航空电子全双工交换式以太网(AFDX)应用分析

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欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... AFDX全称为航空电子全双工交换式以太网（Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX），它是为在航空子系统之间进行数据交换而定义的一种协议（IEEE 802.3和ARINC 664 Part7）标准，是基于ARINC429和1553B基础之上的一种总线通信协议规范（ARINC664）。 AFDX的组成 AFDX 具有拓展的网络拓扑，它的拓扑结构为星型。AFDX网络主要由端系统、AFDX交换机以及传输链路组成，如图1 所示。 端系统是构成AFDX 网络的一种重要网络元件，它嵌入在每个航空电子子系统中，将子系统与A F D X网络连接起来，负责消息的发送和接收。AFDX“确定型网络”的特性主要由端系统实现，这些特性主要包括流量整形、完整性检测和冗余管理等。 交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。相比于商用以太网交换机，AFDX交换机具备了过滤功能、交换功能、故障隔离以及静态路由等特点。 每个端系统分别与AFDX交换机相连，每台交换机大约能连接20 个端系统，形成接入交换网络；AFDX交换机之间通过背板总线连接，形成骨干交换网络。每个航空电子子系统采用全双工方式用2 对双绞线直接连接在交换机上，一对用来发送（T X），一对用来接收（R X）。这样就消除了半双工以太网中遇到的争夺问题。在实际中，会使用一个冗余的交换机。 AFDX 帧结构 AFDX网络中传输的信号和以太网一样是以帧的形式存在的，帧是以太网通信信号的基本单元。AFDX帧结构遵守由I E E E 802.3标准规范的以太网帧结构。 AFDX网络在运行时需要2 个互为冗余的交换网络（网络A 和网络B），AFDX通过冗余路径来提高网络的可靠性。在端系统中，每个需要发送的帧都被复制，然后分别发送到网络A 和网络B 上，最后帧和其副本都被传送到目的端系统中，如图2 所示。 AFDX用途 AFDX网络是大型运输机和民用机载电子系统综合化互联的适宜解决方案。传统大型飞机机载系统的信息处理密度小于主战飞机，它们的航空电子系统由成套的分立式设备组成。然而，大型飞机的航空电子系统不会停滞不前，机载电子系统会涉及到高性能处理与信息综合、融合任务。从长远来看，综合式模块化是航空电子系统发展的趋势。因此，需要从实际情况出发，采用一种能够满足信息综合强度和实时性，又能够兼顾多代既有的航电设备，还能够稳步地过渡到先进的航空电子体系结构的开放式网络互连技术，AFDX就是这种应用条件下成功的典范。 AFDX卡功能分析 AFDX卡的核心协议是任务编排调度和帧发送。现有的全球各厂家提供的AFDX卡都是一卡双通道，由于AFDX卡是全双工的卡，即有2 个TX 和2 个RX 同时在发送和接收数据，这就要求卡上的协议处理芯片具有多任务同时并行处理的能力，也就是要有4 个任务同时并行处理2 个TX和2 个RX。而并行多任务处理是FPGA的强项，所以FPGA 是AFDX 卡协议处理芯片的最佳选择。 （1）任务编排调度。 1 个AFDX卡的2 个TX 发送任务编排调度的处理最好交给FPGA 去处理，这样就可以避免由于硬件分时处理的原因而导致抖动的产生。 （2）帧发送（包括冗余）。 通常最佳的设计是让另外一个FPAG来完成2 个Port的VL发送，最好用硬件来完成，而不是采用CPU 运行软件来完成。如果采用了C P U 处理的方案，最大延时的抖动是无法用软件调试的方法解决的；如果用以太网分析仪诊断，经常会发现V L 的最大延时会出现>150μ s的情况。 结束语 最大延时抖动的稳定程度是衡量一个AFDX卡性能好坏的最关键的参数，而硬件的选择起着决定性的作用。推荐最好的设计是一个AFDX卡用2 个FPGA, 这2 个FPGA分别负责处理任务编排调度和发送帧（包括冗余），尽可能避免采用CPU 作为AFDX 协议处理器，因为即使是主频很高的C P U 也是采用分时处理。这样在AFDX 这种多任务并行处理的系统中会产生无法用软件消除的抖动。针对这些问题，笔者提出几点预防性建议供大家参考。 （1）选用AFDX卡时除了考虑相应的各种系统平台驱动、测试软件工具外，应从AFDX卡硬件构成的角度去考察，最佳的选择是AFDX卡的协议处理由2 个FPGA分别负责处理任务编排调度和发送帧。 （2）研发AFDX卡时尽可能避免选用RISC CPU 或PowerPC 作为AFDX协议处理器，因此AFDX卡可以避免经常出现抖动、不稳定的问题。(end)

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