引言
SpaceWire是一种高速、点对点、全双工串行总线网络标准，被广泛应用于航天器电子系[1]。作为一种专为空间环境设计的通信协议，SpaceWire旨在为航天器各分系统与有效载荷之间提供可靠、确定性的数据通信服务[2]。该标准符合ECSS-E-ST-50-12C规范[3]（最新为Rev.2），由欧洲空间局（ESA）和英国STAR-Dundee公司于2000年共同制定，其技术核心源于IEEE 1355标准和LVDS（低压差分信号）物理层[4]。SpaceWire支持200 Mb/s至400 Mb/s的高数据传输速率，并具有良好的抗辐射和抗干扰性能[5]。该标准于2003年、2005年、2008年[6]和2010年经过多次更新和补充，现在已经形成了一个比较完善的标准体系。
SpaceWire采用数据-字符交换的链路层协议，通过“路径寻址”和“逻辑寻址”方式，能够灵活构建由路由交换机互联的复杂星载网络拓扑。由于其高可靠性、灵活的网络构建能力以及对空间环境的良好适应性，SpaceWire已成为国际航天领域的主流在轨互联技术之一[7]，尤其在遥感卫星、科学探测卫星及深空探测器的数据系统中得到广泛应用。
本文引入SpaceWire概念的主要原因是，该协议虽在航天应用中表现出色，但存在点对点通信的局限性，广播无法实现，传输速率难以满足日益增长的高速数据需求，因此需要通过桥接设计将其与更高速的以太网接口集成，以扩展其在现代星载系统中的适用性。
SpaceWire协议主要面向航天应用，自2003年起即开始在实际型号中部署。经过二十余年的发展，该标准已能有效支撑星载电子系统的分布式和网络化应用[8]。然而，由于其点对点特性，无法实现广播功能。近年来，随着高速SpaceWire技术的进步，业界开发了高速SpaceWire协议IP，将传输速率从200 Mb/s提升至400 Mb/s以上[9]，部分满足了系统对速率的需求。但对于星上更高传输速率的要求，工程实现仍面临瓶颈。
以太网是一种广泛应用于通信和传输领域的成熟技术协议[10]。自Xerox公司于1973年提出并实现以来，已发展多代。通过采用以太网IPv6协议，IPv6协议支持大规模地址分配，适合星间组网，这在星载系统中可对应数千个子系统[11]。得益于以太网的广播机制，所有节点均可接收数据包。近年来，以太网支持的数据访问速率快速发展[12-13]。因此，随着航空航天领域数据传输速度需求的不断增长，必须引入以太网接口来满足系统对传输容量和速度要求[14]。在独立星载系统之间，传输速率有时可高达千兆。
此外，SpaceWire接口已在众多封装芯片或现成产品中广泛集成。因此，当系统设计面临无法更改仅配备SpaceWire接口的单机硬件现状，而整个星载计算机系统设计方案中未保留SpaceWire接口资源、仅提供以太网通信接口，且要求千兆速率时，便需要在系统中加入SpaceWire与以太网之间的桥接设计，以满足相关设计要求。该桥接可将基于SpaceWire的现有星载系统接入由外部设备建立的以太网网络，实现双向数据通信。同时，系统设计中可能存在多个SpaceWire接口源，同时连接至同一或多个以太网MAC接口，易引发数据量冲突或接口冲突。在资源受限条件下，桥接设计需支持多个SpaceWire接口与多个以太网接口的数据通路，并解决两端数据通信中的潜在数据流冲突问题[15]。
FPGA制造商赛灵思推出的三速以太网MAC IP核版本9.0，该IP核主要实现MAC层，支持BASE-T标准的10 Mb/s、100 Mb/s和1 000 Mb/s速率，以及半/全双工操作。在10 Mb/s/100 Mb/s模式下，采用MII接口；在1 000 Mb/s模式下，采用GMII/RGMII接口连接器件；同时支持SGMII/1000BASE-X PCS/PMA接口，与GTX串行高速收发器配合实现高速数据传输；可选择RGMII/GMII/MII/SGMII接口协议与外部PHY芯片连接，实现物理层功能[16]；支持MDIO管理接口配置PHY芯片寄存器，并提供流量控制和地址过滤等功能[17]。
以太网MAC控制器IP核的解决方案主要聚焦于数据链路层的MAC子层，物理层可通过PHY芯片实现。MAC层一方面将用户逻辑产生的数据添加前导码、帧起始定界符和帧校验码[18]，封装成标准以太网IPv6数据帧格式后，发送至物理层芯片；另一方面，对从物理层接收的数据去除前导码、帧起始定界符和帧校验码。该IP核本身不支持以太网协议帧的解析和封装[19]，需要在FPGA桥接逻辑中实现。本设计支持UDP和PING协议。
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作者信息：
路瑶，王显，李嘉林
（北京控制工程研究所，北京 100190）
