| Статистика |
Онлайн всего: 4 Гостей: 4 Пользователей: 0 |
|
Радиационно-стойкая элементная база для сети Spacewire
ОГЛАВЛЕНИЕ
СПИСОК РИСУНКОВ:
1. ВВЕДЕНИЕ
2. АРХИТЕКТУРА
3. СТАНДАРТЫ SPACEWIRE
3.1 SPACEWIRE (ECSS E 50 12A-C)
3.2 GIGASPACEWIRE
3.3 SPACEFIBER (ECSS-E-ST-50-11C)
4. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА 10
4.1 ЗАРУБЕЖНАЯ БАЗА 10
4.1.1 SUNRISE SpaceFibre Routing Switch
4.1.1 SpaceWire Router Mk2S
4.2 ОТЕЧЕСТВЕННАЯ БАЗА
4.2.1 Коммутатор 1892КП1Я - АО НПЦ «ЭЛВИС»
4.2.2 Адаптер 1892ХД4Ф - АО НПЦ «ЭЛВИС»
4.2.3 Микропроцессор 1892ВМ12АТ - АО НПЦ «ЭЛВИС»
5. ПРИМЕНЕНИЕ В РЕАЛЬНЫХ ПРОЕКТАХ
5.1 LUNAR RECONNAISSANCE ORBITER (LRO)
5.2 ESA EXOMARS
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК РИСУНКОВ:
Рис. 1 Уровни иерархии SpaceWire
Рис. 2 Структура сети SpaceWire
Рис. 3 Узел SpaceWire
Рис. 4 Сравнение стека протоколов SpaceWire и GigaSpaceWire
Рис. 5 Архитектура SUNRISE SpaceFibre Routing Switch
Рис. 6 SpaceWire Router Mk2S
Рис. 7 Коммутатор 1892КП1Я
Рис. 8 Адаптер 1892ХД4Ф
Рис. 9 Архитектура адаптера 1892ХД4Ф
Рис. 10 Архитектура 1892ВМ12АТ
Рис. 11 микропроцессор 1892ВМ12АТ
Рис. 12 Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO)
Рис. 13 Архитектура LRO
Рис. 14 Марсоход ESA EXOMARS
Рис. 15 Архитектура ESA EXOMARS
. ВВЕДЕНИЕ
SpaceWire - это компьютерная сеть, предназначенная для соединения высокоскоростных датчиков, процессоров, устройств памяти и подсистем телеметрии/телеуправления на борту аэрокосмических аппаратов. [1] Изначально требования к разработкам были исходя из аэрокосмических применений, то есть важно было обеспечить:
• высокие скорости обмена данными,
• малые задержки доставки сообщений,
• устойчивость к отказам и сбоям,
• низкое энергопотребление,
• электромагнитную совместимость,
• компактную реализацию в СБИС (сверхбольшая интегральная схема),
• поддержку систем реального времени и системных функций бортовых комплексов.
Каналы передачи данных, соединяющие оборудование с поддержкой SpaceWire, поддерживают высокоскоростной (от 2 до 200 Мбит /с), двунаправленный (полный дуплекс) режим с коммутацией пакетов. Сети могут быть построены в соответствии с конкретными задачами, используя соединения типа точка-точка. Также по сети SpaceWire возможна передача управляющих команд и временных данных.
Одно из основных преимуществ сети SpaceWire в том, что она может заменить множество отдельных разнородных сетей на борту летательного или космического аппарата, обеспечивая единую коммуникационную инфраструктуру на базе единых технических и программных средств. [2]
Разработка технологии SpaceWire базировалась на трех стандартах:
• IEEE 1355 1995 - Построение высокопроизводительных масштабируемых модульных параллельных вычислительных систем.
• TIA/EIA 644, IEEE 1596.3 199 - метод передачи данных дифференциальными сигналами с малым напряжением LVDS (Low Voltage Differential Signalling).
2. АРХИТЕКТУРА
Стандарт SpaceWire определяет логические протоколы, физические разъемы и кабели, электрические свойства, которые в совокупности образуют канал связи SpaceWire, архитектуру коммуникационной сети и обеспечивают средства передачи пакетов данных от узла-отправителя до узла-получателя через масштабируемую коммуникационную сеть. Работу коммутационной сети описывается на шести уровнях иерархии (Рис. 1). Прослеживается соответствие модели SpaceWire с семиуровневой эталонной моделью взаимодействия открытых систем OSI. Однако принципы взаимодействия между уровнями стандарта SpaceWire несколько отличаются от эталонной модели OSI. Например, управляющие коды, формат которых определяется на уровне символов, используются как для управления потоком данных непосредственно в канале, так и при маршрутизации на сетевом уровне.
Сеть SpaceWire состоит, в общем случае, из некоторого числа узлов абонентов (SpaceWire nodes) и сетевых узлов (routing switches) – маршрутизирующих коммутаторов (Рис. 2).
Узлы абоненты сети SpaceWire – это устройства, передающие и принимающие потоки информации. Они связаны с маршрутизирующим коммутатором или друг с другом дуплексными каналами, называемыми линками (link). Узел имеет один или несколькими линк портов и интерфейс с источником данных (хост-устройство (host) – процессорный модуль, датчик, исполнительное устройство, периферийный контроллер, и др.). От хост-устройства узел принимает данные, кодирует их и отправляет в свой передатчик, непосредственно подключенный к линку (Рис. 3). На другом конце линка данные обрабатываются приемным устройством, которое их декодирует и отправляет адресату (другому хост-устройству) или на выходной порт маршрутизирующего коммутатора. Приемник и передатчик с необходимыми элементами управления и интерфейсами к хост-устройству образуют контроллер линка SpaceWire. Контроллер линка управляет соединением и потоком данных в канале, обнаруживает сбой в соединении, возобновляет соединение после сбоев и др. Как правило, весь стек протоколов SpaceWire до сетевого уровня включительно реализуется внутри контроллера линка. Узел абонент принципиально отличается от коммутатора тем, что трансляция данных между его линк портами, при необходимости, возможна только под управлением хост-устройства (т.е. реализуется программно), а трансляция управляющих кодов (например, маркеров времени) не производится. Напротив, маршрутизирующий коммутатор обеспечивает непосредственную передачу трафика между своими входными и выходными портами.
В сетях SpaceWire могут образовываться и структуры из одних узлов абонентов с прямыми связями между ними, без коммутаторов. Однако полноценная сетевая коммуникационная инфраструктура, с адресуемыми узлами абонентами и с эффективной организацией потоков пакетизированной информации и управляющих кодов, возможна только с использованием маршрутизирующих коммутаторов.[2]
Рис. 1 Уровни иерархии SpaceWire
Рис. 2 Структура сети SpaceWire
Рис. 3 Узел SpaceWire
3. СТАНДАРТЫ SPACEWIRE
3.1 SPACEWIRE (ECSS E 50 12A-C)
В феврале 2003 года ECSS опубликовал стандарт SpaceWire под номером ECSS-E-50-12A. В июле 2008 года стандарт SpaceWire был перенумерован в ECSS-ST-E-50-12C. Это привело к появлению технических и прочих документов, а также общей информации о SpaceWire со ссылкой на два разных номера документации. Однако разницы между стандартами нет, и все документы «старой» версии применимы и к новому стандарту. [1]
3.2 GIGASPACEWIRE
Стандарт создавался для увеличения скорости передачи данных SpaceWire и решения проблем ограничения длины кабеля. Для того, чтобы обеспечить преемственность двух стандартов, создаваемого и SpaceWire верхние уровни остались неизменными. В качестве нижних уровней для замены используется кодирование 8b/10b (Рис. 4). На физическом уровне предполагается использование любого физического канала, поддерживающего вышеописанное кодирование. Сочетание новых уровней позволяет обеспечивать передачи на высоких скоростях (>1 Гбит/c) на длинные расстояния по медному кабелю (до 100 м) и по оптическому кабелю (> 100 м). [3]
Рис. 4 Сравнение стека протоколов SpaceWire и GigaSpaceWire
3.3 SPACEFIBER (ECSS-E-ST-50-11C)
SpaceFibre обеспечивает скорость передачи данных 6,25 Гбит/с по электрическим или оптоволоконным кабелям, также технология позволяет объединять до 16 линий в один канал, обеспечивая теоретическую скорость канала 100 Гбит/с. [4] Стандарт дополняет возможности широко используемого бортового сетевого стандарта SpaceWire, а именно повышает скорости передачи данных в 10 раз, уменьшает массу кабеля в два раза, и обеспечивает использование технологии «качества обслуживания» (QoS), и обнаружения, изоляции и устранения неисправностей (FDIR).
Технология «качества обслуживания» (QoS) позволяет использовать виртуальные каналы для предоставления нескольким независимым каналам связи по одной физической линии. Каждый канал обеспечивает приоритет, резервирование полосы пропускания и запланированное QoS. Эти механизмы QoS работают вместе, что приводит к связи без потери пропускной способности сети.
Поддержка обнаружения, изоляции и восстановления неисправностей (FDIR) интегрирована в SpaceFibre, чтобы обнаруживать, изолировать и устранять неисправности в линии связи, где они возникают, что предотвращает распространение неисправностей и вызов дальнейших ошибок. Возможность FDIR в SpaceFibre обеспечивает прозрачное восстановление после временных ошибок. [5]
4. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА
4.1 ЗАРУБЕЖНАЯ БАЗА
4.1.1 SUNRISE SpaceFibre Routing Switch
Маршрутизатор SUNRISE содержит 8 портов SpaceFibre, каждый с четырьмя виртуальными каналами (Рис. 5). Порт 0 используется для конфигурирования устройства, также может быть доступен через виртуальный канал 0 на других портах маршрутизатора. Пакеты SpaceWire и SpaceFibre переключаются коммутатором таким же образом, используя начальный символ данных пакета, чтобы определить выходной порт, на который пакет должен быть переключен. Возможно использовать как физический путь, так и логическую адресацию. [4]
Рис. 5 Архитектура SUNRISE SpaceFibre Routing Switch
4.1.1 SpaceWire Router Mk2S
SpaceWire Router Mk2S (Рис. 6) - это устройство маршрутизации, которое обеспечивает необходимые возможности для тестирования и разработки оборудования. Маршрутизатор SpaceWire Mk2S подходит для всех этапов разработки оборудования:
• начальная оценка SpaceWire,
• симуляция приборов,
• симуляция системы управления,
• тестирование узлов,
• интеграция поддержки
• электрическое наземное технологическое оборудование EGSE (Electrical Ground Support Equipment).
Маршрутизатор функционально эквивалентен IP-ядру маршрутизатора STARDundee и радиационно-устойчивому маршрутизатору ESA SpaceWire ASIC (AT7910E), доступному от Atmel. Маршрутизатор SpaceWire Mk2S имеет восемь портов SpaceWire, способен выступать в роли мастера сети, поддерживает высокую скорость передачи данных, возможность находить различные типы ошибок. Поставляется в комплекте с высоко оптимизированным программным обеспечением для прямой передачи пакетов SpaceWire с низкой задержкой прямо с PC. [6]
Рис. 6 SpaceWire Router Mk2S
4.2 ОТЕЧЕСТВЕННАЯ БАЗА
4.2.1 Коммутатор 1892КП1Я - АО НПЦ «ЭЛВИС»
Коммутатор 1892КП1Я (Рис. 7) разработан АО НПЦ «ЭЛВИС» на базе IP-библиотеки платформы «МУЛЬТИКОР» и предназначен для построения масштабируемых коммуникационных структур распределенных и управляющих комплексов, работающих в реальном масштабе времени.
Поддержка протокола RMAP и наличие CPU-ядра в составе микросхемы позволяют организовать детальную обработку ошибочных ситуаций, динамический подбор скоростей передачи, мониторинг и администрированием работы 1892КП1Я и коммуникационных сетей на их основе. Вместе с микросхемой поставляется управляющее ПО, а также программа SpiNSAW, предназначенная для администрирования сети SpaceWire. [7]
Технические параметры:
• 16-каналов SpaceWire скорость передачи от 2 до 250 Мбит/с.
• Распределение меток времени, а также кодов распределенных прерываний в соответствии со стандартом SpaceWire.
• Встроенные LVDS-приемопередатчики ANSI/TIA/EIA-644.
• Микросхема 1892КП1Я позволяет строить коммуникационные сети неограниченного диаметра.
• Маршрутизация осуществляется управляющим ПО, исполняемым на встроенном CPU-ядре.
• Интерфейс UART.
Рис. 7 Коммутатор 1892КП1Я
Рис. 8 Адаптер 1892ХД4Ф
4.2.2 Адаптер 1892ХД4Ф - АО НПЦ «ЭЛВИС»
Микросхема 1892ХД4Ф (Рис. 8) предназначена для сопряжения микропроцессоров с каналами связи SpaceWire, Ethernet и шиной PCI, а также для сопряжения устройств с интерфейсом PCI с каналами связи SpaceWire и Ethernet.
Использование микросхемы 1892ХД4Ф позволяет процессору передавать и принимать данные с использованием четырех контроллеров SpaceWire (Рис. 9), взаимодействовать с блоками памяти на шине PCI.
Микросхема 1892ХД4Ф может использоваться как устойчивый к воздействию специальных факторов многоканальный адаптер для бортовых применений различного назначения, в том числе как сетевой элемент распределенных систем управления и обработки данных в современных сетях с пакетной передачей информации. [7]
Технические параметры:
• Технология изготовления: 180 нм КМОП.
• Технология проектирования: на базе радиационно-стойкой библиотеки MK180RT и IP-блоков платформы «МУЛЬТИКОР».
• Контроллер шины PCI в соответствии со спецификацией Local Bus Specification. Rev. 2.2;
• Память данных объемом 512 байт с защитой модифицированным кодом Хэмминга: исправление однократных ошибок и обнаружение двукратных ошибок.
• Контроллер Ethernet 10/100 МГц.
• Четыре порта SpaceWire (ECSS-E-50-12C) со скоростью передачи данных от 2 до 300 Мбит/c.
• Параметры радиационной стойкости:
o свыше 300 крад по накопленной дозе;
o стойкость к воздействиям ТЗЧ (SEL) при пороговом значении ЛПЭ более 60 МэВ∙см²/мг;
Рис. 9 Архитектура адаптера 1892ХД4Ф
4.2.3 Микропроцессор 1892ВМ12АТ - АО НПЦ «ЭЛВИС»
Микросхема 1892ВМ12АТ (Рис. 10) предназначена для использования в качестве устойчивого к воздействию специальных факторов универсального микропроцессора, в том числе как сетевого элемента распределенных систем управления и обработки данных в современных сетях с пакетной передачей информации, включая бортовую аппаратуру космических аппаратов (Рис. 9).
Использование микросхемы 1892ВМ12АТ в составе твердотельной памяти большой емкости позволяет использовать эту память как сетевой элемент комплексного бортового оборудования на базе сетей SpaceWire с использованием «интеллектуальных» коммутаторов‐маршрутизаторов и других микросхем комплекта «МУЛЬТИБОРТ». [7]
Технические характеристики:
• Технология изготовления: 180 нм КМОП.
• Технология проектирования: на базе радиационно-стойких (по типу «Rad-Tolerant») библиотек MK180RT разработки АО НПЦ «ЭЛВИС» и IP-библиотек платформы «МУЛЬТИКОР».
• плавающей точки (FPU).
• Тактовая частота: 100 МГц.
• Два порта SpaceWire (ECSS-E-50-12C) со скоростью передачи данных от 2 до 300 Мбит/c.
• Два порта UART.
• Встроенный умножитель/делитель входной частоты.
• Параметры радиационной стойкости:
o свыше 300 крад по накопленной дозе;
o стойкость к воздействиям ТЗЧ (SEL) при пороговом значении ЛПЭ более 60 МэВ∙см²/мг;
Рис. 10 Архитектура 1892ВМ12АТ
5. ПРИМЕНЕНИЕ В РЕАЛЬНЫХ ПРОЕКТАХ
5.1 LUNAR RECONNAISSANCE ORBITER (LRO)
Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) — автоматическая межпланетная станция NASA, искусственный спутник Луны. Запуск с помощью ракеты-носителя «Атлас V» состоялся 19 июня 2009. [8]
SpaceWire использовался для соединения узкоугольных камер (Narrow angle Cameras) NAC1, NAC2 и широкоугольных камер (Wide Angle Camera) WAC, а также системы обнаружения Mini-RF radar к управляющей системе (Command and Data-handling) C&DH. Информация с спектрометра с формированием изображения Лимана-Альфа (Lyman-Alpha Mapping Project) LAMP поступает на входы платы с управляющей системой C&DH а отправляется через SpaceWire в память. Управляющий блок состоит из 4 портового маршрутизатора для обеспечения передачи данных. [9]
5.2 ESA EXOMARS
ExoMars — совместная программа Европейского космического агентства (ЕКА) и российской госкорпорации «Роскосмос» по исследованию Марса, основной целью которой является поиск доказательств существования в прошлом и настоящем жизни на Марсе.
По программе осуществлён запуск автоматической межпланетной станции(АМС) «ЭкзоМарс-2016» и запланирован запуск АМС «ЭкзоМарс-2020». [8]
Марсоход ExoMars будет нести обширный набор научных инструментов, для проведения экзобиологических и геологических исследований. Марсоход будет преодолевать километры в поисках следов прошлых и настоящих признаков жизни, собирая и анализируя образцы поверхностных пород и недр до глубины 2 метров.
Марсоход имеет на борту несколько камер для навигации: PanCam для панорамных снимков вокруг аппарата, NavCams для стереоскопических снимков или DEMs (цифровая модель рельефа), которые используются для навигации марсохода, и LocCams для измерения скорости относительно поверхности. Обработка этих изображений, довольно затратный процесс, поэтому используется специализированный процессор обработки изображений (image processor). Сеть SpaceWire используется для передачи полученных изображений в память, а затем и в процессор (processor) и image processor. Таким образом маршрутизатор SpaceWire соединяет различные узлы сети. [10]
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Использование сети SpaceWire позволяет получить не только высокоскоростную передачу данных, но и множество готовых решений в области элементной базы, стойких к радиационным воздействиям. Благодаря уже существующим наработкам и проектам есть возможность встроить разработанное оборудование в готовый вариант системы. Также многолетний опыт в разработке и испытании стандарта может гарантировать, что собранная система выполнит поставленную задачу. Перед SpaceWire открывается большое количество перспектив, благодаря таким разработкам, как стандарт SpaceFiber, позволяющий увеличить скорость передачи до Гбит/с. При этом роутеры с оптоволоконным стандартом имеют «обычные» SpaceWire порты, что обеспечивает совместимость устройств. Сейчас применение сети по большей части ограничено аэрокосмическими аппаратами, но также возможно применение и в промышленных, наземных системах.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1: Описание стандарта SpaceWire, Star Dundee
https://www.star-dundee.com/spacewire/getting-started/
2: Ю.Шейнин, Т.Солохина, Я.Петричкович Технология SpaceWire для параллельных систем и бортовых распределенных комплексов 2006
http://www.electronics.ru/journal/article/759
3: Е.Н. Яблоков GIGASPACEWIRE, ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ 2016
https://cyberleninka.ru/article/n/gigaspacewire-problemy-i-resheniya
4: SpaceFiber – Star-Dundee
https://www.star-dundee.com/spacefibre/getting-started/what-is-spacefibre/
5: SpaceFiber - SpaceTechExpo 2019
http://www.spacetechexpo.eu/resources/news-and-editorial/news-container/2019/06/11/new-spacefibre-standard-provides-very-high-speed-data-transfer-onboard-spacecraft/
6: SpaceWire Router Mk2S – Star-Dundee
https://www.star-dundee.com/products/spacewire-router-mk2s/#product_features
7: Элементная база АО НПЦ «ЭЛВИС
http://multicore.ru/index.php?id=556
8: Wikipedia
https://ru.wikipedia.org
9: NASA Lunar Reconnaissance Orbiter
https://www.star-dundee.com/spacewire/spacewire-users-guide/the-spacewire-data-handling-network/example-spacewire-mission-architectures/nasa-lunar-reconnaissance-orbiter/
10: ESA ExoMARS
https://www.star-dundee.com/spacewire/spacewire-users-guide/the-spacewire-data-handling-network/example-spacewire-mission-architectures/esa-exomars/ |
| Категория: Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) | Добавил: tag97 (23.12.2019)
|
| Просмотров: 730
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
