4.3.3 SpaceWire总线
4.3.3.1 SpaceWire总线简述
未来航天器对数据总线的传输速率、实时性、可靠性及容错能力、低功耗及低成本都提出了更高的要求。基于此，欧洲航天局在2003年制定了SpaceWire标准协议。SpaceWire是在两个商用标准IEEE 1355—1995和LVDS技术的基础上，吸收当前比较成熟的以太网技术和ATM技术的优点，同时为满足航空航天设备的应用需求而制定的。其不仅在电磁兼容（EMC）方面进行了加强，而且在故障检测和恢复、时间确定性和可靠性等方面具有突出优势，可以满足未来航天器对数据传输的需求。SpaceWire是一种具有高速、点对点、全双工特点的串行数据总线，通用性好，可以构建十分灵活的拓扑结构。协议规定的链路工作速率为2～400 Mbit/s，受限于信号的偏移和抖动，目前国内外能实现稳定运行且具有良好EMC特性的器件上，实际传输速率可达200 Mbit/s，能够满足航天电子系统中可扩展、高速传输、低功耗、低成本的要求，满足航天器中传感器、大容量存储单元、处理单元和下行电子系统的数据接口要求。
4.3.3.2 SpaceWire总线特性
1）总线结构
SpaceWire总线网络由节点（node）、路由器和链路（link）组成，节点之间通过链路和路由器（可选）连接。一个最简网络，由两个节点和一条链路组成（图4-12）；一个较为复杂的网络，由多个节点、路由器及多条链路组成。其中，链路为全双工、串行、点到点传输线路，传输介质为屏蔽双绞线。网络中的信息交互以数据包的方式进行传输，数据包的源及目的设备均为节点。
图4-12 SpaceWire最简网络示意图
2）总线协议
根据协议标准规定，SpaceWire按功能划分为六层，分别是物理层、信号层、字符层、交换层、数据包层和网络层，对应OSI参考模型中的物理层和数据链路层，与OSI模型各层间的对应关系如图4- 13所示。
图4-13 SpaceWire协议与OSI模型对应关系
（1）物理层。SpaceWire电缆由四对双绞线组成，每对双绞线外部都有一个屏蔽层，整体电缆外部也设有屏蔽层，这样可以保证信号的准确传输，降低信号之间的串扰及外部干扰。
SpaceWire电缆内部结构如图4- 14所示。
图4-14 SpaceWire电缆内部结构
SpaceWire连接器采用的是9针D型连接器，其中8根信号线、1根地线，8根信号线即数据-选通编码中的四对差分信号线。连接器各引脚的信号定义如图4- 15所示。
图4-15 SpaceWire连接器信号定义
连接器的第3个引脚与电缆中的屏蔽层相连，然后连接到信号地，以满足电磁兼容特性。
（2）信号层。SpaceWire信号层主要是对信号的传输方式、信号的编解码及噪声容限进行了规范定义。
①低电平差分信号传输。SpaceWire采用低电平差分信号（low voltage differential signalling，LVDS）进行数据传输。LVDS不同于一般的电压驱动型数据传输技术，它采用的是电流驱动模式，具有很宽的噪声容限，在抑制噪声方面有比较明显的优势。
②数据-选通（data-strobe，DS）编解码机制。在已发布的IEEE 1355技术标准中，就使用了DS编解码方式。DS编码是一种高速数据传输方案，特别是在航天电子设备的数据传输中，表现出抗干扰能力强、易于实现、可靠性高等特点。在点对点连接中，DS编码的优点是，发送端不需要将时钟信息发送到接收端，接收端也不需要知道对端发送过来的数据波特率，只要在不超出最大工作速率的前提下，接收端都能够恢复出发送时钟，然后可以准确地恢复出数据。
在采用LVDS传输技术和DS编解码机制的条件下，SpaceWire链路传输的最大速率可达400 Mbit/s（现已实现的最大速率为200 Mbit/s），链路重启或断开后以10 Mbit/s的速率进行初始化。
（3）字符层。字符层协议在IEEE 1355标准的基础上，增加了时间码（time-code）的概念，系统通过周期性地发送时间码，时间信息在SpaceWire链路上传输到每一个节点，从而实现系统同步。SpaceWire字符层标准规定了两种不同类型的字符，分别是数据字符和控制字符。同时，为保证字符的准确传输，每个字符都设有校验位。
（4）交换层。交换层规定了链路的建立过程、流量控制机制、容错机制及链路断开恢复重连等内容，通过字符层定义的字符实现。SpaceWire协议将两种字符具体分为LChar（link-characters）和N-Char（normal-characters）两种。L-Char只在交换层中传输，用于维护链路的正常工作；N-Char除在交换层中传输外，还可传递到数据包层进行处理，包括所有的数据字符、数据包结束符等。
SpaceWire交换层使用静默交换机制，链路传输的状态转换条件十分严格，如果收到不应该收到的字符，就表示链路出现了问题，需要重新进行链路的建立。在交换层可以检测出链路断开错误、校验错误等五种错误，一旦出现错误，此时链路的另一端由于收不到数据，也判断出现了链路错误，这一过程就称为“静默交换”。然后链路两端各自进行初始化，直到链路建立，继续进行数据传输。
（5）数据包层。SpaceWire数据包层规定了数据在链路上的传输方式，即封装成数据包，并定义了数据包的格式及结构。SpaceWire数据包由目的地址、载荷和数据包结束标识（EOP或EEP）三部分组成（图4- 16）。
图4-16 SpaceWire数据包结构
（6）网络层。SpaceWire网络由一定数量的链路、节点和路由器三部分组成。链路是数据包在节点间传输的媒介。节点是SpaceWire数据包的源和目的地，节点间通过直接的点对点连接，或者通过路由器间接连接，把数据包从一个节点传送到另一个节点。路由器是网络的核心内容，网络中的节点通过路由器相连，实现数据在节点间的任意传输。SpaceWire网络结构示意图如图4-17所示。
路由交换有静态和动态两种方式，静态路由是指路由表固定，而动态路由需要不断地更新路由表。SpaceWire网络采用的是动态路由中的虫孔路由机制或自适应路由，相比传统的存储转发，虫孔路由可以节省路由器的存储空间。自适应路由是一种有效分配链路带宽的方法，主要依赖于链路组信息的维护，链路分为组后，将输入的数据包路由到空闲的组内输出端口，降低等待的时延。
图4-17 SpaceWire网络结构示意图
4.3.3.3 SpaceWire总线设计
一种典型高速SpaceWire总线电路的总体结构如图4-18所示，电路提供三个全双工SpaceWire端口，兼容SpaceWire标准ECSS-E-50-12A/ECSS-E-ST-50-12C，传送速率为2～400 Mbit/s。其由三个SpaceWire通道、主机接口（HOCI）、通信存储器接口（COMI）、协议命令接口（PRCI）、链路控制模块、配置寄存器模块及PLL等功能灵活的电路模块组成，具有透明传输（可以配置为简单路由模式）、协议、远程控制等模式。本电路用于构建功能多样的SpaceWire节点，实现信源数据在SpaceWire总线上的传输。
图4-18 高速SpaceWire总线电路结构框图