0 引言

    總線是指為實現信息交換，在計算機系統中連接各不同功能部件之間的數據通路。常見的計算機領域的總線主要有PCI、CPCI和VME等，而工業測控領域一般都是建立在通用總線的基礎上進行擴展形成的，如PCI總線、VME總線進行擴展后可分別形成PXI總線和VXI總線。

    在新一代的綜合化航空電子系統(Integrated Modular Avionics，IMA)中，系統對在線可更換模塊(Line Replaceable Modules，LRM)間的數據通信提出了高可靠、高容錯、故障隔離等要求，在此基礎上，率先由Honeywell公司提出了新型的底板數據總線——ARINC659底板數據總線(簡稱ARINC659總線)。

    ARINC659總線滿足了高可靠性的技術需求，同時具有雙-雙余度配置的容錯特點，其工作機制采用了命令表驅動比例訪問(Table Driven Proportional Access，TDPA)的機制，總線操作按預先設定的命令進行，在時間分區和空間分區上支持魯棒性，為構建機架式IMA提供關鍵技術。

    ARINC659背板總線所具有的技術優勢使其在波音777的飛管系統(Airplane Information ManagementSystem，AIMS)、KC-130、MD-10等眾多飛機的航空電子設備(Versatile Integrated Avionics，VIA) 和探索下一代空間的高可靠分層系統(Highly Reliable Layered System，HRL)中^[1]得到快速應用，且在新一代航空航天電子系統中，為綜合模塊化電子機架LRM 之間數據傳輸提供標準底板總線。

1 ARINC659總線介紹

1.1 拓撲結構

    ARINC659總線拓撲結構如圖1所示。航空電子系統中，各LRM模塊之間通過ARINC659底板總線進行數據通信。每個LRM模塊包含2個總線接口單元BIU(BIUx、BIUy)，且每個BIU有A、B兩個總線對，每個總線對包含“x”和“y”兩條總線，即Ax、Ay、Bx、By 4條總線。每條總線有單獨的1條時鐘線和2條數據線，且在各時鐘周期內能傳輸2個數據位。BIUx、BIUy分別發送各自總線上的數據，每個BIU都能接收4條總線上的數據。每條總線都有各自的收發器。ARINC659總線數據通過交叉校驗進行其錯誤檢測和容錯，檢測規則按照 Ax=Ay，Bx=By，Ax=By及Bx=Ay進行。數據檢驗由4個總線對進行交叉檢驗，故相對其傳統的雙余度總線，ARINC659總線的容錯性更好，且復雜性也小于傳統的4余度總線。

    LRM模塊一般由宿主機和總線接口單元兩部分組成，按照其結構劃分可分為宿主機電路和底板總線接口單元電路兩種，且可將這兩種電路同時集成到同一塊電路板上組成LRM模塊；也可采用單獨的ARINC659總線接口子卡與宿主機子卡互聯共同組成LRM模塊。

1.2 系統工作原理

    ARINC659總線的工作機制是由命令表驅動的比例訪問(TDPA)的通信機制。命令表如表1所示。各LRM模塊上的宿主機通過對其BIU內部進行訪問，由主機接口對BIU模塊進行控制，BIU操作命令以命令表的形式通過編譯軟件編制好。在LRM模塊執行相應的命令之前需將接收數據的存儲空間分配好。將編制好的命令表加載到LRM模塊中，當系統上電后，各LRM模塊的BIU開始進行命令表讀取，并解析需要執行的命令，按照預先設定好的命令表內容格式進行總線數據的傳輸和同步脈沖。按照命令表格式，BIU進行數據收發命令時，可將存儲的數據發送到ARINC659總線上，或將總線上收到的數據通過主機接口發送給宿主機；當其進行同步脈沖的收發命令時，通過發送或接收總線上的同步脈沖實現各模塊間同步狀態的切換和保持。

    在ARINC659總線系統中，同步是實現TDPA協議的前提和關鍵。為實現ARINC659總線上各BIU的同步，同步方式包含長同步和短同步兩種同步方式，其中“長同步”用于失去同步的BIU再次與總線同步，“短同步”用于讓同步狀態的BIU將其時鐘振蕩器的漂移進行修正、使總線上所有BIU間達到緊同步狀態；“長同步”按其功能可劃分為“初始化同步”和“進入同步”，其中初始化同步是在系統上電時或因“故障”使整個總線失步時進行總線的初始化；進入同步可使非同步的LRM模塊同步到當前幀。

    ARINC659總線數據傳輸包括基本消息和主/后備消息兩種類型的消息。

    (1)基本消息的點對點傳輸的數據流圖如圖2所示，基本消息用于各模塊間(點到點)的通信或單模塊到多模塊的通信，且在窗口剛開始時，基本消息就傳輸數據。

    (2)基本消息的廣播傳輸的數據流圖如圖3所示。

    (3)主后備消息傳輸的數據流有兩種：①圖4所示為主后備消息的主模塊發送-正常發送，主/后備消息用于多個備用模塊(不能超過4個)到單個或多模塊的通信，主/后備消息由簡單的仲裁機制進行數據傳輸，且只有當主LRM以及其他高優先級的后備LRM在命令表預先規定的時間期內保持不發送數據時，后備的LRM模塊才開始向總線上發送數據，且在一個消息窗口，ARINC659總線只允許一個LRM模塊發送數據；②圖5所示為主后備消息的主模塊發送-異常發送。

1.3 技術特點及優點

    ARINC659總線是一種多路串行通信總線，用于機架式綜合模塊航空電子系統(IMA)之間的數據傳送，且傳輸方式采用半雙工數據傳輸，數據校驗采用交叉檢驗的糾錯機制，按照預訂的表命令(總線操作調度表)執行，具有兩個獨立的BIU控制模塊、4條總線分別編碼方式。ARINC659總線在總線傳輸時間和存儲空間上具有堅固性劃分的特性，是一個高容錯、高完整性的底板總線，且容錯能力較強的、可信度較高的串行總線，滿足系統對于底板總線高可靠性、高故障容忍度、高容錯的技術要求。

    ARINC659總線具有一下特點及優點：

    (1)高可靠性：由于總線的冗余機制——4條總線進行相同的數據傳輸，使ARINC659總線具有高可靠性，其數據傳輸按照不同的編碼規則進行編碼后傳輸，編碼規則如表2所示，通過LRM模塊的主-后備方式來提高系統的可靠性。同時，在ARINC659協議中，通過一系列隔離機制也在物理層增加了系統的可靠性。

    其中LRM冗余是LRM模塊按照預先設置好的優先等級由最高優先級的模塊向總線發送數據，優先級較低的模塊則保持沉默，只有當主LRM及優先級高于自身的LRM保持沉默時才向總線上發送數據。

    (2)強容錯能力：ARINC659總線采用4條雙－雙備份的串行總線傳輸數據，且總線很強的容錯能力優于傳統的雙-雙余度總線，其復雜性也小于傳統的四余度總線；

    (3)數據傳輸確定性：傳統底板總線系統中，傳輸數據前要先申請總線后再進行數據，無法保證數據傳輸的實時性，ARINC659總線通過TDPA通信機制，TDPA協議中規定，要先定義總線命令表格式，預先設定好總線的傳輸窗口將總線時間劃分為固定長度的一系列窗口，這樣可使總線活動的確定性得到保障，主機只需在固定的時間窗口組織好發送，同時主機只需在固定的時間窗口按照規則發送數據，在固定的時間點查詢數據更新標志就可完成數據的接收；

    (4)中/高數據吞吐量：時鐘采用30 MHz，最大數據傳輸速率接近60 Mb/s；

    (5)具有嚴格的故障隔離及糾錯能力，LRM模塊按照命令向總線上發送數據和從總線上接收數據，在此期間按照數據校驗規則進行故障檢測，LRM模塊對4條總線上接收的數據進行比較和糾錯，且對不可糾錯的數據，要根據相應消息描述中的規則來處理；

    (6)具有高效的總線利用率：按照TDPA協議，在數據傳輸時ARINC659 底板總線可避免將傳統串行總線上的起始、結束、錯誤校驗等字符進行傳輸，減少了該類因非數據信息字符傳輸而占用的總線帶寬，同時也消除了傳輸的地址錯誤的可能，相比ARINC659 底板總線可傳輸更多的有效數據，且具有更高的總線利用率。

2 總線的應用

    ARINC659底板總線的技術優勢使其能在波音777飛機的飛管系統(Airplane Information ManagementSystem，AIMS)、波音717 等飛機的航空電子設備(Versatile Integrated Avionics，VIA)中得到廣泛應用，為后續航空航天電子系統中綜合模塊化電子機架LRM之間數據傳輸提供了標準底板總線。

    ARINC659底板總線系統是由LRM模塊跟宿主機組成的節點機和總線底板組成。備用模塊、I/O模塊及圖形處理模塊和處理器模塊等LRM同時連接在底板總線上，構成具有高可靠性、高故障隔離和糾錯能力、高容錯能力的航空電子綜合化系統，由于總線具有高可靠性和高容錯性，因此是構建機架式IMA系統的關鍵技術，主要用于IMA機架內部各模塊之間進行數據通信，具有非常廣闊的應用前景。ARINC659總線在系統中的應用如圖6所示。

3 結束語

    ARINC659總線以其傳輸的高可靠性、使用簡單靈活的特點，被廣泛應用在航空航天等領域。本文在ARINC659總線背景的基礎上，通過分析ARINC659總線的拓撲結構、工作原理以及特點，對ARINC659總線進行了研究，對后續ARINC659總線協議研究、芯片研制、應用解決方案以及ARINC659總線的系統設計具有重要的參考價值。

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