0 引言

    总线是指为实现信息交换，在计算机系统中连接各不同功能部件之间的数据通路。常见的计算机领域的总线主要有PCI、CPCI和VME等，而工业测控领域一般都是建立在通用总线的基础上进行扩展形成的，如PCI总线、VME总线进行扩展后可分别形成PXI总线和VXI总线。

    在新一代的综合化航空电子系统(Integrated Modular Avionics，IMA)中，系统对在线可更换模块(Line Replaceable Modules，LRM)间的数据通信提出了高可靠、高容错、故障隔离等要求，在此基础上，率先由Honeywell公司提出了新型的底板数据总线——ARINC659底板数据总线(简称ARINC659总线)。

    ARINC659总线满足了高可靠性的技术需求，同时具有双-双余度配置的容错特点，其工作机制采用了命令表驱动比例访问(Table Driven Proportional Access，TDPA)的机制，总线操作按预先设定的命令进行，在时间分区和空间分区上支持鲁棒性，为构建机架式IMA提供关键技术。

    ARINC659背板总线所具有的技术优势使其在波音777的飞管系统(Airplane Information ManagementSystem，AIMS)、KC-130、MD-10等众多飞机的航空电子设备(Versatile Integrated Avionics，VIA) 和探索下一代空间的高可靠分层系统(Highly Reliable Layered System，HRL)中^[1]得到快速应用，且在新一代航空航天电子系统中，为综合模块化电子机架LRM 之间数据传输提供标准底板总线。

1 ARINC659总线介绍

1.1 拓扑结构

    ARINC659总线拓扑结构如图1所示。航空电子系统中，各LRM模块之间通过ARINC659底板总线进行数据通信。每个LRM模块包含2个总线接口单元BIU(BIUx、BIUy)，且每个BIU有A、B两个总线对，每个总线对包含“x”和“y”两条总线，即Ax、Ay、Bx、By 4条总线。每条总线有单独的1条时钟线和2条数据线，且在各时钟周期内能传输2个数据位。BIUx、BIUy分别发送各自总线上的数据，每个BIU都能接收4条总线上的数据。每条总线都有各自的收发器。ARINC659总线数据通过交叉校验进行其错误检测和容错，检测规则按照 Ax=Ay，Bx=By，Ax=By及Bx=Ay进行。数据检验由4个总线对进行交叉检验，故相对其传统的双余度总线，ARINC659总线的容错性更好，且复杂性也小于传统的4余度总线。

    LRM模块一般由宿主机和总线接口单元两部分组成，按照其结构划分可分为宿主机电路和底板总线接口单元电路两种，且可将这两种电路同时集成到同一块电路板上组成LRM模块；也可采用单独的ARINC659总线接口子卡与宿主机子卡互联共同组成LRM模块。

1.2 系统工作原理

    ARINC659总线的工作机制是由命令表驱动的比例访问(TDPA)的通信机制。命令表如表1所示。各LRM模块上的宿主机通过对其BIU内部进行访问，由主机接口对BIU模块进行控制，BIU操作命令以命令表的形式通过编译软件编制好。在LRM模块执行相应的命令之前需将接收数据的存储空间分配好。将编制好的命令表加载到LRM模块中，当系统上电后，各LRM模块的BIU开始进行命令表读取，并解析需要执行的命令，按照预先设定好的命令表内容格式进行总线数据的传输和同步脉冲。按照命令表格式，BIU进行数据收发命令时，可将存储的数据发送到ARINC659总线上，或将总线上收到的数据通过主机接口发送给宿主机；当其进行同步脉冲的收发命令时，通过发送或接收总线上的同步脉冲实现各模块间同步状态的切换和保持。

    在ARINC659总线系统中，同步是实现TDPA协议的前提和关键。为实现ARINC659总线上各BIU的同步，同步方式包含长同步和短同步两种同步方式，其中“长同步”用于失去同步的BIU再次与总线同步，“短同步”用于让同步状态的BIU将其时钟振荡器的漂移进行修正、使总线上所有BIU间达到紧同步状态；“长同步”按其功能可划分为“初始化同步”和“进入同步”，其中初始化同步是在系统上电时或因“故障”使整个总线失步时进行总线的初始化；进入同步可使非同步的LRM模块同步到当前帧。

    ARINC659总线数据传输包括基本消息和主/后备消息两种类型的消息。

    (1)基本消息的点对点传输的数据流图如图2所示，基本消息用于各模块间(点到点)的通信或单模块到多模块的通信，且在窗口刚开始时，基本消息就传输数据。

    (2)基本消息的广播传输的数据流图如图3所示。

    (3)主后备消息传输的数据流有两种：①图4所示为主后备消息的主模块发送-正常发送，主/后备消息用于多个备用模块(不能超过4个)到单个或多模块的通信，主/后备消息由简单的仲裁机制进行数据传输，且只有当主LRM以及其他高优先级的后备LRM在命令表预先规定的时间期内保持不发送数据时，后备的LRM模块才开始向总线上发送数据，且在一个消息窗口，ARINC659总线只允许一个LRM模块发送数据；②图5所示为主后备消息的主模块发送-异常发送。

1.3 技术特点及优点

    ARINC659总线是一种多路串行通信总线，用于机架式综合模块航空电子系统(IMA)之间的数据传送，且传输方式采用半双工数据传输，数据校验采用交叉检验的纠错机制，按照预订的表命令(总线操作调度表)执行，具有两个独立的BIU控制模块、4条总线分别编码方式。ARINC659总线在总线传输时间和存储空间上具有坚固性划分的特性，是一个高容错、高完整性的底板总线，且容错能力较强的、可信度较高的串行总线，满足系统对于底板总线高可靠性、高故障容忍度、高容错的技术要求。

    ARINC659总线具有一下特点及优点：

    (1)高可靠性：由于总线的冗余机制——4条总线进行相同的数据传输，使ARINC659总线具有高可靠性，其数据传输按照不同的编码规则进行编码后传输，编码规则如表2所示，通过LRM模块的主-后备方式来提高系统的可靠性。同时，在ARINC659协议中，通过一系列隔离机制也在物理层增加了系统的可靠性。

    其中LRM冗余是LRM模块按照预先设置好的优先等级由最高优先级的模块向总线发送数据，优先级较低的模块则保持沉默，只有当主LRM及优先级高于自身的LRM保持沉默时才向总线上发送数据。

    (2)强容错能力：ARINC659总线采用4条双－双备份的串行总线传输数据，且总线很强的容错能力优于传统的双-双余度总线，其复杂性也小于传统的四余度总线；

    (3)数据传输确定性：传统底板总线系统中，传输数据前要先申请总线后再进行数据，无法保证数据传输的实时性，ARINC659总线通过TDPA通信机制，TDPA协议中规定，要先定义总线命令表格式，预先设定好总线的传输窗口将总线时间划分为固定长度的一系列窗口，这样可使总线活动的确定性得到保障，主机只需在固定的时间窗口组织好发送，同时主机只需在固定的时间窗口按照规则发送数据，在固定的时间点查询数据更新标志就可完成数据的接收；

    (4)中/高数据吞吐量：时钟采用30 MHz，最大数据传输速率接近60 Mb/s；

    (5)具有严格的故障隔离及纠错能力，LRM模块按照命令向总线上发送数据和从总线上接收数据，在此期间按照数据校验规则进行故障检测，LRM模块对4条总线上接收的数据进行比较和纠错，且对不可纠错的数据，要根据相应消息描述中的规则来处理；

    (6)具有高效的总线利用率：按照TDPA协议，在数据传输时ARINC659 底板总线可避免将传统串行总线上的起始、结束、错误校验等字符进行传输，减少了该类因非数据信息字符传输而占用的总线带宽，同时也消除了传输的地址错误的可能，相比ARINC659 底板总线可传输更多的有效数据，且具有更高的总线利用率。

2 总线的应用

    ARINC659底板总线的技术优势使其能在波音777飞机的飞管系统(Airplane Information ManagementSystem，AIMS)、波音717 等飞机的航空电子设备(Versatile Integrated Avionics，VIA)中得到广泛应用，为后续航空航天电子系统中综合模块化电子机架LRM之间数据传输提供了标准底板总线。

    ARINC659底板总线系统是由LRM模块跟宿主机组成的节点机和总线底板组成。备用模块、I/O模块及图形处理模块和处理器模块等LRM同时连接在底板总线上，构成具有高可靠性、高故障隔离和纠错能力、高容错能力的航空电子综合化系统，由于总线具有高可靠性和高容错性，因此是构建机架式IMA系统的关键技术，主要用于IMA机架内部各模块之间进行数据通信，具有非常广阔的应用前景。ARINC659总线在系统中的应用如图6所示。

3 结束语

    ARINC659总线以其传输的高可靠性、使用简单灵活的特点，被广泛应用在航空航天等领域。本文在ARINC659总线背景的基础上，通过分析ARINC659总线的拓扑结构、工作原理以及特点，对ARINC659总线进行了研究，对后续ARINC659总线协议研究、芯片研制、应用解决方案以及ARINC659总线的系统设计具有重要的参考价值。

参考文献

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