安全計算機雙口RAM數據通信論文

　　１安全數據交互方式

　　為避免ＭＰＵ和ＨＣＵ同時(shí)對雙口ＲＡＭ的同一個(gè)內存單元進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，本設計沒(méi)有采用雙口ＲＡＭ的中斷或者信號量等機制，而是采用一種基于角色的環(huán)形緩沖收發(fā)機制，將雙口ＲＡＭ劃分為兩個(gè)獨立環(huán)形緩沖區：發(fā)送環(huán)形緩沖區和接收環(huán)形緩沖區。發(fā)送環(huán)形緩沖區負責將ＭＰＵ數據傳遞給ＨＣＵ，最終發(fā)送給外部設備；ＨＣＵ從外部設備接收到數據，放到接收環(huán)形緩沖區，并傳遞給ＭＰＵ。

　�。保�１數據處理

　　三取二安全計算機邏輯運算模塊的運行周期為６００ｍｓ，該模塊按照周期進(jìn)行數據接收、數據處理、數據輸出。在第ｎ個(gè)周期，ＭＰＵ上的控制邏輯運算模塊從雙口ＲＡＭ接收到數據后，放到邏輯接收緩沖區；從邏輯接收緩沖區取出ｎ－１個(gè)周期的數據并進(jìn)行邏輯處理；將ｎ－２個(gè)周期的邏輯處理結果，從邏輯發(fā)送緩沖區中取出，放到雙口ＲＡＭ中。ＭＰＵ上的控制邏輯運算模塊對安全數據進(jìn)行邏輯處理的時(shí)間不超過(guò)３００ｍｓ，如果超過(guò)，就會(huì )影響ＭＰＵ接收或者發(fā)送數據。同樣，ＭＰＵ上的控制邏輯運算模塊接收、發(fā)送數據超過(guò)３００ｍｓ，也會(huì )影響邏輯處理功能。在接收發(fā)送處理階段，３００ｍｓ中的２８０ｍｓ被分為２０個(gè)發(fā)送接收子周期，每一個(gè)子周期的時(shí)間為１４ｍｓ。在ＨＣＵ中，也是按照同樣的運行節拍從雙口ＲＡＭ中寫(xiě)入或讀出數據。ＭＰＵ與ＨＣＵ之間交互的數據，按照預先定義的雙口ＲＡＭ交換數據幀進(jìn)行。數據幀定義略———編者注。

　�。保�２數據接收

　�。龋茫胀ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò )接口接收到數據后，對數據進(jìn)行預處理，按照交換數據幀進(jìn)行數據組包。根據當前周期號設置“ｃｙｃｌｅ”，同時(shí)確定該數據包需要被放到Ｄ、Ｅ、Ｆ三個(gè)區塊中寫(xiě)入區塊角色標志“ｒｏｌｅ”，將“ｆｌａｇ”設置為１（即為輸入），并交換數據幀的其他字段，按照源網(wǎng)絡(luò )數據包中的信息進(jìn)行設置。ＨＣＵ根據當前周期號確定在接收環(huán)形緩沖區中的寫(xiě)入區塊后，將組包之后的交換數據幀放到寫(xiě)入區塊中。ＭＰＵ根據當前周期號確定在接收環(huán)形緩沖區中的讀出區塊后，從讀出區塊中獲取交換數據幀，然后對數據幀進(jìn)行解包，并通過(guò)“ｃｙｃｌｅ”、“ｒｏｌｅ”、“ｆｌａｇ”、“ｓａｆｅｔｙ”、“ｃｒｃ”等信息來(lái)驗證數據幀的唯一性和正確性，正常的數據幀被放到邏輯接收緩沖區，異常的數據幀被丟棄。同時(shí)ＭＰＵ根據當前周期號，確定在接收環(huán)形緩沖區中的測試區塊，利用內存檢測算法對測試區塊進(jìn)行雙口ＲＡＭ內存區塊檢測。

　�。保�３數據發(fā)送

　　在當前周期的６００ｍｓ內，ＭＰＵ進(jìn)行邏輯運算處理在３００ｍｓ內完成后，ＭＰＵ從邏輯發(fā)送緩沖區中讀取上個(gè)周期的邏輯處理結果數據，并對結果數據進(jìn)行預處理，按照交換數據幀進(jìn)行數據組包。根據當前周期號設置“ｃｙｃｌｅ”，同時(shí)確定該數據包需要被放到Ａ、Ｂ、Ｃ三個(gè)區塊中寫(xiě)入區塊角色標志“ｒｏｌｅ”，將“ｆｌａｇ”設置為１（即為輸入），并交換數據幀的其他字段，按照源網(wǎng)絡(luò )數據包中的信息進(jìn)行設置。ＭＰＵ根據當前周期號，確定在發(fā)送環(huán)形緩沖區中的寫(xiě)入區塊后，將組包之后的交換數據幀放到寫(xiě)入區塊中。ＨＣＵ根據當前周期號，確定在接收環(huán)形緩沖區中的讀出區塊后，從讀出區塊中獲取交換數據幀，然后對數據幀進(jìn)行解包，并通過(guò)“ｃｙｃｌｅ”、“ｒｏｌｅ”、“ｆｌａｇ”、“ｓａｆｅｔｙ”、“ｃｒｃ”等信息來(lái)驗證數據幀的唯一性和正確性，驗證數據幀的正確性。異常的數據幀被丟棄，正常的數據幀按照網(wǎng)絡(luò )數據幀進(jìn)行組包，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給軌旁設備或者車(chē)載控制器。同時(shí)ＨＣＵ根據當前周期號，確定在發(fā)送環(huán)形緩沖區中的測試區塊，利用內存檢測算法對測試區塊進(jìn)行雙口ＲＡＭ內存區塊檢測。

　�。保�４區塊角色輪換

　　雙口ＲＡＭ的發(fā)送與接收環(huán)形緩沖區的３個(gè)區塊，在任意一個(gè)周期都只能處于讀出、寫(xiě)入、測試３種中的某一種角色，而且這３個(gè)角色進(jìn)行周期輪換，區塊角色輪換表略———編者注。ＭＰＵ與ＨＣＵ通過(guò)雙口ＲＡＭ區塊角色進(jìn)行數據交互的步驟略———編者注。ＭＰＵ與ＨＣＵ通過(guò)相同的外部時(shí)鐘中斷來(lái)驅動(dòng)數據處理軟件模塊的運行，ＭＰＵ與ＨＣＵ在對雙口ＲＡＭ進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)時(shí)可以做到同步、流水線(xiàn)作業(yè)。在同一個(gè)處理周期內，發(fā)送環(huán)形緩沖區或者接收環(huán)形緩沖區中任何一個(gè)區塊都有明確固定的角色，ＭＰＵ板和ＨＣＵ板不會(huì )同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)操作相同區塊，只有一個(gè)板卡對特定區塊進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，從而解決了雙口ＲＡＭ的訪(fǎng)問(wèn)沖突問(wèn)題，不需要另外采取硬件仲裁、軟件仲裁或者信號量交互等手段。

　�。保�５雙口ＲＡＭ檢測

　　應用在三取二安全計算機中雙口ＲＡＭ可能存在一些功能性缺陷。無(wú)論門(mén)級電子元件的制造缺陷，還是板卡電路級的設計錯誤，都可能導致雙口ＲＡＭ的存儲功能性故障，從而降低其功能完整性和可靠性。雙口ＲＡＭ存儲單元具有多種類(lèi)型的故障略———編者注。實(shí)際項目應用中，開(kāi)發(fā)人員需要關(guān)注雙口ＲＡＭ存儲功能的完整性和可靠性，可以通過(guò)存儲器檢測算法來(lái)對其進(jìn)行檢測和診斷，能夠及時(shí)地發(fā)現和定位雙口ＲＡＭ的存儲功能故障，并及時(shí)采取相應的措施，避免因雙口ＲＡＭ存儲單元的數據錯誤導致的嚴重后果。本文采用硬件ＢＩＳＴ架構（ＨＢＩＳＴ），在硬件電路中設計專(zhuān)門(mén)的硬件邏輯部件來(lái)對內存進(jìn)行測試，其圖形測試向量有專(zhuān)門(mén)的硬件電路模塊生成，自動(dòng)對內存的各種功能故障進(jìn)行測試，硬件架構內建測試的內存故障測試覆蓋率高，而且測試速度快，設計選取的圖形測試向量主要用于覆蓋高層次的內存故障，如ＮＰＳＦ、ＣＦ、ＤＲＦ。ＨＢＩＳＴ利用Ｍａｒｃｈ－ＴＢ內存測試算法對系統的內存進(jìn)行測試，使用硬件ＨＢＩＳＴ電路來(lái)生成圖形測試向量，并由硬件ＨＢＩＳＴ電路來(lái)進(jìn)行測試，ＨＢＩＳＴ測試電路模型略———編者注。在硬件ＢＩＳＴ處于非工作狀態(tài)時(shí)，會(huì )拉低ＢＩＳＴ的時(shí)鐘信號，ＢＩＳＴ電路進(jìn)入休眠狀態(tài)。當系統在夜間進(jìn)入非繁忙狀態(tài)，會(huì )產(chǎn)生ＢＩＳＴ＿ＭＯＤＥ信號，來(lái)激活ＢＩＳＴ電路的ＢＩＳＴ模式控制器，并拉高時(shí)鐘信號，ＢＩＳＴ模式控制器發(fā)出控制信號，會(huì )接管對整個(gè)ＲＡＭ的訪(fǎng)問(wèn)控制，并對ＲＡＭ開(kāi)始進(jìn)行測試。ＢＩＳＴ模式控制器控制測試向量產(chǎn)生器、地址與數據生成邏輯工作，產(chǎn)生相應的測試向量對ＲＡＭ進(jìn)行測試。同時(shí)，并將測試結果在ＢＩＳＴ結果比較器中進(jìn)行比較，如果發(fā)現異常，退出ＢＩＳＴ＿ＭＯＤＥ模式，通知ＭＰＵ測試異常，ＭＰＵ產(chǎn)生相應的告警和錯誤處理。ＨＢＩＳＴ在進(jìn)行內存檢測時(shí)一共具有４種狀態(tài)：ｉｄｌｅ、ｔｅｓｔ、ｅｒｒｏｒ、ｗａｉｔ。ｉｄｌｅ表示處于等待測試數據進(jìn)行測試的空閑狀態(tài)；ｔｅｓｔ表示獲得測試向量對相應內存單元進(jìn)行測試；ｅｒｒｏｒ表示檢測到內存單元出錯；ｗａｉｔ表示處于休眠狀態(tài)，等待ＣＰＵ模塊激活ＨＢＩＳＴ。ＨＢＩＳＴ狀態(tài)機的狀態(tài)轉移圖略———編者注。ＨＢＩＳＴ狀態(tài)機的ＶＨＤＬ程序略———編者注。在測試的過(guò)程中，通過(guò)植入內存故障，并用邏輯分析儀獲取出錯信號，硬件ＢＩＳＴ模塊檢測內存出錯圖如圖３所示。圓圈里面的測試結果與期望結果不一致，內存檢測出錯。

　�。保�６數據交互軟硬件設計

　　雙口ＲＡＭ是雙端口ＳＲＡＭ芯片，本設計采用ＣＹ７Ｃ０２８Ｖ－１５ＡＸＩ，讀寫(xiě)速度最高為１５ｎｓ，數據容量為６４Ｋ×１６位。雙口ＲＡＭ連接ＨＣＵ板的一端為ＭＰＣ８２４７的ＬＯ－ＣＡＬＢＵＳ總線(xiàn)，連接ＭＰＵ板的一端為ＣＰＣＩ總線(xiàn)橋接芯片的ＬＯＣＡＬＢＵＳ總線(xiàn)，ＨＣＵ可以直接通過(guò)ＬＯＣＡＬＢＵＳ總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)雙口ＲＡＭ，而ＭＰＵ板通過(guò)ＰＣＩ總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)，其中還有控制信號，如片選、讀寫(xiě)、中斷、ＢＵＳＹ信號等。雙口ＲＡＭ交互電路圖略———編者注。在ＭＰＵ和ＨＣＵ中，通過(guò)設計的軟件模塊，來(lái)完成雙口ＲＡＭ的訪(fǎng)問(wèn)操作。雙口ＲＡＭ的ＭＰＵ上軟件交互關(guān)鍵代碼略———編者注。

　　２結語(yǔ)

　　分析了應用在軌道交通行業(yè)中的三取二安全計算機的雙口ＲＡＭ數據通信要求，并在實(shí)際的項目設備開(kāi)發(fā)中，設計了基于角色輪換和自檢技術(shù)的數據通信方案，可以滿(mǎn)足三取二安全計算機數據通信的安全性、可靠性和實(shí)時(shí)性要求。

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