SpaceWire与SpaceFibre高速总线发展与研究

徐曙清，王 震，董瑶海，李 卿

（1.上海创景计算机系统有限公司，上海 201201；2.上海卫星工程研究所，上海 200240；3.上海航天技术研究院，上海 201109）

0 引言

目前，国内航天器中普遍使用的总线或网络主要有RS422，RS485，CAN 总线，1553总线，LVDS等。这些总线或网络已经获得了广泛的使用，但同时也表现出通信速度、传输距离、协议配合、纠错容错、功耗、电缆重量等不足。欧空局针对这些不足，提出了全新的SpaceWire总线和SpaceFibre网络。其中SpaceWire总线已在多个型号中得到了应用，SpaceFibre网络是正在研究的课题。本文对SpaceWire总线及SpaceFibre网络的概念、发展进行了综述。

1 简介

SpaceWire总线是欧空局与 NASA，JAXA，RKA等国际空间组织合作，基于IEEE 1355-1995，IEEE 1596.3两个商用标准，通过改进IEEE 1355的可靠性、功耗等，使其能更好地满足航空航天应用而提出的一种专门用于空间高速数据传输的总线标准。SpaceWire网络具有低成本，高速度，高容错等特点。

SpaceWire总线中数据采用DS编码，用LVDS信号传输，通信速率为2～400Mb／s，可实现点对点的传输或通过路由构造一个节点可达255个的星型网络；在同一网络中可同时使用多条总线；网络拓扑具有很高的自由度；可通过增加总线数量的方法成倍提高整个网络的数据传输速度。SpaceWire定义了物理层、信号层、字符层、交换层、包层和网络层6个协议层。其中：物理层主要定义了微距D型连接器，通过4对屏蔽双绞电缆传输，达到10m的全双工通信，每个方向包含数据（Data）和选通（Strobe）两个信号；信号层定义采用LVDS实现长距离，低功耗的信号传输；字符层定义了控制和数据两种类型字符，采用了独特的奇校验方式，在无有效数据时，发送NULL字符，以确保接收端的时钟恢复的连续性；交换层通过状态机的切换（Reset-＞Wait-＞Ready－＞Started-＞Connecting－＞Run），有效避免了接收端的缓冲的溢出，对各种可能发生的错误进行链路修复连接；包层定义了包头和包结束标志，对有效载荷的数据未作硬性规定；网络层定义了网络组件和网络的方式，可通过路径方式或逻辑地址方式组网，定义了路由表的基本结构，同时定义了虫洞路由的交换机制和调度原理，定义了错误定位和恢复。因SpaceWire在包层未对有效载荷数据作详细定义，故派生了 STUP，RMAP，CCSDS，RVTP等协议。

在SpaceWire总线的基础上ESA正研究SpaceWire-D技术，SpaceWire-D是高可靠航天器控制信息组网技术，旨在构建航天器任务、控制、数据交互的高可靠航天器信息网络。该技术在符合SpaceWire协议标准基础上，采用RMAP协议标准，增加了数据交互的可靠性，同时引入时间片划分机制，保证数据传输的确定性。该技术的特点是：符合SpaceWire，RMAP协议标准；采用SpaceWire Time-codes功能时钟同步和时间片划分；任务分配按时间片划分进行；采用RMAP协议传输机制，有访问应答措施；支持故障检测、隔离和恢复（FDIR）。

SpaceFibre网络技术是ESA，NASA正在研究的高速太空网，是一种面向吉比特每秒级高速数据传输需求而提出的基于SpaceWire协议体系结构的新标准，目标是能传输高、低两种通道的所有类型数据。SpaceFibre特点是：采用8B／10B的编码技术；每条链路可达2Gb／s（目标5Gb／s），支持多条链路可达20Gb／s；根据传输距离选择电缆，光纤传输约100m，适于长距离传输；铜缆传输5m，适于短距离传输或板级传输；引入了服务质量（QoS）机制，可实现高带宽使用率、优先级的管理调度与服务；集成FDIR，使用校验码，8B／10B编码，CRC检验，带宽控制，直流隔离措施，数据帧格式和虚拟通道方式，快速重连和重发，链路恢复机制，支持错误报告等多种技术；电气隔离，线缆具有内、外两层屏蔽层；传输电缆较轻（光纤30kg／m，铜缆60kg／m）；抗辐照性能好，EMC特性好；能与SpaceWire网络实现无缝互联。

SpaceFibre定义了物理层、链路层、多链路层、质量层、网络层和管理层6个协议层。其中：

图1 SpaceFibre协议层Fig.1 SpaceFibre layout

a）物理层 SpaceFibre可用光纤或铜缆传输，在线上传输8B／10B符号，接收端的物理层能从信号流中恢复出数据和时钟。

b）链路层 对应于链路的初始化和错误侦测，发生错误能自动重新初始化，用8B／10B的编译码进行收发，该编译码保证信号直流平衡，可保证传输的数据串在接收端能被正确复原。

c）多链路层 支持有多条链路并行工作时的操作管理，达到高速度并行收发。一旦某条链路出错能自动调整收发策略的分配。

d）质量层 提供质量服务和在SpaceFibre连接时管理信息流程。支持QoS的信息发送，侦测任何帧或控制码丢失或错误，同时提供重发机制和ACK／NACK交互；提供虚拟通道可达256个。支持优先级别服务，带宽保留、预约和调度，支持时间片功能。通过加入伪随机码有效降低电磁辐射和提高抗干扰能力。

e）网络层 对应于在SpaceFibre网络上的收发数据和应用信息的传输。提供包收发和广播信息两种服务。包收发服务在SpaceFibre网络上收发数据包，使用与SpaceWire相同的包格式和路由概念，支持路径和逻辑地址两种方式。广播信息服务对应于广播短消息（8字节）到网络上的所有节点，这些短消息能包含时间和各种同步信息。

f）管理层 对应于配置、管理和监控SpaceFibre协议栈的各种状态。如配置虚拟信道的QoS设定，设定FDIR等。

SpaceFibre中有三种不同接口：虚拟通道接口用于收发SpaceFibre数据包，其中有虚拟通道缓冲器（VC Buffers）；广播通道接口用于广播和接收短消息，通过一组寄存器进行读写操作；连接管理接口用于配置和监控，用寄存器进行操作。

SpaceFibre技术已成ESA，NASA的研究热点，是未来航天器大容量数据传输较好的解决方案。

2 SpaceWire，SpaceFibre应用于航天器

伴随着航天科技的不断进步，航天技术的应用领域不断拓展，航天器（航天器包括卫星、载人和货运飞船、空间站、月球探测器、深空探测器等）功能也不断提升，这导致航天器内部设备系统处理数据的强度和交换信息的数量越来越大，航天任务面临复杂数据处理要求的挑战，航天器内部信息交互网络化的发展需求日益迫切。

在现代航天器内部，各相对独立的电子仪器设备间均通过数据总线有机连接，从而实现了集成化的分布式电子系统。该系统作为一个小型的航天器设备系统网络，实现航天器上综合电子信息的处理、监视、协调和管理，并同时控制航天器内各分系统的运行。因此，数据总线的速度，使用的可靠性、灵活性直接影响航天器的整体性能，在系统网络中的地位举足轻重。面对越来越复杂的数据处理需求，越来越多外围设备超出了原总线处理能力，这对航天器设备系统网络性能的改善提出了新的挑战。

作为当前航天总线的前沿技术，SpaceWire，SpaceFibre网络技术以满足高速、高效传输为主要目标，具有较强的错误检测、异常处理、故障检测与恢复性能和良好的EMC特性。近年来，随着电子技术和处理方法的发展，航天器有效载荷的数据量不断增大，对航天器系统的功能要求也越来越高。多个自主管理的任务，如程控、能源管理、有效载荷管理、安全管理、系统重构、器上时统及各分系统间的数据交换与共享等，越来越迫切需求构建高可靠、高速统一航天器信息网络，实现多用户、多任务、大数据量航天器信息传输、交互与处理。

SpaceWire，SpaceFibre总线标准实现航天器有效载荷系统数据和控制信息的处理，以满足未来高性能高速数据传输为目标，提供一种统一的用于连接传感器、数据处理单元、大容量存储器的基础架构。该总线不仅具很好的EMC特性，而且在错误检测、异常处理、故障保护和故障恢复及时间确定性方面也进行了加强。该技术在ESA，NASA的多个型号任务中成功应用，有不断扩大的趋势。

常用总线比较见表1。由表可知：SpaceWire，SpaceFibre更适于在航天器上使用。

在航天器上使用SpaceWire，SpaceFibre的主要优点如下：

a）SpaceWire，SpaceFibre有非常高的通信速率，特别是SpaceFibre能达到吉比特每秒量级。高通信速率表明能处理几乎所有类型的数据，如雷达，光学像机等高速有效载荷的数据，也可传递遥控，遥测等低速率数据，亦可在板与板间传递信号。

b）由于通信速率的提升，致使航天器的仪器设备的结构发生重大变化，单机与单机间仅有SpaceWire或SpaceFibre与电源连接，而同台单机内的仪器插板也可采用此方式。按此结构，整个航天器如同一计算机网络：航天器单机是各PC，通过千兆Ethernet连接，单机内的仪器插板即为PC机中的各种板卡，通过PCI、PCIe总线连接。

c）标准化后各研制单位设计的产品可直接连接到系统，不存在安全问题；不存在因误插导致的各种错误，因使用统一的SpaceWire或SpaceFibre接口，且接口均有隔离功能，单机和板卡可实现盲插拔和热插拔；各研制单位设计的产品不再需要协调接口，只需协调好通信接口调用和调度；重复性好，为其他型号研制的单机和插板可直接使用；功能扩展能力强，增减单机或增减功能插板方便；显著降低了航天器上的电缆连接的复杂性，降低了接口的复杂性；明显减少整个航天器的重量（包括线缆、接插件、元器件的数量和重量）；显著降低了整个航天器的功耗；显著增加了抗干扰和纠错能力；显著提升了实时处理能力；可明显降低研制费用，因采用统一标准，单机和板卡的重用性好，能达到相同功能的单机或板卡可直接使用；明显加快了研制时间，能达到相同功能的单机或板卡只需修改通信的调度和和协议接口就可使用；显著降低了单机和板卡的设计复杂性：由于SpaceWire或SpaceFibre既有远端控制能力，能直接通过远端进行控制，这样在许多单机或板卡上就不需要单独使用处理器，也就减少了软、硬件的开发，降低了设计的复杂性；极大降低了地面综合测试设备的开发，采用SpaceWire或SpaceFibre后，因接口统一，只需1套设备就可覆盖率所有的型号，通过修改软件就可满足需求。

表1 常用总线Tab.1 General bus

因此，实现航天器SpaceWire，SpaceFibre信息网络的构建，可突破航天器数传技术发展的瓶颈，减轻设计制造航天器型号的压力，提高对各类客户的服务质量，创造可观的经济和社会价值。

3 国外使用和基础研究

3.1 SpaceWire国外使用

SpaceWire标准已经在美、日等航天大国获得了较广泛的应用。大量资料显示，SpaceWire标准的芯片及相关技术在欧洲、美国和日本等航空航天部门获得了大力发展，并已有大量产品推向市场。越来越多的遥感卫星、商业卫星已经或准备采用SpaceWire标准。SpaceWire在美国目前和未来航天器中的应用见表2。

月球探测卫星（LRO）的SpaceWire网络数据传输结构如图2所示。LRO采用高、低速双总线传输方式，其中1553B总线实现遥控遥测及低速探测数据的传输，高速探测数据采用SpaceWire网络传输方式，通过SpaceWire路由器将LRO相机、微型雷达及莱曼－阿尔法制图仪高速数据动态路由至Ka，S波段数传通道对地下传。

表2 美国使用SpaceWire的型号Tab.2 Module using SpaceWire in USA

图2 美国月球探测卫星结构Fig.2 LRO structure of USA

为降低风险，美国转型卫星通信系统（TSAT）项目（国防部未来网络中心战的关键组成部分）将联合洛克·马丁公司推出SpaceWire项目，采用SpaceWire技术提供灵活连接方式，在卫星不同设备间实现高速网络化。

欧洲在目前和未来航天器中SpaceWire的应用见表3。

欧空局研制的火星快车探测器（ExoMars）是一个典型的SpaceWire信息网络构建，其网络数据传输结构如图3所示。ExoMars采用SpaceWire网络实现探测数据的动态互联，各探测仪器通过SpaceWire接口挂接在SpaceWire网络中，通过地面切换路由方式，根据需求实现探测数据动态路由至大容量存储器、处理器及图像处理器进行数据存储和处理。

表3 欧洲使用SpaceWire型号Tab.3 Module using SpaceWire of Europe

图3 欧空局火星快车探测器结构Fig.3 ExoMars structure

日本在目前和未来航天器中SpaceWire的应用见表4。

表4 日本使用SpaceWire型号Tab.4 Module using SpaceWire of Japan

JAXA研制的水星探测器（BepiColumbo MMO）的SpaceWire网络数据传输结构如图4所示。BepiColumbo MMO采用SpaceWire网络实现13个探测仪器的数据传输，各探测仪器通过SpaceWire接口分别挂接至数据处理器单元1、2，这两个数据处理器单元间亦通过SpaceWire接口连接，充分利用了SpaceWire网络，实现数据交互。

图4 水星探测器结构Fig.4 BepiColumbo MMO structure

3.2 SpaceWire国外基础研究

STAR-Dundee推出了SpaceWire协议相关产品的IP核，并授权ATMEL公司生产相关的ASIC产品。目前推出市场的有节点芯片AT7911E，AT7912E，路由芯片AT7910E，远程终端控制芯片AT7913E。

3.2.1 SpaceWire节点IP核

STAR-Dundee节点IP核提供了一个高度灵活的SpaceWire接口，完全符合SpaceWire标准；低功耗设计；可配置时钟方案以满足大范围的应用需求；对有高斜率或占空比条件很差的SpaceWire信号有强鲁棒性；基于输入和输出FIFOs的简单数据接口；简单的时间码接口；提供状态和错误报告；一个32字节发送和接收FIFOs的典型SpaceWire节点程序设计将使用Actel RTAX1000（包括EDAC）资源的约7%，或Xilinx Spartan 3E1600资源的约4%。

另外，AreoFlex公司的GRIP核可根据需求定制成SpaceWire节点接口及UT100系列的收发器芯片。

3.2.2 SpaceWire路由器IP核

STAR-Dundee的SpaceWire Router IP支持灵活的基于无阻塞交叉交换虫洞路由。完全符合SpaceWire标准；SpaceWire端口最多可达31个。外部并行端口最多可达31个，包含输入FIFO和输出FIFO各1个。一个无阻塞交叉交换可连接任意输入端口到任意输出端口。低功耗设计，切换频率自适应优化或可配置；当数据准备发送时端口可设置为自动启动，当无数据发送时端口可设置为停止以节省功耗。内部配置端口可通过交叉交换从任何SpaceWire或外部并行端口读写。

一个典型的有SpaceWire端口4个和外部端口1个的路由设计将使用Actel RTAX2000资源的约50%，或Xilinx Spartan 3E1600资源的约20%。

ESA推出了源节点（Initiator）和目标节点（Target）的RMAP协议IP核，并在JAXA水星探测器MMO中得到应用。MMO RMAP IP核结构如图5所示，其中有SpaceWire接口、RMAP指令接口、时钟编码接口（Time code用于产生系统时钟）、DMA传输接口和时钟／复位接口等。

图5 水星探测器RMAP IP核结构Fig.5 RAMP IP structure of MMO

另外，Aeroflex也有UT200系列的路由芯片。

3.3 SpaceFibre国外研发

目前，还未见具体航天器将使用SpaceFibre通信技术的报道，但从ESA等的器件和设备的规划来看，可判断SpaceFibre通信技术将用于未来的航天器。如ESA的SpaceFibre产品的计划有以下。

a）带SpaceFibre的LEON CPU，由荷兰SSBV公司设计（估计Aeroflex公司将参与，因为Aeroflex下属的Gaisler公司一直在研究和发布LEON CPU核，目前已发展到了LEON4）。

b）带SpaceFibre的FPGA，由丹麦TWT公司设计（估计Atmel公司会参与，因为Atmel公司有宇航级FPGA）。

c）带SpaceFibre的PowerPC CPU，由Astrium公司设计（估计Atmel公司会参与，因为Atmel公司有宇航级PowerPC CPU）。

d）两个高性能的COTS计算机，使用SpaceFibre接口，由Astrium公司设计。

e）带SpaceFibre的通用大规模存储板，由Astrium和丹麦IDA公司设计。

上述项目均已规划到了ASIC和单机，属于较大型项目。

开发上述产品，最核心的是IP核等基础研发，目前国外在其中投入了大量的人力和物力，如：STAR-Dundee在研究SpaceFibre标准，估计会在1年后通过ESA的标准；STAR-Dundee在研究CODEC IP核和路由器IP核，已宣称马上能推出；美国Honeywell国际空间电子系统研究SpaceFibre虚拟信道和流程控制；日本三菱电子的预研中心在研究SpaceFibre的Codec IP核，并规划设计ASIC，进行了大量测试；已能传输2.5Gb／s的数据；部分设计已完成；日本三菱电子的预研中心研究SpaceFibre背板和子板设计；日本NEC已通过了SpaceFibre和SpaceWire的传输测试工作；Astrium在研究抗辐照的带处理器的SpaceFibre器件，使用RMAP协议，SpaceFibre，CPU通过AMBA连接，带Space－Fibre接口2路，目前还处于FPGA阶段。

4 国内使用和基础研究

4.1 SpaceWire国内使用

由于国内的应用需求强烈，国内多家科研院所先后开展了航天器SpaceWire信息网络构建与IP核的国产化研究。从公开的文献来看，中国科学院空间科学与应用研究中心、北京航天自动控制研究所、北京空间机电研究所和西安微电子技术研究所等均获得了科研成果，涉及基于SpaceWire总线的航天器数据系统设计、SpaceWire路由器的设计研究及SpaceWire软核的设计等。

航天器SpaceWire信息网络尚未在国内航天型号上广泛应用，SpaceWire协议相关产品的IP核开发成果也较鲜见于科技文献。与国外相比，目前国内型号应用较多的是采用1553B总线构建航天器信息网络，该网络的可靠性虽有保证，但传输带宽仅1Mb／s，无法满足日益增加的航天器信息交互网络带宽需求，高速载荷信息无法接入1553B总线。

上海卫星工程研究所对星上SpaceWire总线数据传输进行了研究，主要涉及卫星SpaceWire总线通信协议规范、SpaceWire总线在数传系统中的设计及应用，并进行了部分专项试验：如卫星SpaceWire地面干扰试验和卫星SpaceWire静电放电干扰试验，获得了相应的数据，为SpaceWire信息网络构建奠定了基础。上海卫星工程研究所主导研制的新一代静止气象卫星是国内较早应用SpaceWire总线技术的航天器，已完成整星鉴定级测试，SpaceWire总线网络表现优异。

4.2 SpaceWire总线国内基础研究

国内在IP核、芯片以及协议的研发方面也取得了进展。

在型号应用的基础上，上海卫星工程研究所创造性地提出了远程虚拟信道传输的SpaceWire协议规范（RVTP）。上海创景计算机系统有限公司通过自主研发，成功研发了SpaceWire收发节点（Codec）IP核和路由器IP核，并申请了知识产权登记。其中：

a）Vision SpaceWire CODEC IP核完全按SpaceWire标 准：ECSS-E-ST-50-12C 编 写；采 用Verilog语言编写，非常容易移植到FPGA中；同步设计；低资源占用率；高性能（400Mb／s）；无无效传输位，无缝隙发送，恢复的rx clock完全连续；接口简单，收发均采用 FIFO；Time-code接口设计；EOP，EPP插入接口设计；Error code设计，定位错误方便；可配发送速率。

b）Vision SpaceWire Router IP核按SpaceWire标准（ECSS-E-ST-50-12C）编写；采用 Verilog HDL语言编写，易移植入FPGA；采用模块化设计，利于端口功能扩展；低资源占用率；高性能（Virtex6能实现多端口200Mb／s路由功能）；接口简单，为Codec标准接口，便于移植，每个端口使用独立收发FIFO；路由切换和节点收发无缝配合，无数据等待，实现了数据的实时性，不到1μs的输出群延时；每个端口均有独立的路由表，采用DPRAM来配置路由表；每个端口都可独立控制启动；无阻塞交叉开关、虫洞路由；支持路径、逻辑地址、群组路由功能；优先级管理，支持多信道访问；支持TimeCode广播功能，各端口均可广播及关闭TimeCode；内部ErrorCode管理；具内部配置模块，便于外部通用总线对其进行配置。

在这两个IP核的基础上，上海创景计算机系统有限公司开发了SpaceWire收发和测试设备和Vision SpaceWireRouter路由器等系列产品：

4.3 SpaceFibre网络国内基础研究

目前，国内有关单位在考虑开始SpaceFibre的基础研究。

5 关键技术

5.1 高可靠SpaceWire-D信息组网技术

SpaceWire-D技术是未来航天器高可靠控制信息宽带组网的解决方案，该技术的难点主要有：

a）高可靠传输方法 RMAP协议提供了远程访问机制，包括写指令、写应答，读指令、读应答，写／读／修改指令、写／读／修改应答，有一定的错误识别功能，但未提出解决措施。对引入检错重传功能，设置重传机制，以及重传机制对控制指令的实时性的影响尚需研究。

b）Time-slots划分算法 该算法保证任务分配与执行的确定性。需研究采用的划分算法，以在充分利用SpaceWire网络效率时，既能保证任务分配的合理性，也能保证任务执行的实时性。

c）FDIR技术 涉及传输通道品质管理和故障检测隔离修复，主要用于控制信息流管理。当故障发生时，SpaceWire能检测到错误并修复，重新建立路由链路，保证数据传输的有效性、连续性和实时性。

目前国外尚未有SpaceWire-D相关协议正式发布。

5.2 高速SpaceFibre网络传输技术

SpaceFibre技术是一种面向吉比特每秒量级高速数据传输需求提出的基于SpaceWire协议体系结构的新标准，其技术的难点主要有：

a）SpaceFibre体系结构 涉及SpaceFibre网络构建拓扑结构。与SpaceWire网络的无缝兼容，以及在此拓扑结构中数吉比特每秒高速数据可靠传输的实现是关键。

b）高速数据路由技术 多通道高速数据传输。路由实时、通畅的保证，以及故障发生时采用的机制以确保路由能实现故障隔离，进而达到故障恢复等是关键。

c）QoS，FDIR技术 涉及传输通道品质管理和故障检测隔离修复，主要用于数据流管理。故障发生时，SpaceFibre能检测到错误并修复，重新建立路由链路，保证数据传输的有效性、连续性和实时性。

目前国外尚未有SpaceFibre相关协议正式发布。

6 结束语

SpaceWire，SpaceFibre是一种用于航天器的新技术，与国外相比，目前我国还存在差距。在应用方面，我国航天器SpaceWire信息网络尚无飞行经验，其业务范围、应用规模、技术成熟度等都有较大差距；在SpaceWire基础研究IP核和协议方面，上海创景计算机系统有限公司设计的IP核也仅在地面测试中使用；在SpaceFibre方面，国外已开展了数年的研发，而国内还未实质性起步。因此，有必要进行航天器SpaceWire，SpaceFibre信息网络的任务需求分析，开展基于SpaceWire，SpaceFibre总线技术研究，采用高可靠SpaceWire技术和高速Space－Fibre技术实现航天器任务、测控和载荷信息网络一体化设计，完成航天器内部信息网络数据传输和控制；确立信息网络功能和指标，完成网络构建方案设计、优化及可行性论证，为航天器SpaceWire，Space-Fibre信息网络工程化设计与实现提供总体指导和技术支撑。开展航天器SpaceWire，SpaceFibre信息网络节点、路由IP核设计等基础研究，为航天器信息网络提供标准化、高可靠传输接口，实现接口可重用，同时降低网络构建成本，满足航天器任务、测控、姿控及载荷等信息传输的性能需求，为产品工程化应用提供技术支撑，将有力推动我国航天器数传与测控系统的发展，进一步缩短与国外航天器上信息流科技水平的差距，使我国航天器研制技术达到世界先进水平。