法设计、Verilog HDL的代码实现以及性能分析,并使用QuartusII软件进行功能和时序仿真。最后结合具体应用设计测试向量,通过对交换机实验验证平台的实际调试和测试,证明交换机和交换芯片设计正确,性能良好,达到预期设计目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 航空实时以太网发展历程简述
• 1.1.1 总线技术向以太网技术的转变
• 1.1.2 工业以太网的实时性改进
• 1.1.3 航空交换式以太网的出现
• 1.2 ARINC664 规范概述
• 1.2.1 ARINC664 的内容
• 1.2.2 AFDX 概述
• 1.3 FPGA 开发流程概述
• 1.4 论文主要工作及内容安排
• 第二章 系统设计方案
• 2.1 AFDX 交换机设计需求分析
• 2.2 AFDX 交换机基本功能概述
• 2.3 AFDX 交换机模块划分
• 第三章 交换机硬件电路设计
• 3.1 交换模块硬件电路设计
• 3.1.1 电源电路设计
• 3.1.2 时钟电路设计
• 3.1.3 复位电路设计
• 3.1.4 外部存储电路设计
• 3.1.5 配置电路设计
• 3.2 CPU 控制电路设计
• 3.2.1 MPC8270 在以太网中的应用
• 3.2.2 MPC8270 与FPGA 接口电路
• 第四章 交换芯片中部分模块的设计
• 4.1 接收缓存rxbuf 设计
• 4.1.1 接收缓存原理
• 4.1.2 接收缓存组成与设计
• 4.1.3 接收缓存模块时序仿真
• 4.2 发送缓存txbuf 设计
• 4.2.1 发送缓存原理
• 4.2.2 发送缓存组成与设计
• 4.2.3 发送缓存模块时序仿真
• 4.3 查找转发模块设计
• 4.3.1 转发模块设计原理
• 4.3.2 转发模块组成与设计
• 4.3.3 转发模块时序仿真
• 4.4 过滤模块设计
• 4.4.1 过滤原理概述
• 4.4.2 过滤模块组成与设计
• 4.4.3 过滤模块时序仿真图
• 4.5 警管模块设计
• 4.5.1 警管原理概述
• 4.5.2 警管模块组成与设计
• 4.5.3 警管模块时序仿真
• 第五章 调试与测试
• 5.1 过滤模块的调试与测试
• 5.2 警管模块的调试与测试
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果