本發(fā)明屬于時間觸發(fā)通信領(lǐng)域，具體涉及一種時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換控制器及其控制方法。

背景技術(shù)：

目前使用的以太網(wǎng)交換控制器，適應(yīng)通用以太網(wǎng)標準，采用事件觸發(fā)方式，不能保證數(shù)據(jù)的絕對可靠傳輸，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，造成數(shù)據(jù)幀丟失或者網(wǎng)絡(luò)延遲大于預(yù)期范圍。

時間觸發(fā)交換控制器采用時間觸發(fā)方式，保證網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的時間同步，在此基礎(chǔ)上通過合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)帶寬，能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c實時性。

在已經(jīng)公開的相關(guān)專利成果中：時間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的集群耦合器(中國專利cn101512987a)從理論上介紹了一種不同集群之間進行通信的方法；網(wǎng)絡(luò)和時間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)中集群時鐘同步的方法(中國專利cn101512944a)提出了一種基于時隙的時間觸發(fā)協(xié)議工作網(wǎng)絡(luò)；一種基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸方法及節(jié)點設(shè)備(中國專利cn103001722a)提出了一種基于時間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法。目前關(guān)于時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換控制器尚無相關(guān)的技術(shù)記載，而通用以太網(wǎng)通信和交換方式不能滿足對高可靠性、高確定性、高實時性的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換控制器及其控制方法，支持亞微秒級時鐘同步，通過虛擬鏈路和時槽劃分相結(jié)合，采用多優(yōu)先級調(diào)度和時槽鎖定技術(shù)，保證時間觸發(fā)幀的優(yōu)先傳輸，同時支持故障隔離和恢復(fù)，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換控制器采用的技術(shù)方案為：

包括用于實現(xiàn)外部總線與片內(nèi)總線數(shù)據(jù)交換的總線接口模塊、用于進行數(shù)據(jù)調(diào)試的端口鏡像模塊、用于對所接收數(shù)據(jù)幀進行關(guān)鍵數(shù)據(jù)解析的交換端口模塊、用于還原同步數(shù)據(jù)幀時鐘固化點的時鐘固化模塊；還包括tt幀傳輸時刻計算模塊、tt交換控制模塊、be交換控制模塊以及與時鐘固化模塊相連的時鐘同步模塊；所述的總線接口模塊雙向連接端口鏡像模塊、交換端口模塊和時鐘同步模塊；交換端口模塊分別與端口鏡像模塊、tt幀傳輸時刻計算模塊、tt交換控制模塊以及be交換控制模塊進行雙向連接；時鐘固化模塊單向接收交換端口模塊的輸出信號，tt幀傳輸時刻計算模塊單向接收總線接口模塊的請求信號；所述的交換端口模塊由多個交換子端口模塊組成，be交換控制模塊包括交換仲裁和存儲控制兩部分。

交換端口模塊由12個交換子端口模塊組成，每個交換子端口均包括用于從網(wǎng)絡(luò)上接收數(shù)據(jù)或者向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)的mac控制模塊，mac控制模塊雙向連接過濾模塊、流量管理模塊以及發(fā)送仲裁模塊；過濾模塊與流量管理模塊分別雙向連接轉(zhuǎn)發(fā)配置表模塊，過濾模塊收到的數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)發(fā)配置表模塊進行比較，發(fā)送仲裁模塊分別雙向連接pcf發(fā)送緩存模塊、be發(fā)送緩存模塊以及tt發(fā)送緩存模塊。

本發(fā)明時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換控制器的控制方法，包括步驟：

總線接口模塊進行外部總線與控制器內(nèi)部模塊的數(shù)據(jù)交互；

交換端口模塊對端口接收到的數(shù)據(jù)幀進行關(guān)鍵數(shù)據(jù)解析，交換端口根據(jù)幀類型和虛擬鏈路號從轉(zhuǎn)發(fā)配置表查找對應(yīng)的配置信息，對當前數(shù)據(jù)幀進行過濾和流量管理，并為其他模塊提供控制信息；pcf發(fā)送緩存模塊、be發(fā)送緩存模塊及tt發(fā)送緩存模塊的數(shù)據(jù)幀發(fā)送請求通過發(fā)送仲裁模塊進行優(yōu)先級仲裁，獲得仲裁的發(fā)送緩存占據(jù)總線來發(fā)送數(shù)據(jù)；

時鐘同步模塊收集時鐘固化模塊計算出的時鐘固化點，通過時鐘壓縮函數(shù)計算網(wǎng)絡(luò)的相對平均時刻，根據(jù)相對平均時刻與交換控制器本地時鐘的差異，修正交換控制器本地時鐘，并廣播含有時鐘信息的pcf幀，用于網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的時鐘同步，對網(wǎng)絡(luò)進行實時同步檢測，完成同步故障的隔離與恢復(fù)；在網(wǎng)絡(luò)處于時鐘同步狀態(tài)時，tt交換控制模塊響應(yīng)各端口tt幀的交換請求，判斷目標端口的tt緩存狀態(tài)，給出應(yīng)答；be交換控制模塊的交換仲裁部分根據(jù)各端口的交換請求和預(yù)設(shè)的優(yōu)先級，給出應(yīng)答，將端口數(shù)據(jù)發(fā)送到輸出端口隊列，同時對各輸出隊列的輸出請求給出應(yīng)答，將數(shù)據(jù)從輸出端口隊列發(fā)送到交換端口模塊；當交換端口收到合法的tt幀時，向tt幀傳輸時刻計算模塊發(fā)出查詢請求，獲得該tt幀的接收窗口，若接收窗口有效，表示該tt幀到達交換機時刻合法，進行交換，當交換端口模塊收到tt交換控制模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀時，解析出該數(shù)據(jù)幀的虛擬鏈路號，向tt幀傳輸時刻計算模塊發(fā)出查詢申請，獲得該tt幀的發(fā)送申請時刻和實際發(fā)送時刻點；

對各交換子端口模塊的故障進行錯誤計數(shù)，若某交換子端口模塊的錯誤計數(shù)大于預(yù)設(shè)值，則將該交換子端口模塊屏蔽，再重新啟動，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。

當pcf發(fā)送緩存模塊、be發(fā)送緩存模塊及tt發(fā)送緩存模塊的數(shù)據(jù)幀發(fā)送請求進行優(yōu)先級仲裁時，pcf幀和be幀發(fā)送緩存數(shù)據(jù)有效，向發(fā)送仲裁模塊提交相應(yīng)的發(fā)送請求，tt幀發(fā)送緩存存放一幀數(shù)據(jù)，首先解析出tt幀虛擬鏈路號，向tt幀傳輸時刻計算模塊發(fā)出查詢請求，得到tt幀發(fā)送申請時刻和實際發(fā)送時刻點，當tt幀發(fā)送申請時刻有效，提交tt發(fā)送請求，tt幀發(fā)送請求得到應(yīng)答后，鎖定當前時槽，等待實際發(fā)送時刻點到達后，將tt幀發(fā)送出去。tt幀發(fā)送申請時刻比實際發(fā)送時刻點提前一個最大幀長時間，保證tt幀發(fā)送申請時刻到達時，發(fā)送鏈路空閑。

所述tt交換控制模塊響應(yīng)各端口tt幀的交換請求時，若等待目標端口的tt緩存狀態(tài)為空，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，若等待時間超出設(shè)定最大值，則對當前數(shù)據(jù)進行棄幀處理。

所述的時鐘同步模塊采用三級流水方式實現(xiàn)時鐘壓縮函數(shù)。

所述的總線接口模塊提供wishbone總線接口，通過wishbone總線接口進行外部總線與控制器內(nèi)部模塊的數(shù)據(jù)交互。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：通過交換端口模塊對數(shù)據(jù)進行合法性判斷和流量管理，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。tt幀傳輸時刻計算模塊完成tt幀傳輸時刻的硬件實時計算，簡化了數(shù)據(jù)傳輸時刻配置。通過虛擬鏈路與時槽劃分相結(jié)合的方案，采用多優(yōu)先級調(diào)度和時槽鎖定技術(shù)，保證tt幀的優(yōu)先實時交換。時鐘同步模塊通過流水方式實現(xiàn)時間壓縮處理，提高了時鐘壓縮效率，并且支持故障隔離和恢復(fù)，包括“同步檢測-同步故障-重啟同步-恢復(fù)同步”，以及故障端口關(guān)閉與自恢復(fù)。本發(fā)明兼容標準以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀交換，支持普通以太網(wǎng)設(shè)備無縫接入，時鐘同步能夠達到亞微秒級，保證時間觸發(fā)幀的優(yōu)先傳輸，具有時鐘同步的故障檢測、恢復(fù)以及交換端口的故障隔離、恢復(fù)功能，延遲低，確定性好。

附圖說明

圖1本發(fā)明交換控制器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2本發(fā)明交換子端口模塊的結(jié)構(gòu)框圖；

附圖中：1-總線接口模塊；2-交換端口模塊；3-時鐘固化模塊；4-時鐘同步模塊；5-tt幀傳輸時刻計算模塊；6-tt交換控制模塊；7-be交換控制模塊；8-端口鏡像模塊；9-mac控制模塊；10-轉(zhuǎn)發(fā)配置表模塊；11-過濾模塊；12-流量管理模塊；13-pcf發(fā)送緩存模塊；14-be發(fā)送緩存模塊；15-tt發(fā)送緩存模塊；16-發(fā)送仲裁模塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

參見圖1，本發(fā)明以太網(wǎng)交換控制器的總線接口模塊1實現(xiàn)了外部總線與片內(nèi)總線的數(shù)據(jù)交換，外部總線通過總線接口模塊1可以訪問交換端口模塊2、時鐘同步模塊4、tt幀傳輸時刻計算模塊5、端口鏡像模塊8、轉(zhuǎn)發(fā)配置表模塊10。交換端口模塊2是數(shù)據(jù)處理的核心模塊，由12個交換子端口模塊組成，每個交換子端口模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本發(fā)明控制器主要包括八個模塊：總線接口模塊1，交換端口模塊2，tt交換控制模6塊、be交換控制模塊7、時鐘固化模塊3、時鐘同步模塊4、tt幀傳輸時刻計算模塊5、端口鏡像模塊8。be為普通以太網(wǎng)幀，tt為時間觸發(fā)以太網(wǎng)幀。

總線接口模塊1提供wishbone總線接口。wishbone總線接口主要用于外部總線與片內(nèi)總線的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)控制器內(nèi)部寄存器讀寫訪問、轉(zhuǎn)發(fā)配置表讀寫訪問等。

交換端口模塊2首先對端口接收到的數(shù)據(jù)幀進行關(guān)鍵數(shù)據(jù)解析，包括幀類型和虛擬鏈路號等。交換控制器支持三種幀類型，分別是pcf(同步)幀、tt幀、be幀。交換端口根據(jù)幀類型和虛擬鏈路號，從轉(zhuǎn)發(fā)配置表查找對應(yīng)的配置信息，對當前數(shù)據(jù)幀進行過濾和流量管理，并為其他模塊提供控制信息。交換端口中的發(fā)送仲裁模塊針對三組發(fā)送緩存(pcf、tt、be)的發(fā)送請求，進行優(yōu)先級仲裁，獲得仲裁的發(fā)送緩存可以占據(jù)總線，發(fā)送數(shù)據(jù)。pcf、be幀發(fā)送緩存數(shù)據(jù)有效時，向發(fā)送仲裁模塊提交相應(yīng)發(fā)送請求。tt幀發(fā)送緩存存放一幀數(shù)據(jù)時，首先解析出tt幀虛擬鏈路號，向tt幀傳輸時刻計算模塊發(fā)出查詢請求，得到tt幀發(fā)送申請時刻和實際發(fā)送時刻點。當tt幀發(fā)送申請時刻有效，提交tt發(fā)送請求。tt發(fā)送請求得到應(yīng)答后，鎖定當前時槽，等待實際發(fā)送時刻點到達后，將tt幀發(fā)送出去。發(fā)送申請時刻比實際發(fā)送時刻點提前一個最大幀長時間，保證tt幀發(fā)送申請時刻到達時，發(fā)送鏈路空閑。提前申請發(fā)送總線在犧牲一定帶寬的情況下，保證了tt幀的實時傳輸。

時鐘固化模塊3由12個固化函數(shù)構(gòu)成，對應(yīng)各交換端口模塊，主要功能是還原各pcf幀的相對發(fā)送時刻即固化點，并提交給時鐘同步模塊4。

時鐘同步模塊4實現(xiàn)交換控制器的時鐘同步功能，主要功能是收集固化模塊3計算出的時鐘固化點，采用三級流水方式實現(xiàn)時鐘壓縮函數(shù)，計算網(wǎng)絡(luò)的相對平均時刻；根據(jù)相對平均時刻與交換控制器本地時鐘的差異，修正交換控制器本地時鐘，并廣播含有時鐘信息的pcf幀，用于網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的時鐘同步；對網(wǎng)絡(luò)進行實時同步檢測，完成同步故障隔離與恢復(fù)，即“同步檢測-同步故障-重啟同步-恢復(fù)同步”。

tt交換控制模塊6實現(xiàn)tt幀的交換功能。在網(wǎng)絡(luò)處于時鐘同步狀態(tài)時，tt交換控制模塊6響應(yīng)各端口tt幀的交換請求，判斷目標端口的tt緩存狀態(tài)，給出應(yīng)答。等待目標端口的tt緩存狀態(tài)為空時，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，若等待時間過長，則對當前數(shù)據(jù)做棄幀處理。

be交換控制模塊7包括交換仲裁和存儲控制兩部分。交換仲裁一方面根據(jù)各端口的交換請求和預(yù)設(shè)的優(yōu)先級，給出應(yīng)答，將端口數(shù)據(jù)發(fā)送到輸出端口隊列，另一方面對各輸出隊列的輸出請求給出應(yīng)答，將數(shù)據(jù)從輸出端口隊列發(fā)送到交換端口模塊2。由于be幀優(yōu)先級低，且為了兼容普通以太網(wǎng)交換，適應(yīng)大數(shù)據(jù)量交換場景，需要較大的be交換緩存。本發(fā)明采用外部大容量緩存芯片作為be交換的外部緩存，存儲控制接收交換仲裁的指令，實現(xiàn)外部緩存的訪問，高效的進行be數(shù)據(jù)管理。

tt幀傳輸時刻計算模塊5主要完成tt幀傳輸時刻的硬件實時計算。當交換端口收到合法的tt幀時，向tt幀傳輸時刻計算模塊發(fā)出查詢請求，獲得該tt幀的接收窗口，若接收窗口有效，表示該tt幀到達交換機時刻合法，可以進行交換。當交換端口模塊2收到tt交換控制模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀時，解析出該數(shù)據(jù)幀的虛擬鏈路號，向tt幀傳輸時刻計算模塊5發(fā)出查詢申請，獲得該tt幀的發(fā)送申請時刻和實際發(fā)送時刻點。軟件只需初始化每條虛擬鏈路的通信周期和首次接收時刻點和發(fā)送時刻點，其他時刻點均由硬件自動計算，簡化了傳輸時刻點配置。端口鏡像模塊8主要用于調(diào)試，可以將輸入端口或者輸出端口映射到鏡像端口上，也可以自定義觸發(fā)條件，將符合條件的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到鏡像端口?？刂破鲗Ω鹘粨Q端口的故障進行錯誤計數(shù)，若大于預(yù)設(shè)值，將該端口屏蔽一定時間，再重新啟動，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。

本發(fā)明交換子端口模塊通過mac控制模塊9從網(wǎng)絡(luò)上接收數(shù)據(jù)或者向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。當從網(wǎng)絡(luò)上收到數(shù)據(jù)后，mac控制模塊9解析出幀類型以及虛鏈路號等信息，提交給過濾模塊11和流量管理模塊12。對于pcf幀，過濾模塊11將收到的數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)發(fā)配置表模塊10中對應(yīng)的配置轉(zhuǎn)發(fā)信息進行比較，給出過濾標識。當過濾成功后，流量管理模塊12查找轉(zhuǎn)發(fā)配置表模塊10中對應(yīng)的配置轉(zhuǎn)發(fā)信息，對當前數(shù)據(jù)幀進行流量管理，并給出流量管理標識。當過濾標識或流量管理標識為失敗時，控制器向mac控制模塊9產(chǎn)生棄包指令，清除mac控制模塊9中的當前幀。當流量管理標識為成功時，向時鐘固化模塊3提交信息，啟動時鐘固化。時鐘固化模塊3將計算出的時間固化點提交給時鐘同步模塊4。時鐘同步模塊4收集所有固化點信息，對固化點壓縮，計算出網(wǎng)絡(luò)相對平均時間，修正控制器本地時鐘，給出網(wǎng)絡(luò)的同步狀態(tài)，產(chǎn)生新的帶有同步信息的pcf幀廣播給各交換子模塊的pcf發(fā)送緩存模塊13。

對于tt幀，過濾模塊11將收到的數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)發(fā)配置表模塊10中對應(yīng)的配置轉(zhuǎn)發(fā)信息比較，判斷時鐘同步模塊4各處的控制器狀態(tài)。當控制器處于同步態(tài)時，向tt幀傳輸時刻計算模塊5提出tt接收時刻點申請，tt幀傳輸時刻計算模塊5給出對應(yīng)接收時刻點后，過濾模塊11將接收時刻點與本地時間比較，給出過濾標識。當過濾失敗時，向mac控制模塊9產(chǎn)生棄包指令。過濾成功后，流量管理模塊12對tt幀不進行流量管理，給出流量管理成功標識，向tt交換控制模塊6發(fā)起tt交換請求。tt交換控制模塊6響應(yīng)各端口的交換請求，查詢目標端口的tt發(fā)送緩存模塊15狀態(tài)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標端口的tt發(fā)送緩存模塊15。

對于be幀，過濾模塊11將收到的數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)發(fā)配置表模塊10中對應(yīng)的配置轉(zhuǎn)發(fā)信息進行比較，給出過濾標識。當過濾成功后，流量管理模塊12進行流量管理，給出流量管理標識。當過濾或流量管理失敗時，向mac控制模塊9發(fā)出棄包指令。當流量管理標識為成功時，向be交換控制模塊7發(fā)起be交換請求。be交換控制模塊7響應(yīng)各端口請求，查詢目標端口的be發(fā)送緩存模塊14狀態(tài)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標端口的be發(fā)送緩存模塊14。

當pcf發(fā)送緩存模塊13存放一幀數(shù)據(jù)時，向發(fā)送仲裁模塊16發(fā)起pcf發(fā)送請求。當be發(fā)送緩存模塊14存放一幀數(shù)據(jù)時，向發(fā)送仲裁模塊16發(fā)起be發(fā)送請求。當tt發(fā)送緩存模塊15存放一幀數(shù)據(jù)時，向tt幀傳輸時刻計算模塊5查詢tt幀發(fā)送申請時刻和實際發(fā)送時刻，當本地時鐘為發(fā)送申請時刻時，向發(fā)送仲裁模塊16提出tt發(fā)送請求，獲得響應(yīng)后，鎖定時槽，等待實際發(fā)送時刻到達后，將tt幀發(fā)送出去。發(fā)送申請時刻提前于實際發(fā)送時刻，保證tt幀的實時傳輸。發(fā)送仲裁模塊16主要完成對三種發(fā)送請求的仲裁處理，保證優(yōu)先級順序從高到低為tt、pcf、be。發(fā)送仲裁模塊16將通過仲裁的數(shù)據(jù)發(fā)送到mac控制模塊9。mac控制模塊9將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)終端，完成數(shù)據(jù)交換。

端口鏡像模塊8根據(jù)總線接口模塊1對其的讀寫配置，設(shè)置為輸入端口鏡像、輸出端口鏡像、自定義條件端口鏡像，端口鏡像模塊8根據(jù)不同的設(shè)置，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去。

交換端口模塊2根據(jù)內(nèi)部錯誤計數(shù)，將子端口的錯誤計數(shù)值與預(yù)設(shè)值比較，若大于預(yù)設(shè)值，將該子端口的mac控制模塊9屏蔽一定時間再恢復(fù)通信。

根據(jù)上述方案，通過veriloghdl語言對控制器的邏輯設(shè)計進行描述，并完成邏輯布線；設(shè)計一款時間觸發(fā)以太網(wǎng)交換控制器驗證板，將控制器設(shè)計映射到可編程邏輯器件中實現(xiàn)，并對控制器功能進行測試，測試結(jié)果表明本發(fā)明具有很好的可實施性，且性能滿足預(yù)期要求。