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SpaceWire（简称 SpW）是由 ESA（欧洲空间局）和 NASA 联合制定的星载高速数据链路与网络协议，核心用于航天器内部设备（处理器、存储、遥测模块等）之间的高速数据传输，是星载通信的核心协议之一。

核心优势：高可靠性、低延迟、可扩展性强，支持多设备组网（通过路由器），可复用不同任务的硬件模块，降低星载设备研发成本。

1、总线结构

SpaceWire总线网络由节点、路由器和链路组成，节点之间通过链路和路由器（可选）连接。一个最简网络，由两个节点和一条链路组成；一个较为复杂的网络，由多个节点、路由器及多条链路组成。

2、协议栈

SpaceWire协议栈由物理层、信号层、字符层、交换层、包层、网络层及应用层组成。

①物理层提供传送数据的物理通路，包括电缆、连接器、电缆组件、PCB走线等物理介质。

②信号层提供可靠的信号传输模式。本标准规定了信号经DS编码后以LVDS电平形式传输。

③字符层定义数据字符、控制字符和控制码；

④交换层旨在物理通道上建立可靠的数据传输链路；

⑤包层定义数据链路上传输的数据包格式；

⑥网络层定义网络构成和运行机制；

⑦应用层由用户自行定义。

2.1物理层

物理层连接器信号定义如下：

连接方式如下

2.2信号层

信号编码方式：

SpaceWire采用DS编码方式，编码规则：Ｄ信号与数据位流一致，即当数据位为１时为高电平，当数据位为０时为低电平；Ｓ信号则在相邻数据位不变化时翻转电平。

链路速率：

1. 最低信令速率：2 Mbit/s
2. 初始链路建立速率：10 ± 1 Mbit/s
3. 常规运行速率：2 Mbit/s 至 200 Mbit/s

2.3字符层

①数据字符

数据字符编码后字符为10位，含１位校验位、１位数据控制位和８位数据；其中，数据控制位为“０”，表示当前为数据字符；８位数据应先传低位再传高位。

②控制字符

控制字符编码后为 4 位，其中包含1位奇偶校验位 + 1位标志位 + 2位控制码。数据控制位为“1”。

③控制码

控制字符本身只携带2位信息，其能力通过特定的序列进行扩展，形成了两种核心的控制码：

• NULL (空标志)：由ESC (转义码) + FCT (流控制令牌)序列构成，中间的校验位（P）为“０”。当链路上没有实际数据需要发送时，接口会持续发送NULL字符，以此来维持链路的活动状态，并支持链路断开检测功能。

• Broadcast Code (时间码)：由ESC (转义码) + 一个数据字符序列构成，中间的校验位为“１”其中B0～B5为数据，B6、B7为类型。广播编码用于时间码和分布式中断码。

时间码的广播编码类型应设置为 0b00。时间码的值字段应包含一个6位的时间码值，该值为无符号二进制整数。

分布式中断码的广播编码类型应设置为 0b10。中断支持两种工作模式：

1）中断模式：仅通过网络发送中断码；

中断码值字段的位0到位4应包含中断标识符，其取值范围为0到31。中断码值字段的第5位应为0。中断码应与由其中断标识符值确定的32个可能中断之一相关联。

2）带应答的中断模式：通过网络发送中断码和中断应答码。

中断应答码应用于向中断源回传中断的应答。中断应答码值字段的位0到位4应包含中断标识符，其取值范围为0到31。中断应答码值字段的第5位应为1。与中断标识符值为N（0 ≤ N ≤ 31）的中断码相对应的中断应答码，其中断标识符值应为N。

④奇偶校验

SpaceWire采用奇校验方式，因此检验作用域内“１”的数量应为奇数。奇偶校验所覆盖的范围（包括前一个字符的部分字段（数据字符的低８位或控制字符的低２位）、当前字符的标志位和奇偶校验位本身）中，"1"的个数必须为奇数。

⑤初始传输字符

复位或链路出错时，D信号和S信号应先置０。发送器复位后应先发送校验位，且该位应置０，以使Ｓ信号先发生翻转。

2.4交换层

2.4.1链路字符和标准字符

交换层有两类字符，分别是链路字符（link-character，L-Char）和标准字符（normal-character，N-Char）。L-Char包括FCT、ESC、NULL及Time-Code，这些字符不会被传递到包层。N-Char包含传输的数据字符及包结束标识（EOP和EEP），这些字符校验正确后将被传递到包层。

①链路字符（L-Char）详解

链路字符是为数据链路自身维护设计的专用字符，不承载业务数据，仅负责链路层面的控制，四类核心 L-Char 如下：

1. FCT：通常为帧控制字符（Frame Control Token），是链路层的帧定界、控制标识，用于定义帧的起始 / 结束、控制字段解析等，是链路帧结构的核心控制符。
2. ESC：即转义字符（Escape Character），用于实现字符转义，解决数据中出现特殊字符时的冲突问题（例如当数据中包含 FCT、EOP 等字符时，通过 ESC 标记实现区分，避免链路解析错误）。
3. Null：空字符，常用于链路同步、填充、空闲状态标识，在链路无数据传输时维持链路连接状态，或用于数据帧的空白填充。
4. Time-Code：时间码字符，用于链路层的时间同步、时序校准、时延测量等，保障链路设备间的时间基准一致，常见于对同步性要求高的通信系统。

关键特性：所有 L-Char 仅在交换层内部处理，完成链路控制功能后直接丢弃，不会被转发到包层（如网络层、应用层对应的包处理模块），避免链路控制信息干扰业务数据传输。

②标准字符（N-Char）详解

标准字符是业务数据的载体，是用户实际需要传输的内容，分为两部分：

1）传输的数据字符

这是核心的业务数据，包括文本、二进制数据、业务报文等用户 / 应用层产生的有效数据，是数据传输的核心内容。

2）包结束标识

用于标识数据包的传输结束，包含两种标识：

1. EOP：End of Packet，数据包结束标识，最常用的数据包终止符；
2. EEP：Error End of Packet，包错误结束标识，用于标记传输过程中出现异常、存在错误的数据包的终止场景，为包层提供错误感知依据。

关键特性：N-Char 需要经过校验机制（如奇偶校验），校验正确后，才会被传递到包层，由包层进行数据包的重组、解析、路由等后续处理；若校验失败，该字符（及对应数据包）会被丢弃，确保传输数据的完整性。

2.4.2字符传输优先级

1. 广播码，最高优先级；
2. 帧控制字符（FCT）；
3. 标准字符（N-Char）；
4. 空字符（Null），最低优先级。

2.4.3流量控制

SpaceWire 链路针对标准字符（N-Char）的传输采用FCT（帧控制令牌）信用计数机制实现流量控制，核心由接收端授权、发送端按额度发送数据，通过双维度信用计数、固定额度限制、异常处理机制，保障链路数据传输不发生缓存溢出，实现收发端速率匹配。

①核心基础规则

1. 控制信号：FCT 是流量控制的唯一核心令牌，由数据接收端发送至发送端，作为发送 N-Char 的授权依据。
2. 额度映射：1 个 FCT 固定对应8 个 N-Char 的发送/接收额度，是流量控制的基本单位。
3. 字符归属：EOP、EEP 属于 N-Char 范畴，无论空数据包是否被丢弃，均计入信用计数。
4. 状态复位：当链路状态机进入错误复位（ErrorReset） 状态时，所有信用计数器强制置 0，重置流量控制状态。

②信用计数规则

1）发送信用计数（记录发送端可发送的 N-Char 额度）

1. 计数增加：每接收到 1个FCT，发送信用计数+8；
2. 计数减少：每向对端发送 1个N-Char，发送信用计数-1；
3. 行为约束：计数为 0 时，发送端停止发送 N-Char，仅可发送链路控制类字符（FCT Null、广播码、L-Char）。

2） 接收信用计数（记录接收端已授权但未接收的 N-Char 额度）

1. 计数增加：每向对端发送 1 个 FCT，接收信用计数 **+8**；
2. 计数减少：每从对端接收 1 个 N-Char，接收信用计数 **-1**；
3. 发送约束：仅当接收端有足够缓存容纳 8 个新 N-Char，且接收信用计数未溢出时，方可发送新 FCT。

③额度限制与边界规则

1. 数值上限：发送信用计数、接收信用计数的最大值均为 56，对应 7 个 FCT；任意时刻，未完成确认的 FCT 数量不得超过 7 个。
2. 动态适配：若接收端缓存容量不足 56 个 N-Char，接收信用计数的最大值可动态调整为小于 56 的数值；接收端实际可缓存的 N-Char 数量，可大于接收信用计数的最大值。

④异常处理机制

1. 计数超限：若接收到 FCT 导致发送信用计数超过最大值 56，触发信用错误，计数器不增加并上报异常。
2. 计数为 0：发送端无可用发送额度时，暂停 N-Char 传输，仅维持链路控制字符的发送，直至收到新的 FCT 恢复额度。

⑤发送行为规范

1. 发送前提：发送端必须在接收到对端发送的 FCT 后，方可向对端发送 N-Char；
2. 无数据场景：当无广播码、FCT、N-Char 待发送时，发送端发送 Null，维持链路激活状态；
3. FCT发送条件：接收端需同时满足「缓存可容纳 8 个新 N-Char」和「接收信用计数未达上限」两个条件，才能发送 FCT。

2.4.4链路状态机

链路状态机包含以下6个状态：

1. 错误复位状态（ErrorReset）
2. 错误等待状态（ErrorWait）
3. 准备好状态（Ready）
4. 启动状态（Start）
5. 连接状态（Connect）
6. 运行状态（Run）

正常链路建立流程：错误复位 → 错误等待 → 准备好 → 启动 → 连接 → 运行。

发生任何异常 →直接跳回错误复位状态。

各状态核心功能如下：

①错误复位状态

1）进入条件（任一）：

• 端口复位
• 在错误等待/准备好/启动状态时，发生：
  1. 端口无效或断开
  2. 校验错误、转义错误
  3. 接收到 FCT、N-Char 或 Time-Code
• 在启动或连接状态时，停留超过 12.8 μs 未能正常跳转
• 在运行状态时，发生：
  1. 端口无效或断开
  2. 校验错误、转义错误
  3. 信用错误

2）本状态操作：

1. 开始6.4μs计时；
2. 清除发送使能控制位；
3. 清除接收使能控制位；
4. 发送信用计数器置 0；
5. 接收信用计数器置 0；
6. 接收到 FCT 状态指示清零；
7. 丢弃未发送的 Time-Code。

3）退出条件：

端口复位后，在错误复位状态停留 ≥ 6.4 μs →错误等待状态

②错误等待状态

1）进入条件：

• 从错误复位状态停留 6.4 μs 后进入

2）本状态操作：

1. 开始12.8μs计时；
2. 清除发送使能控制位；
3. 置位接收使能控制位，但不向字符层传递 N-Char，也不寄存所有 Time-Code。

3）退出条件：

• 端口复位 →错误复位状态
• 端口无效或链路断开 →错误复位状态
• 校验错误、转义错误 →错误复位状态
• 接收到 FCT、N-Char 或 Time-Code →错误复位状态
• 停留 12.8 μs 后 →准备好状态

③准备好状态

1）进入条件：

• 从错误等待状态停留 12.8μs后进入

2）本状态操作：

1. 清除发送使能控制位；
2. 置位接收使能控制位，但不向字符层传递 N-Char，也不寄存所有 Time-Code

3）退出条件：

• 端口复位/无效/断开 →错误复位状态
• 校验错误、转义错误 →错误复位状态
• 接收到 FCT、N-Char 或 Time-Code →错误复位状态
• 链路使能且链路启动允许 →启动状态
• 链路使能且自启动允许，并接收到一个 Null →启动状态

④启动状态

1）进入条件：

• 从准备好状态，满足以下任一：
  • 链路使能 + 链路启动允许
  • 自启动允许 + 接收到一个 Null

2）本状态操作：

1. 开始12.8μs计时；
2. 持续发送 Null；
3. 置位接收使能控制位，但不向字符层传递 N-Char，也不寄存所有 Time-Code。

3）退出条件：

• 端口复位/无效/断开 →错误复位状态
• 校验错误、转义错误 →错误复位状态
• 接收到 FCT、N-Char 或 Time-Code →错误复位状态
• 使能状态下，至少接收到一个 Null 且发送了一个 Null →连接状态
• 停留12.8μs后未正常跳转 →错误复位状态

⑤连接状态

1）进入条件：

• 从启动状态，至少接收到一个 Null 且发送了一个 Null

2）本状态操作：

1. 开始12.8μs计时；
2. 发送 FCT 使能；
3. 无数据/控制字符时持续发送 Null；
4. 发送 FCT 和 Null；
5. 置位接收使能控制位；
6. 接收到 FCT 时，向字符层发送 N-Char 并寄存接收到的 Time-Code；

3）退出条件：

• 端口复位/无效/断开 →错误复位状态
• 校验错误、转义错误 →错误复位状态
• 在使能状态下，至少发送了一个 FCT 且接收到了一个 FCT →运行状态
• 未发送 FCT 时接收到 N-Char 或 Time-Code →错误复位状态
• 停留12.8μs后 →错误复位状态

⑥运行状态

1）进入条件：

• 从连接状态，至少发送了一个 FCT 且接收到了一个 FCT

2）本状态操作：

1. 发送 FCT、N-Char 和 Time-Code 使能
2. 无数据/控制字符时持续发送 Null
3. 置位接收使能控制位
4. 发送 N-Char 和 Time-Code 到字符层
5. 将接收到的 Time-Code 发送至网络层

3）退出条件：

• 端口复位/无效/断开 →错误复位状态
• 校验错误、转义错误 →错误复位状态
• 信用错误 →错误复位状态

2.4.5链路初始化

2.4.6差错检测

交换层可检测并处理五种接收错误，任何错误都会导致复位初始化字符同步和流控制进程。

2.5数据包层

①SpaceWire 数据包由一个或多个数据字符构成，其后跟随数据包结束标识（EOP）或数据包错误结束标识（EEP）。

②数据包的起始位置应为以下之一：

• 链路初始化之后，或链路断开后重新初始化之后发送的第一个数据字符。
• 紧接在 EOP 或 EEP 之后的数据字符。
  注：前一个数据包结束后的第一个数据字符即为下一个数据包的起始。

③数据包的结束应由 EOP 或 EEP 标识。

④数据包应包含零个或多个数据字符。
注：若数据包包含零个数据字符，则该数据包将被其遇到的第一个路由交换机丢弃。

⑤数据包前部的零个或多个数据字符应构成目的地址。

⑥目的地址之后、直到 EOP 或 EEP 之前的剩余数据字符，应构成有效载荷。

2.6网络层

2.6.1 SpaceWire路由

SpaceWire 路由是一个多端口交换设备，根据数据包首字节（地址）查表或直接映射到输出端口，采用虫洞交换、信用流控、优先级转发时间码，支持路径寻址、逻辑寻址、组自适应路由和可选组播。

①路由开关（Routing Switch）核心结构

一个标准 SpaceWire 路由必须包含：

1. 一个或多个端口：包括连接外部链路的SpaceWire端口和连接内部并行接口的FIFO端口（最多31个外部端口）。
2. 交换矩阵（Switch Matrix）：连接输入端口与输出端口，是数据转发核心。
3. 路由表（Routing Table）：用于逻辑地址 → 物理端口映射。
4. 配置节点（Configuration Node）：通过端口地址 0 访问，用于配置路由表、端口参数。
5. 可选时间码寄存器：保存最近收到的时间码，并广播有效时间码。
6. 可选中断中继寄存器：指示当前激活的中断，并广播中断码。

②端口寻址

1. 配置端口 = 端口 0
2. SpaceWire/FIFO 端口 = 1–31
3. 路由根据数据包首字节决定输出端口。

③路径寻址

首字节 0–31 为路径地址（Path Address），用于直接指定下一跳端口。

1. 首字节 = 0 → 路由到配置端口（端口 0）
2. 首字节 1–31 → 直接路由到对应编号端口
3. 路径地址可由多个字节组成（多级路由）
4. 每个路由使用后删除该字节，露出下一个地址给下一个路由
5. 配置端口只能通过路径寻址访问

④逻辑寻址

首字节 32–254 为逻辑地址（Logical Address），用于查表转发。

1. 路由根据首字节查路由表 → 得到输出端口
2. 逻辑地址不删除（除非启用 “逻辑地址删除” 功能）
3. 路由表保存逻辑地址 → 物理端口映射
4. 255 保留，不可使用

⑤逻辑寻址删除

路由可配置在转发前删除首字节逻辑地址。

1. 每个路由可选择是否删除首字节
2. 只删除一个字节
3. 删除后露出下一个地址（路径 / 逻辑）给下一个路由
4. 用于网络分区、多级逻辑地址扩展

⑥寻址错误处理

以下情况必须丢弃数据包：

1. 首字节指向不存在的端口
2. 路由表项未配置有效端口
3. 逻辑地址 255（保留地址）

⑦虫洞路由

SpaceWire 路由的核心交换机制：

1. 数据包到达后立即决定输出端口
2. 输入端口与输出端口直通连接
3. 逐字符（N‑Char）转发，不缓存整包
4. 输出端口忙时，数据包在输入端口等待
5. 输出端口完成当前包后才能接收新包

⑦路由仲裁

多个输入端口竞争同一个输出端口时：

1. 必须使用公平仲裁（fair arbitration）
2. 输出端口空闲时，选择一个输入端口接入
3. 传输完成后释放端口，重新仲裁
4. 公平竞争，轮流使用输出端口。

2.6.2 SpaceWire网络时间

1. 组成：时间码 = ESC字符 + 数据字符（6 位计时器 + 2 位控制位）。
2. 全网唯一主节点：仅一个端口作为时间主机，向网络广播时间码。
3. 计时机制：

• 全网节点/路由均维护6 位计时器（0~63 循环）。
• 时间主机周期性发计时信号，本地计时器 + 1 并发出新时间码。
• 从节点/路由仅在新时间码 = 当前值 + 1时，视为有效并更新、广播。

1. 传输与分发流程

• 链路端收发：接收→校验有效性→更新计时器；无效则丢弃。
• 网络分发：主机发码→中间节点校验有效→转发至其他链路；无效不转发。
• 最终实现全网计时器同步。

1. 时间码丢失处理

• 丢失导致部分节点本次无法更新。
• 下次校时，未更新节点用新码更新，但不转发新码。
• 经若干次校时后，全网自动恢复同步，次数取决于网络规模与丢失位置。

3、SpaceWire 协议标识

3.1协议标识说明

1. 核心作用：为实现多种协议在 SpaceWire 网络中并发运行且互不干扰，标准定义了协议标识符机制。接收节点根据数据包中的协议标识符处理报文，不支持的标识符则丢弃报文。
2. 上层协议规范：基于 SpaceWire 运行的上层协议，统一在 ECSS-E-ST-50-5x 系列标准中定义，文中列举了两类典型协议：

• 远程内存访问协议（RMAP）：支持对远程 SpaceWire 节点的内存读写，可用于网络配置、节点控制及数据收发，规范依据为 ECSS-E-ST-50-52。
• CCSDS数据包传输协议：将 CCSDS数据包封装进 SpaceWire 数据包进行传输，在目标节点解封装，规范依据为 ECSS-E-ST-50-53。

①数据包寻址规则

携带协议标识符的数据包到达目标节点时，结构包含单字节逻辑地址，相关规则如下：

1. 地址传递：发起端发送的数据包可能包含多个前置路径/逻辑地址字节，在 SpaceWire 网络传输中会被剥离，仅保留单字节逻辑地址到达目标节点。
2. 默认逻辑地址：当目标节点未配置专属逻辑地址时，固定使用254（0xFE） 作为默认值；发起端若未知目标地址，也可使用该默认地址。
3. 节点适配规则：

• 目标节点可选择忽略逻辑地址为 0xFE 的数据包，并可统计并上报此类被忽略的数据包数量。
• 目标节点可支持接收一个或多个不同逻辑地址的数据包（例如同时支持 60、61、0xFE）。

②基础协议标识符

协议标识符是紧跟逻辑地址后的单字节字段，有严格的取值与分配规则：

1. 核心取值定义:
   • 取值0（0x00）：保留用于扩展协议标识符（EPI），是扩展标识的触发标识。
   • 取值255（0xFF）：保留用于未来扩展，禁止使用。

1. 标识符分配范围:

• 1~239（0x01~0xEF）：标准化标识符，由 SpaceWire 工作组统一分配，是当前已批准协议的专用范围，可保证多协议并发运行。
• 240~254（0xF0~0xFE）：项目自定义标识符，由项目自行分配，存在与其他用户协议冲突的风险，无标准化保障。

③扩展协议标识符

当基础单字节标识符无法满足需求时，可使用扩展标识符，其规则如下：

1. 启用条件：仅当节点支持扩展协议标识符时生效，此时基础协议标识符取值为 0x00，其后紧跟两个字节组成 16 位的扩展协议标识符，最多可支持 65535 种协议。
2. 禁用与丢弃规则：

• 若节点不支持扩展协议标识符，所有基础标识符为 0x00 的数据包必须丢弃。
• 扩展标识符取值 0x0000~0x00FF 为未来保留值，禁止使用，包含该范围的数据包必须丢弃。

1. 统计机制：不支持扩展协议标识符的节点，可统计并上报接收到的扩展标识符数据包数量。

3.2 CCSDS数据包传输协议

CCSDS 数据包传输协议用于将CCSDS 空间数据包封装进 SpaceWire 数据包，在 SpaceWire 网络中从发起端传输至目标端，解封装后交付给目标用户应用；不提供传输确认、重传机制，也不校验 CCSDS 数据包内容与格式，仅负责封装/解封装与数据透传。

①协议定位与服务特性

1. 服务类型：单向、异步、无确认的数据传输服务，仅提供单源到单目的地的透传能力。
2. 服务访问点（SAP）：通过 SpaceWire 地址标识，服务数据单元按提交顺序处理，协议不强制定义流控方案。
3. 服务能力：不保证数据完整性、无重传、不校验 CCSDS 数据包格式、不保证数据单元序列保持；端到端服务质量由底层 SpaceWire 网络提供。
4. 序列保持：仅单路由拓扑（无组自适应路由）可保持数据包序列，多路由拓扑无法保证。

②核心参数定义

1. CCSDS 数据包：遵循 CCSDS 133.0-B-1 标准，为协议服务数据单元。
2. 数据包长度：最小 7 字节，最大 65542 字节；项目可自定义任务级最大长度。
3. 状态码：用于标识数据包有效性，取值：

• 0x00：数据包正常
• 0x01：以数据包结束符（EEP）终止到达
• 0x02：保留字段非零

1. 目标地址：包含目标 SpaceWire 路径地址、目标逻辑地址（默认值 254/0xFE，目标可支持多逻辑地址）。
2. 用户应用值：8 位自定义字段，可用于虚拟通道标识等用户专属用途。

③CCSDS数据包格式

1. 字段结构与顺序：空间数据包必须包含两个连续的必选字段，顺序固定：

• 数据包主包头（Packet Primary Header）：固定长度为 6 字节，是所有空间数据包的必备头部。
• 数据包数据域（Packet Data Field）：长度为 1~65536 字节，承载业务数据。

1. 总长度约束：单个空间数据包的总长度（主包头 + 数据域）必须满足：

• 最小长度：7 字节（6 字节包头 + 1 字节数据域）
• 最大长度：65542 字节（6 字节包头 + 65536 字节数据域）

1. 空闲包（Idle Packet）特殊说明：

• 当数据包的应用进程标识符（APID）为保留值，且数据域填充为项目指定的空闲模式时，该包被称为空闲包。
• 空闲包由遥测（TM）、高级在轨系统（AOS）、统一空间数据链路协议（USLP）等协议按需生成，用于维持数据传输过程的同步。

1）数据包主包头

4、典型应用

①路由器：采用IP核或专用芯片，实现协议栈与数据包路由功能，提供两类接口：

1. 1. 与节点或其他路由器连接的链路接口
   2. 与主机系统连接的主机接口

②节点：采用IP核或专用芯片，实现协议栈及数据包的源起与接收功能，提供两类接口：

1. 与路由器或其他节点连接的链路接口
2. 与内部控制器（如CPU、FPGA逻辑）连接的控制器接口

③链路物理介质：

使用SpaceWire专用电缆与接插件，统一采用9芯插座/插针（设备端为插座，电缆端为插针），电缆按接点3互连方式连接。为保证传输可靠性，链路两端设备必须良好共地。