4.3.6 其他总线
4.3.6.1 TTE/TSN总线
随着越来越高的智能化需求和分布式的设计理念，卫星网络中需要集成日益增加的控制节点，各个网络节点间的交互业务也趋于多样化，关键业务的实时性、确定性和可靠性的需求不断提升。
针对网络节点的实时性需求，现已发展出多种成熟的技术解决方案，例如Powerlink以太网、EtherCAT、AFDX、EtheReal等。这几类实时以太网技术有一个共同点，即通过专用的以太网设备，绕开CSMA/CD机制，并且对数据流进行流量整形，以避免网络负载的随机性，从而提供实时性的服务。而这几类实时以太网在兼容传统以太网设备时，会产生大量的网络开销以满足其特定的传输规范，这极大地削弱了这些实时以太网的应用范围。
基于这种背景，在传统以太网“尽力而为”服务方式的基础上，添加了时钟同步、带宽预留和容错机制等关键技术，发展出了确定性以太网技术。确定性以太网技术适应于支持多种业务属性的综合业务传输网络，并能在保证关键业务的同时，高效兼容传统以太网。基于不同的设计思想，目前确定性以太网技术已经发展出时间触发以太网（TTE）和时间敏感网络（TSN）两大主流技术。
确定性以太网以全局同步的精确时钟为基础，针对不同业务的实时性和确定性需求，针对实时性和高确定性需求的数据流，采取基于时间的服务方式，针对实时性和确定性需求较低的数据流，采取传统以太网的服务方式，以在兼容传统以太网的同时尽量减少系统的复杂度。
1）TTE总线
时间触发以太网（TTE）是由奥地利科技大学Koptez H.带领的科研团队于21世纪初在时间触发协议（time-trigger protocol，TTP）的基础上，结合传统的以太网技术设计而成，并于2011年开放SAE AS6802标准。该网络将内部承载的业务分为时间触发（time-trigger，TT）业务和事件触发（event-trigger，ET）业务。
（1）TTE总线系统组成。TTE网络硬件系统包括终端系统和支持TTE协议的交换机。其中，终端系统包含主机和TTE控制器，主机作为用户直接交互对象，负责实现协议栈中网络层及以上的功能，提供上层服务。TTE控制器负责对主机产生的上层数据进行TTE网络协议适配、发送调度和接收，实现协议栈中介质层及以下的功能。交换机负责完成网络中的数据交换，满足不同类型业务对传输通道性能的需求，同时对关键的网络流量进行一定监管，起到中心防火墙的作用。TTE网络系统拓扑如图4- 29所示。
图4-29 TTE网络系统拓扑图
TTE网络硬件系统的典型拓扑结构是以交换机为中心的星型拓扑。同时，为了提高系统的可靠性和鲁棒性，中心交换机采用双热冗余备份的工作方式，发送端TTE控制器将数据复制，同时通过两台交换机传输至目的端TTE控制器，再由目的端TTE控制器实现去冗余功能。
另外，TTE网络系统需要与之配套的软件服务，主要包括时间调度表的生成软件、配置软件和管理软件等。时间调度表是在系统上电之前，用户根据网络中承载的关键控制数据业务的参数，通过生成软件建立的。生成后的调度表经过网络的配置通道加载到各节点中，作为时间触发操作的依据。在网络运行的过程中，用户通过管理软件对系统进行监控与调整。
典型的TTE交换机结构如图4-30所示，其中，交换单元负责完成各类业务数据的处理与转发；网络接口负责完成数据的收发和物理层协议的处理；时钟同步器负责完成与其余网络节点的时钟同步，为交换单元提供稳定的全局同步时钟；CPU作为交换机的主控中心，负责完成对交换单元的配置和监控管理；CPU接口作为CPU与其余模块之间的数据通道；RS-422接口作为本机的配置管理接口。
图4-30 典型的TTE交换机结构
（2）TTE总线协议。TTE网络系统中承载了两大类业务，即TT业务和ET业务。TT业务的传输由全局系统时间控制、周期性触发，其传输灵活性差，只能适应周期性的业务传输。ET业务的传输方式与传统以太网基本相同，由事件触发。ET业务难以保证极小的传输时延和极高的可靠性，但是灵活性高，具有抗突发性，适合配置管理数据或用户需要的非关键数据。
（3）TTE总线特点。TTE技术在传统以太网的基础上，增加时间触发的概念，通过规划时间调度表的方式，为计算机上关键控制数据业务提供一种无冲突的、确定性的网络传输方式。TTE有着调度精确的优点，但是实现较为复杂。因TT业务的分组调度是根据时间调度表对缓存空间的读写操作，并没有采取基于排队理论的网桥实现机制，和传统以太网转发交换的具体实现和设计思想存在较大差异。
2）TSN总线
时间敏感网络（TSN）是由IEEE 802.1工作组制定的一系列以太网标准子集，通过集成时间同步、资源管理、门控制调度、抢占机制和无缝冗余等关键技术，对传统以太网链路层进行适当修改，其不但能够基于传统以太网实现时敏业务的实时传输，同时保证对“尽力而为”非时敏业务的兼容。TSN以全局统一的同步时钟网络为基础，在网络中预留部分带宽建立高实时要求的数据高速通道，从而在保留传统以太网普及性、灵活性和成熟性的同时，增添了确定性、容错性，因而能将以太网技术拓展应用于高确定性需求的控制场景。
（1）TSN总线架构。TSN的功能架构主要包括控制管理单元、传输单元和应用单元三种功能单元。其中，控制管理单元包含集中网络控制器（CNC）和集中用户控制器（CUC）两部分，传输单元包含网关及交换机等网络连接传输设备，应用单元则主要由终端设备和基站等组成。TSN的具体功能架构如图4-31所示。
在控制管理单元中，CUC主要用于协同配置网络设备、网络信息及对用户的各种不同需求进行翻译；而CNC主要用于网络内部的设备管理、检测网络拓扑结构、流量监控及业务数据流的建模和相应的调度模型下发等。
图4-31 TSN的具体功能架构
传输单元除了支持时间敏感网络的转发特性以外，还能够通过在线测量协议，对网络中的各种状态以及不同需求进行测量汇总，然后上传给控制管理单元，从而实现网络的动态配置功能。
应用单元由于涉及具体的基层设备，所以主要要求相应的应用设备能够支持TSN中相关的协议，从而具有接入TSN的功能，以便对TSN进行整体的调度控制。
（2）TSN总线特性。TSN作为一种统一的工业以太网标准，主要是对数据链路层进行定义，它是为了保证网络中具有时间敏感特性要求的数据能够实现实时性传输，能够在确定的时间点或时间段内完成传输任务而提出的。根据TSN任务组所发布的协议标准介绍可知，TSN技术的特性组成主要包含时间同步、流量调度、网络配置管理及安全可靠四个方面，这四个技术特性共同作用于网络当中，用于实现整个网络的TSN特性，保证时间敏感数据的确定性传输。
与TSN相比，TTE的优势在于时间同步。与IEEE 1588定义的PTP协议不同，TTE的时间同步不需要单一的主时钟源（grandmaster），是一种全分布的高可靠时间同步机制，支持多种故障模型。由于时间同步机制在交换实现中相对独立，既然当前TSN可以针对不同场景定义不同的输出机制（基于信用/时间感知/异步等），TSN也可以扩充支持多种时间同步机制，如需要外部时钟源的时间同步机制（IEEE 1588）和不需要外部时钟源的内部同步机制（AS6802）。
另一方面，TSN交换兼容目前标准以太网的交换机制。在现有以太网交换芯片绝大多数逻辑保持不变情况下，只需增加时间同步和输出接口整型逻辑即可支持TSN交换，故TSN具有良好的应用前景。
4.3.6.2 EMIF总线
外部存储器（external memory interface，EMIF）总线是一种处理器与存储器之间并行的通信接口，用于扩展外部存储空间，常用于DSP。DSP的存储空间分为片内和片外两种，片外空间分成四个部分，分别用于映射不同的片外设备，即CE空间。内存映射的其余部分是被划分为四个空间的外部空间。每个空间都有一个可芯片解码信号（称为CE），表示对所选空间的访问。
EMIF就是外部存储器接口，指示DSP上的引脚，用于外接存储器设备。EMIF总线接口如图4- 32所示。
图4-32 EMIF总线接口
EMIF支持的存储器包括：
（1）异步存储器：包括ROM、Flash和异步SRAM。
（2）同步突发静态存储器（SBSRAM）。
（3）同步动态存储器（SDRAM）。
4.3.6.3 PCI总线
PCI总线是一种不依附于处理器的局部总线，是当前应用最为广泛的总线之一，支持33 MHz/66 MHz的工作频率和32位/64位的数据带宽，目前主要采用的是32位、33 MHz的PCI总线，该总线数据传输速率峰值132 MB/s。PCI总线如今在高性能的各种信号采集系统中得以广泛应用，主要是因为其在具有良好的兼容性、扩展性和开放性的同时，支持单周期或突发性的读写操作。
PCI总线可以在确保多台外围设备（可高达10台）的同时连接，能够确保持续性的数据载满，支持线性的、突发的数据传输模式，在中央处理器与高速外围设备之间直接起到了数据桥梁的作用。PCI采用的是一种独特的中间缓冲器的设计，其标准独立于CPU层面的系统总线，可实现高速外围设备直接连接在CPU的总线上，比如显示卡、网卡及硬盘控制器等。这种方法使得CPU的效用得到了完整的发挥。
PCI总线的要求就是能够配合实际需求进行设备之间的快速访问，或者进行快速访问系统寄存器的适配器工作，同时可以让处理器基本上以接近总线全速的速度去对适配器进行访问。图4-33为PCI的系统结构图，其表明了一般设备中PCI、处理器及存储器之间的基本关系。
图4-33 PCI的系统结构图
1）PCI总线特点
PCI总线传输协议是同步传输协议，所有PCI操作均同步于PCI时钟，PCI总线的基本输出规则是突发传输方式。相比其他几种计算机总线，PCI总线具有以下特点：
（1）出众的数据传输性能。PCI总线支持的总线宽度为32位、64位。该总线协议是支持33 MHz、66 MHz频率的，因此可知32位、33 MHz的PCI总线传输速率峰值可以达到132 MB/s；同时PCI总线是支持突发传输模式的，这样就可以在确保总线满载条件下进行高速的数据传输。
（2）优秀的兼容性。在设计之初PCI总线的兼容性就被考虑到，所以在其部件和插卡的设计上都是独立于处理器架构的。同时设计者还预留了64位的信号扩展引脚，使得其可以兼容+5 V和+3.3 V两种信号电压环境。
（3）可以即插即用。在每个PCI设备中都设置了独立的配置空间，所以在PCI板卡插入卡槽后就能够立刻被计算机所识别，同时开始自动配置，随后即可使用。
（4）并行总线操作。桥支持总线并行操作，与处理器总线、PCI局部总线和扩展总线同步使用。
（5）交易完整性校验。在使用PCI总线的时候，会在地址、命令和数据上都进行奇偶校验。
（6）拥有3类地址空间，即存储器地址空间、I/O地址空间和配置地址空间。
（7）可以支持多达256个的PCI局部总线。
（8）PCI局部总线可以支持多个PCI功能。每个PCI局部总线都可以支持约80个PCI功能。一个典型的PCI总线约支持10个设备，每个设备可以包括8个PCI功能。
（9）独立于处理器。为PCI设计的器件都是针对PCI的，而不是针对处理器。
2）CPCI总线技术优势
星载计算机中目前最常见的为CPCI型总线（compact peripheral component interconnect，Compact PCI），CPCI技术是在PCI技术基础之上经过改造而成，具体优势如下：
（1）继续采用PCI局部总线技术。
（2）抛弃传统机械结构，改用经过20年实践检验的高可靠欧洲卡结构，改善了散热条件、提高了抗振动冲击能力、符合电磁兼容性要求。
（3）抛弃PCI的金手指式互连方式，改用2 mm密度的针孔连接器，具有气密性、防腐性，进一步提高了可靠性，并增加了负载能力。
4.3.6.4 TTP/FlexRay总线
FlexRay是一种新型的高速串行总线标准，其作为CAN总线的升级版本，具有高速、高实时性、容错性和支持多种拓扑结构等特点。FlexRay总线的网络拓扑结构常见的主要有三种形式，分别是总线型拓扑、星型拓扑及混合型拓扑，如图4-34～图4-36所示。另外，由于FlexRay节点具有选择使用单通道或双通道的功能，这使得其网络拓扑形式更加多样。
图4-34 总线型网络拓扑结构
图4-35 星型网络拓扑结构
图4-36 混合型网络拓扑结构
FlexRay节点的组成按模块进行划分，主要包括主机、通信控制器、总线驱动器及总线监视器四个部分。其中，主机主要负责通信协议的应用和管理；通信控制器的主要功能是构建循环和时间段等；总线驱动器本质上是一个位于两个节点之间的发送器和接收器的整合电路，总线控制器通过总线驱动器与总线连接；总线监视器又称总线管理器，主要用来识别通信过程中的错误帧和同步错误，但是总线监视器在节点的构成中是可选或可不选的。在实际中比较常见的是主机和通信控制器被设计在同一个芯片里面，而总线驱动器则是由单独的芯片来实现其功能，如图4- 37、图4- 38所示。
图4-37 FlexRay总线节点架构组成
图4-38 常用FlexRay节点组成
FlexRay总线具有以下特点：
1）2×10 Mbit/s通信速率
FlexRay总线支持两个通信信道A和B。每个通信信道的速度可达10 Mbit/s。这两个通信信道主要用于冗余和故障容错的信息传输，但对容错功能要求不高，仅对通信速率有要求的系统中，两个通信信道可用于传输不同的信息，从而达到20 Mbit/s，是CAN总线通信速率的20倍，且可通过通信控制器配置，实现10 Mbit/s、8 Mbit/s、5 Mbit/s及2.5 Mbit/s的灵活带宽，应用于更多场合。
2）确定性
通信在周期循环的静态段采用时间触发的架构，这种基于同步时间的访问方法，保证在静态段传输的特定消息，在周期循环中拥有固定位置。即便系统传输被干扰，Flex Ray协议仍可确保将信息的延时和抖动降至最低，保持传输同步可预测。
3）容错性
FlexRay提供多个级别的容错功能，包括单通道和双通道容错通信。它的每一个节点采用独立的物理层总线监控器，把物理节点的通信控制器总线相连。当某个节点发生故障而不能正常地接收或发送数据时，总线监控器会将通信控制器和总线断开，从而不会影响其他节点的工作。其星型拓扑中的星型连接器本身就具有故障隔离功能。
在双通道系统中通过冗余备份的方法来实现容错，即两个通道上传输相同的信息，当一个通道出现故障而无法正常工作时，另一个通道上的数据就可以保证系统的正常运行，而不会因为某一个通道上的数据丢失影响系统的稳定性。
4）灵活性
FlexRay总线的带宽可调，可以通过冗余和非冗余通信构建多种拓扑结构，以及通信可采用时间触发和事件触发相结合的方式，从而使FlexRay总线灵活。
FlexRay总线目前已经广泛应用于汽车领域，近些年一些无人机也开始采用Flex Ray总线作为机上设备通信总线，FlexRay总线的应用场景在不断地拓宽、升级，系统拓扑结构也为了适应各种应用场景不断地变化、升级。对比CAN的发展历程，可以预计FlexRay的应用也将扩展到工业控制、航空航天等其他领域上。
与CAN总线相比，FlexRay在数据传输率、确定性和可靠性等方面具有以下优势：
（1）单通道的数据传输速率最快可达10 Mbit/s；当采用双通道冗余传输时最快可达20 Mbit/s，是CAN总线的10～40倍。
（2）支持双通道传输，而CAN总线只有一个通道，没有冗余。
（3）媒体接入控制采用时分多址的方式，数据通信具有确定性。
（4）支持多种网络拓扑结构，包括总线型、星型及单双通道混合型等多种拓扑结构。
（5）FlexRay提供分布的时钟同步，同步过程包括相位校正和频率校正，还包括帧头和帧尾的CRC校验过程，安全性高。
（6）提供了大量配置参数，如通信周期的持续时间、消息长度等，可以支持对系统进行调整，以满足特定应用的需求。
4.3.6.5 ARINC659总线
ARINC659总线协议是美国Honeywell公司提出并成功应用于波音777的飞机信息管理系统（AIMS）的数据总线，是一种双备份的通信总线。ARINC659采用表驱动比例访问（TDPA）的通信机制，根据时间确定性原则，总线时间被划分为一系列窗口，总线操作按照预定的时间命令表执行，数据传送按照命令表存储器中预先设定好的传送调度进行。它是一个在时间（总线传输时间）上和空间（存储空间）上具有高容错性和鲁棒性的高完整性底板总线。
ARINC659总线是一种标准的多点串行通信总线，具有完备的数据通信确定性和容错性特点，非常适合在对可靠性和冗余容错性要求较高的航天器综合电子系统中作为标准背板总线。应用ARINC659总线，不仅能提升航天器综合电子通信的确定性和容错性，也能使航天器综合电子系统的设计由事件触发向时间触发模式转变，由集中式控制管理向分布式并行处理转变，从而显著提升航天器综合电子系统的故障定位、并行数据处理、快速组装与测试能力，以及提高航天器综合电子系统资源的利用率。
目前，ARINC659总线已成功应用于波音777、717N，麦道MD-10，空客130等飞机的航空系统，NASA也为其应用于下一代空间探测器的高可靠分层系统中进行了一系列研究，认为ARINC659总线在影响安全性方面做了最少的妥协，从安全性和容错性角度考虑是最可靠的背板总线。在中国，ARINC659总线已应用于军用飞机中，尚未在航天器中展开应用，具有良好的应用前景。