0 引言

    IEEE 1394b协议具有传输带宽高、速度快和传输距离长等技术特点，广泛用于传输多媒体数据^[1]。但IEEE 1394b协议是基于商用、工业级1394总线设备制定的，未对介质特性、包格式、消息有效性及系统完整性等进行约束，不能满足机载领域中对总线高实时性和高可靠性的要求。本文基于IEEE 1394b协议在机载领域中延时高、可靠性低的不足，描述了1394总线协议的新特性，并详细分析了总线拓扑结构、总线包格式和总线可靠性等关键协议。

1 概述

    SAE（国际机动车工程师学会）为了满足机载领域中对总线确定性和可靠性要求，建立并发布一套专用1394总线协议体系，即1394总线协议体系。1394总线协议体系主要由六部分组成，其中1394总线接口特性(AS5643)是核心协议，规定了总线包格式、拓扑结构、节点操作、消息完整性管理和系统完整性管理等要求；铜介质接口特性(AS5643/1)规定了铜介质发送/接收传输特性指标要求；其他协议是基于1394总线接口特性、铜介质接口特性规定了总线接口特性测试方法、介质特性测试方法、应用指南和常见问题解决方法，具体描述如表1所示。

2 关键协议分析

    本节将从总线拓扑结构、总线包格式及总线可靠性关键协议入手，分析和研究1394总线的关键协议。

2.1 总线拓扑结构

    1394总线协议根据IEEE-1394b协议本身提供的拓扑结构并结合机载应用特点推荐了3种总线构型，分别为树状拓扑、环形拓扑和三余度环形拓扑。

    树状拓扑结构如图1中CC-A的Bus3所示，拓扑结构简单，但其可靠性不高，单节点故障将会影响其他节点通信功能。环形拓扑结构如图1中CC-A的Bus1所示，节点间连成环形，1394总线协议提供的环检测和环断开功能将自动检测总线拓扑的环路，若检测到环路，则自动禁止某两个端口间的连接，断开环路形成树状拓扑。如果任意一个节点故障，那么总线将故障节点自动重构为新树结构的末端，使其不影响其他节点间的通信，为系统提供第一级容错能力。

    1394总线三余度总线拓扑如图1所示，由3台飞管计算机组成余度结构，每台飞管计算机有3个CC节点，每个节点作为CC连接其他远程节点组成一条总线。每个CC节点负责总线同步、总线控制管理，三余度飞管计算机通过交叉互联链路（CCDL）连接，实现三余度飞管计算机的数据交互功能，提供另一级容错^[2]。

2.2 总线包格式

    1394总线协议规定采用STOF包实现总线同步，并使用异步流包完成总线的通信功能。STOF包由CC节点按照系统周期进行周期性的广播发送，该消息通道号默认为31通道，每个远程节点都能收到STOF包，并完成总线的同步功能；其中STOF包负载中还包括总线状态字、系统模式字、系统时间、飞机时间等信息，用于控制总线状态及传递指令信息。

    总线使用异步流包进行数据传输，每个节点均按预先分配的总线带宽进行数据发送。异步流包由1394头、ASM头、Payload数据（包含心跳、健康状态字）、包尾和数据CRC组成，如图2所示^[3]，其中1394头和数据CRC为IEEE-1394协议中规定的内容，定义异步流包采用通道号寻址，并具备包头CRC和数据CRC校验功能。其余部分为Mil-1394总线协议为保证数据通信可靠性和确定性增加的内容。

2.3 总线可靠性

    1394总线可靠性主要从消息完整性管理、系统完整性管理及电气特性指标要求三方面体现。为了实现消息完整性的管理，1394协议主要在包格式定义和传输过程中对消息完整性进行检测和校验。系统完整性管理主要体现在远程节点对控制计算机（CC）的有效性判断，CC是1394总线最重要的节点，实现总线同步及总线管理等功能。电气特性指标主要规定了发送端和接收端物理特性参数范围，保证线缆上模拟信号传输的可靠性。

2.3.1 消息完整性管理

    1394总线消息完整性管理主要从异步流包格式和传输过程中消息有效性判断两个方面实现：

    （1）在包格式定义方面，如图2所示，异步流包中定义纵向奇偶校验（VPC）、健康状态字、心跳和状态字等实现消息完整性管理。具体描述如下所示：

    ①纵向奇偶校验是将包负载的每个数据字进行按位异或，再把异或得到的值按位取反。在物理层和软件层进行消息传输时，纵向奇偶校验对数据的完整性增加了一种保障；

    ②健康状态字是异步流包负载区的第一个字，它主要以包错误、子系统错误、节点错误和节点端口状态来指示节点故障；

    ③心跳是描述接收新数据到来的一个状态，随着新一帧数据的到来，心跳会加1，心跳由系统应用软件更新；

    ④状态字是STOF包负载的第一个字，表明总线上CC节点的故障状态。

    （2）在传输过程中，规定STOF接收偏移的精度应为STOF帧速率的1.0%或100 μs，二者中选择较大的值，若超出精度范围则认为数据无效，记录错误计数，连续错误达到指定计数后，向系统上报故障，可以通过查看错误消息状态寄存器获取故障状态^[4]。

2.3.2 系统完整性管理

    1394总线系统完整性管理是指RN节点监控CC节点发送的STOF包，从而判断CC节点的失效状态，并检验1394总线操作的正确性以及CC节点软件运行的正确性。为使总线操作过程中远程节点能成功接收CC节点的数据，CC节点应满足如下3个条件：

    （1）STOF包周期是有效的；

    （2）STOF包是有效的；

    （3）CC发送异步流消息是有效的。

    1394总线系统完整性管理主要从以上3个条件出发，对CC节点的有效性进行管理，具体流程如图3所示。

2.3.3 电气特性指标

    1394总线协议对总线设备终端和传输信号的物理特性进行了定义。发送端主要从发送信号幅值、上升/下降时间、抖动等参数对发送信号进行了约束；接收端从接收灵敏度、输入阻抗、变压器插入损耗对接收端物理特性进行约束，同时规定了到达接收端的信号幅值，保证信号能被准确接收。具体电气特性指标见表2、表3^[5]。

3 结论

    通过对1394总线关键协议深入地分析和研究，并依据本协议设计实现了机载产品。经过大量测试及系统联试、试飞试验等验证，结果表明，1394总线协议能够满足新一代安全关键/任务关键系统对通信网络的确定性、可靠性和实时性的要求，并且已成功应用于多个航空重点型号项目。对于新一代航空系统总线系列产品的设计、实现具有一定的指导价值，为1394总线推广到航天、兵器、船舶等其他军工领域提供了技术支撑。

参考文献

[1] 1394b：IEEE standard for a high performance serial busamendment 2[S].The Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc，2002.

[2] SAE-AS5643：IEEE-1394b interface requirements for and aerospace vehicle applications[S].SAE Aerospace，REV.A，2006.

[3] 王亚明，史洁琴.关于IEEE1394总线异步数据包配置的分析[J].计算机与现代化，2007(9)：68-71.

[4] 赵彬，田泽，杨峰，等.基于AS5643协议的接口模块设计与实现[J].计算机技术与发展，2013，23(8)：100-102.

[5] 张大朴，王晓，张大力，等.IEEE1394协议及接口设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.