1553B总线应用竞争访问时序分析
刘士全;黄正;蔡洁明;魏敬和
【摘 要】军工系统单位在应用1553B总线控制器电路过程中,采用其零等待工作模式,偶尔会遇到竞争访问数据丢失的问题.文章详细介绍了1553B总线控制器电路在应用过程中竞争访问产生的原因,并对竞争访问和非竞争访问之间的时序差异进行了测试分析,阐明了竞争访问数据丢失的原因,给出了有效避免竞争访问发生时数据丢失的时序配置方法.
【期刊名称】《微型机与应用》 【年(卷),期】2015(034)001 【总页数】3页(P69-71)
【关键词】1553B总线;竞争访问;非竞争访问;时序 【作 者】刘士全;黄正;蔡洁明;魏敬和
【作者单位】中国电子科技集团第58研究所,江苏无锡214035;中国电子科技集团第58研究所,江苏无锡214035;中国电子科技集团第58研究所,江苏无锡214035;中国电子科技集团第58研究所,江苏无锡214035 【正文语种】中 文 【中图分类】V19
1553B总线是美用标准MIL-STD-1553B总线的简称，它采用带屏蔽的双绞线作为串行数据总线，使用时分制指令/响应型传输协议，其传输速率为1 Mb/s，传输方式为半双工，其形式类似一个局域网[1]。由于1553B总线的高可靠性和实
时性[2]，使其在航空、航天等众多型号单机系统中得到广泛的应用。1553B总线通常由一个总线控制器（BC）、最多31个远程终端（RT）和一个总线监控器（MT）组成[3]。目前航空、航天系统使用最广泛的1553B总线控制器有61580、65170、61585、843等。1553B总线控制器在应用过程中，通过主控制器（如MCU、DSP、FPGA等）对其内部寄存器及存储器进行配置及数据写入与读出。本文重点分析1553B总线控制器在应用过程中产生竞争访问的原因、竞争访问与非竞争访问的时序差异、竞争访问时数据丢失的原因及有效避免的方法。 1553B总线控制器为配合不同的主处理器（如16位的VC33、3803、8位的80C51等）的使用，提供了多种配置工作模式，主要有8位/16位缓冲非零等待模式、8位/16位缓冲零等待模式、16位透明模式、16位直接存储器存取模式[4]六种。其中16位透明模式与16位直接存储器存取模式需要使用外挂RAM，因此在航空、航天单机系统中使用较少；8位/16位缓冲非零等待模式和8位/16位缓冲零等待模式使用1553B总线控制器电路内部RAM，在航空、航天系统中被广泛应用。但8位/16位缓冲零等待模式使用内部共享的4K×16位RAM时，通过软件程序固定的读写周期对内部寄存器及共享RAM进行读写操作。由于该模式读写周期固定，当竞争访问发生时，偶尔会出现数据丢失的现象。下面重点介绍该问题产生的原因。
从图1 1553B总线控制器内部逻辑功能框图[5]可以看出，1553B总线控制器内部集成了一块4K×16位的共享RAM。首先1553B总线控制器内部协议处理器可以通过数据总线和地址总线对4K×16位的共享RAM进行读写访问；其次外部主处理器CPU也可通过数据总线和地址总线对4K×16位的共享RAM进行读写访问（但通过了一级数据、地址缓冲器）。当1553B总线控制器内部协议处理器和外部主处理器CPU同时对4K×16位的共享RAM进行读写访问时，这时就产生了竞争访问[6]。当竞争访问产生时，如前一个数据还没有被写入内部的共享RAM，就
会在数据缓冲区里等待内部协议处理器结束，以完成当前共享RAM的访问；下一个数据再次到来时，将无法写入数据缓冲区，导致当前写入的数据丢失。当1553B总线控制器内部的协议处理器和外部主处理器CPU对4K×16位的共享RAM轮流进行读写访问时，则为非竞争访问。非竞争访问不会发生数据丢失的现象。
以16位缓冲零等待模式外部主处理器写内部共享RAM为例，重点介绍竞争访问与非竞争访问之间的时序差异。从图2的16位缓冲零等待写内部RAM时序图可以看出，STRBD信号控制了内部RAM的写入周期，READYD信号反映了数据写入的时间过程，READYD高电平表示数据正在写入内部共享RAM，IOEN信号低电平表示数据写入成功，本次测试分析了t14的时间长度（READYD信号高电平持续时间），该时间可有效反应竞争访问与非竞争访问之间的时序差异。 试验测试板通过主处理器CPU对1553B总线控制器电路（DDC公司生产的BU-65170S6-110K）内部寄存器和RAM进行配置，配置1553B总线控制器电路工作在远程终端RT模式下。配置成功后再对某一固定地址区域循环写入递增的数据，写入数据的周期通过软件编程进行改变；同时通过另外一块测试板卡总线控制器BC对本RT进行循环访问该取数据[7]。利用示波器对STRBD、READYD、IOEN信号进行监测，并对总线通信数据进行实时记录，判断数据是否为连续数据[8]。 2.1 非竞争访问时序测试
写入数据的周期通过软件编程控制在每2 μs写入一次，并通过中断信号控制主处理器CPU写入数据，与总线控制器BC对RT进行取数据轮流进行，避免主处理器CPU与1553B总线控制器内部协议处理器同时对内部共享RAM进行访问的发生，即非竞争访问。测试波形如图3所示。
通过图3的波形可测得在非竞争访问的情况下，当STRBD低电平宽度为500 ns时，READYD信号的高电平宽度为720 ns，并对实时记录的总线通信数据进行分
析，在非竞争访问的情况下，写入数据与总线读出数据一致，均为连续数据，未出现数据丢失的现象。
2.2 竞争访问数据丢失时序测试
写入数据的周期通过软件编程控制在2 μs一次，并在主处理器CPU写入数据的同时，通过总线控制器BC对RT进行取数据，以造成主处理器CPU和1553B总线控制器内部协议处理器同时对内部4K×16位共享RAM进行访问，即竞争访问。测试波形如图4所示。
通过图4的波形可测得在竞争访问的情况下，当STRBD低电平宽度为500 ns时，READYD信号的高电平宽度为3.12 μs，并对实时记录的总线通信数据进行分析，在竞争访问的情况下，写入数据与总线读出数据有不一致的现象，总线读出的数据为不连续数据，在写入周期为2 μs的情况下，当竞争访问发生时出现了数据丢失的现象。
从测试波形可以看出，竞争访问发生时，即外部通信总线通过1553B总线控制器内部协议处理器从共享RAM取数据，与主控制器CPU向内部共享RAM写数据同时进行，数据写入内部共享RAM的时间变长[9]，即数据在排队等待写入内部共享RAM，如果此时下一个写周期到来，这个数据将无法写入内部共享RAM，出现数据丢失。
2.3 竞争访问数据未丢失时序测试
写入数据的周期通过软件编程控制在每5 μs写入一次，并在主处理器CPU写入数据的同时，通过总线控制器BC对RT进行取数据，以造成主处理器CPU和1553B总线控制器内部协议处理器同时对内部4K×16位共享RAM进行访问[10]，即竞争访问。测试波形如图5所示。
通过图5的波形可测得在竞争访问的情况下，当STRBD低电平宽度为250 ns时，READYD信号的高电平宽度为3.12 μs，并对实时记录的总线通信数据进行分析，
在竞争访问的情况下，写入数据与总线读出数据一致，均为连续数据，在写入周期为5 μs的情况下，当竞争访问发生时未出现数据丢失的现象。
在1553B总线控制器电路应用过程中，如果外部主处理器CPU与1553B总线控制器内部协议处理器（即1553B总线收发数据）同时对内部4K×16位RAM进行读写操作，就会造成竞争访问，在竞争访问发生时如果外部主处理器CPU写入与读出周期控制不当，就会造成数据的丢失。为有效保证竞争访问发生时数据可正确地写入与读出，可通过合理控制外部主处理器CPU写入与读出周期实现。在竞争访问发生时（即READYD高电平期间）避开数据的写入与读出，即可有效避免数据的写入与读出失败。本文对16位缓冲零等待模式下竞争访问时间进行了实测，当STRBD低电平宽度为500 ns时，实测READYD高电平宽度最大值为3.12 μs，则读写周期控制在3.12 μs+0.125 μs（2个CLK周期）=3.245 μs以上即可保证数据可靠写入与读出，可有效避免数据丢失。
刘士全（1982－），男，工程师，主要研究方向：1553B总线控制器电路应用测试研发工作。 【相关文献】
[1]Condor Engineering Inc.MIL—STD—1553 Protocol Tutorial[S]. 2004.
[2]DDC.ACE/Mini-ACE Series BC/RT/MT Advanced Communication Engine Integrated 1553 Terminal User′s Guide[S]. 2008.
[3]CondorEngineeringInc.BusTools—1553—APISoftware Reference Manual[S]．2004． [4]DDC.MIL—STD—1553B Designer′s Guide[S]．USA．1998. [5]DDC.BU-65170/61580 and BU-61585 datasheet[S].1999.
[6]Data Device Corporation.Rebirth of the 1553 data bus[C]. 2006：3-4. [7]GLASS M.Enhanced mini-ACE architecture offloads host processor for BC applications[Z].Application Note AN/B-32，2006：1-6.
[8]LOS G.Asynchronous asynchronous message insertion for DDC′s enhanced mini-ACE series[Z].Application Note AN/ B-42，2006：1-7.
[9]Wu Kan，Jiang Jingfei.Research and design of 1553B fault-tolerant communication protocol[J].Energy Procedia，2011，16（1）：2-3.
[10]黄长春，徐抒岩.基于DSP的1553B总线系统设计与实现[J].电子设计工程，2010（8）：4-7.