CN101449252B - 通信组件以及用于双向数据传输的方法 - Google Patents

Abstract

一种通信组件用于将以数据包方式传输数据的串行总线连接到网关的多个逐字地传输数据的系统总线上，其中通信组件具有：连接到串行总线上的通信协议单元，用于在分别由多个数据字组成的数据包和信息之间进行转换，消息中继传输单元，用于在至少一个消息存储器和通信协议单元以及缓冲存储器之间中继传输消息，多个分别连接到网关的附属系统总线上的接口单元，其中每个接口单元与至少一个暂存信息的附属缓冲存储器连接，同时使数据字通过多个系统总线及其附属的接口单元，实现同步没有等待时间地传出和传入接口单元的缓冲存储器。

Description

通信组件以及用于双向数据传输的方法

技术领域

本发明涉及用于连接串行总线的通信组件，尤其是用于与多个串行现场总线连接的网关的通信组件。

背景技术

控制器，传感器和执行元件借助于网络或者由通信线路，尤其总线和相应的通信组件组成的通信系统的联网，近年在现代汽车制造业或机械制造业，尤其在机床领域以及自动化领域迅速增长。通过将功能分布到多个用户，尤其控制器，就可以实现协同作用。人们称之为分布的系统。这种分布的系统或网络因此由用户和连接这些用户的一个或者多个总线系统组成。不同的站或者用户之间的通信因此越来越多地通过这种通信系统，总线系统或者网络进行，通过所述通信系统，总线系统或者网络，待传输的数据以通知方式传送。将这种在总线系统，存取和接收机构上的通信交流以及错误处理通过相应的协议进行调节，其中各个协议的名称常常也同时被作为网络或总线系统本身的同义词应用。

例如在汽车领域，将CAN总线(Controller Area Network)制定为协议。该协议是一种事件控制协议，也就是说，协议的活动性，如消息的发送是由起源于通信系统之外的事件触发的。进入通信系统或总线系统的唯一通道是由以优先权为基础的位仲裁开启的。其前提条件是，给传输的数据以及因此涉及的每个通知赋予优先权。CAN协议非常灵活；只要还存在空闲的优先权(信息标识符)，那么增加其他的用户和通知将不成问题。所有在网络中待发送的具有优先权的通知及其发送或接收用户或者相应的通信组件的集合，被存放在列表中，即所谓的通信阵列中。

作为事件控制的自发的通信的备选方案，是纯时间控制的方案。在总线上的所有通信活动都是严格周期性的。协议活动，如通知的发送，只能由适用于整个总线系统的时间的流逝触发。进入该介质的通道是以发送者具有独家发送权的时间范围的分配为基础的。其中通知顺序通常在运行之前已经确定。因此制定一个能满足有关重复率，冗余度，截止日期等等通知要求的运行时刻表。人们称之为所谓总线进度表。这种总线系统例如是TTP/C。

两个所述总线类型的优点在时间控制的CAN解决方案，即所谓的TTCAN(Time Triggered Controller Area Network)中得以结合。该TTCAN满足了上述以示意图表示的对时间控制的通信的要求以及对某种程度灵活性的要求。TTCAN通过在所谓的唯一时间窗中为特定通信用户的周期性通知以及在所谓的仲裁时间窗中为多个通信用户的自发通知构建通信循环来满足这些。其中TTCAN基本上基于以时间控制的周期性通信，该通信由提供主要时间的用户或者通信组件(即所谓的时间主机)借助于时间基准消息提供时钟。

FlexRay协议提供了结合不同传输方式的另一种可能，因此对尤其被采用在汽车中的快速的，决定性的和容错的总线系统加以说明。该协议按照时分多址(TDMA Time-Division-Multiple-Access)的方法工作，其中给用户或待传输的通知赋予固定的时隙，在所述时隙中他们独家访问具有总线的通信线路。同时使所述时隙以固定的周期重复，从而可以准确预报通知通过总线被传输的时刻，并且决定性地实现总线访问。为了优化利用总线系统上传输通知的带宽，将该周期细分为静态的和动态的部分。其中固定的时隙位于总线周期开始时的静态部分。在动态部分，动态地安排时隙。其中独家的总线访问分别只能用于短时间。如果没有访问，则为下一个用户释放访问。该时间间隔被称为Minislot，在所述Minislot中等待第一个用户的访问。

正如刚才所说明的，存在众多不同的传输技术和因此涉及的总线系统或网络的类型。多到以至于相同或不同类型的多个总线系统必须互相连接。为此采用总线接口单元，即所谓的网关。网关因此可以是相同或者不同类型的不同总线之间的接口，其中网关将通知从一个总线传输到另一个或多个其他的总线。已知的网关由多个独立的通信组件组成，其中信息的交换是通过每个用户的处理器接口(CPU接口)或者每个通信组件的相应的接口组件实现的。其中该CPU接口由于除了要传递到用户本身的通知之外的这种数据交换而被强烈地加载，由此与因此而产生的传输结构一起获得相对低的数据传输速度。此外存在对共同的通知存储器，即所谓的消息存储器或消息RAM进行分配，以因此补偿结构缺陷的集成的通信控制器或者通信组件。当然，这种集成的通信组件因而对于数据传输来说是非常不灵活的，并且尤其规定了总线连接的确切数量并且大部分还必须是相同的总线系统。

图1示出了用于如在图2中示出的传统网关的传统的通信组件或通信控制器CC。通信组件CC具有用于内部外设总线或者网关的系统总线的接口和用于外部串行总线的其他接口。系统总线包括地址总线，数据总线和控制总线，并被用于网关内部的内部数据传输。在系统总线上，除了通信组件，还连接了具有数据存储器RAM的主CPU(Host-CPU)以及网关单元。主CPU被用于内部的数据处理，而网关单元控制内部数据从一个通信组件CC传输到另一个通信组件CC。通信组件CC与主CPU以及网关单元按照主/从原则进行通信，其中通信组件CC是从单元，而主CPU和网关分别构成主单元。

正如从图1可以识别的那样，至系统总线的通信组件的内部接口由一个两层接口构成，即一个用户接口和一个通用接口。用户接口连接系统总线和通用接口，其中用户接口是制造商特有的并且可轻易更换。通用接口可通过用户接口连接到大量用户特有的系统总线上。按照现有技术的通信组件CC如在图1所示出的那样，还包含用于暂存待传输数据的缓冲存储器。所述缓冲存储器例如由RAM或者数据寄存器构成。通信组件CC此外还包含能在至少一个消息存储器和通信协议单元的消息之间进行中继传输的消息中继传输单元或者消息处理器。消息存储器或者消息RAM被用作消息存储器并且对待传输的信息体以及配置和状态信息数据加以暂时保存。消息中继传输单元承担了所有缓冲存储器，通信协议单元和消息暂存器之间数据流的控制。在图1中示出的传统的通信组件CC的通信协议单元(PRT)，按照所采用的数据传输协议进行通信。其中通信协议单元PRT承担了通过外部串行总线传输的数据包DP的数据格式和通信组件内部所使用的消息MSG之间的转换或转变。此处由消息中继传输单元或者消息处理器中继传输的消息MSG至少由一个数据字DW组成，其中数据字DW的字长度或位数例如与网关内部设定的数据总线的总线宽度相一致。如果系统总线具有例如32位宽的内部数据总线，则数据字DW同样包含32位。消息MSG可以由预定数量的数据字DW组成。缓冲存储器的存储容量与例如包含预定数量数据字DW的消息的数据规模相一致。数据流的仲裁由消息中继传输单元或消息处理器执行。

传统的网关如在图2中所示出的那样包含多个主机单元，即主CPU和网关单元。因为两个主机单元通过相同的系统总线或者外设总线和共同的接口访问通信组件CC内部的数据，所以会产生访问冲突。例如当不同的主机单元想通过其系统总线接口同时访问通信组件CC的数据时，就有可能产生访问冲突。在这种情况下，主机单元必须等侯数据访问，直至其他的主机单元结束其数据访问。这种数据访问可以是写入，但也可以是从通信组件CC的缓冲存储器中读取数据。

发明内容

因此本发明要解决的技术问题是，为网关创建一种通信组件，它能使不同主机单元在同时进行数据访问时的等待时间最短。

该技术问题按照本发明是由具有在权利要求1中所述特征的通信组件解决。

本发明创建了一种通信组件，用于连接以数据包方式将数据传输到多个其他通信组件并且逐字地中继传输到网关的多个系统总线的串行总线，其中通信组件具有：

-连接到串行总线的通信协议单元，用于在分别由多个数据字组成的数据包和消息之间进行转换，

-消息中继传输单元，用于对至少一个消息存储器和通信协议单元以及缓冲存储器之间的消息进行中继传输，

-多个分别连接到网关的附属系统总线的接口单元，其中每个接口单元与至少一个暂存消息的附属缓冲存储器连接，

-其中数据字通过多个系统总线及其附属接口单元传出和传入接口单元的缓冲存储器是同时且没有等待时间地。

在按照本发明的通信组件的实施形式中，串行总线是现场总线。

在按照本发明的通信组件的实施形式中，现场总线由CAN(Controller Area Network，控制器域网络)总线构成。

在按照本发明的通信组件的备选实施形式中，现场总线是FlexRay总线。

在按照本发明的通信组件的其他实施形式中，现场总线是MOST总线。

在按照本发明的通信组件的其他备选实施形式中，串行总线由以太网总线构成。

在按照本发明的通信组件的实施形式中，每个系统总线优选具有附属的系统总线主机。

在按照本发明的通信组件的实施形式中，消息中继传输单元将对通过系统总线逐字地传输的消息的接收，用信号传递到系统总线的系统总线主机(Sustembus-Master)。

在按照本发明的通信组件的备选实施形式中，在系统主机询问信息后，消息中继传输单元通过信号向系统主机确认接收到传递的消息。

在按照本发明的通信组件的其他实施形式中，为了将由串行总线所作的发送准备信号化，使暂存在缓冲存储器中并且被消息中继传输单元中继传输到消息存储器上的被系统总线接收的消息具有至少一个特征位。

此外本发明还提供了在以数据包方式传输数据的串行总线和逐字地传输数据的系统总线之间双向地传输数据的方法，具有下列步骤：

-将通过串行总线传输的数据包转换成具有多个数据字的消息，

-将消息暂存在缓冲存储器中，并且

-将数据字通过多个系统总线同时且没有等待时间地传出和传入缓冲存储器。

附图说明

接下来参考用于阐述本发明主要特征的附图，对按照本发明的通信组件和按照本发明的用于双向数据传输的方法加以详细说明。

附图中：

图1：示出按照现有技术的通信组件；

图2：示出按照现有技术的网关；

图3：示出包含按照本发明的通信组件的多处理器网关；

图4：示出按照本发明的通信组件的可能实施形式的框图；

图5：示出为了与按照本发明的通信组件建立兼容性，对传统的通信组件所作的电路技术的扩展。

具体实施方式

如可以从图3所辨别的那样，多处理器网关1具有多个分别可连接到串行总线3-i上的按照本发明的通信组件2-i。所述串行总线3-i例如是现场总线或者以太网总线。数据以数据包的方式通过串行总线3-i传输。所传输的数据包DP包含管理数据或标题数据以及有效数据或有效载荷数据。多处理器网关1具有多个主机单元或处理器4-1，4-2。这些主机单元可以承担各种功能。在图3所示出的例子中，第一主机单元由对按照本发明的各种通信组件2-i之间的数据传输进行控制的网关单元4-1组成。另一个处理器4-2是对内部传输的数据字DW进行数据处理的主CPU。除此以外，多处理器网关1具有多个系统总线5-1，5-2。优选每个主机单元4-1，4-2具有自己的系统总线。每个系统总线具有自己的数据总线，地址总线和控制总线。在多处理器网关1内部，将数据逐字地传输，其中数据字的长度相当于相应数据总线的总线宽度。按照本发明的通信组件2-i，在优选实施形式中，对于每个系统总线5-i具有一个附属的接口。

图4示出按照本发明的通信组件2-i的可能的实施形式。通信组件2被用于通过接口连接串行总线3，其中通信组件2-i对于多处理器网关1的每个内部系统总线5-i都具有另一个分离的接口2a，2b。在图4示出的实施形式中，通信组件2-i具有用于连接到系统总线5-1上的第一接口2a，所述系统总线5-1的主机单元由网关单元4-1构成。除此以外，通信组件2-i还具有另一个用于连接到多处理器网关1的系统总线5-2上的接口2b，所述系统总线5-2的总线主机由处理器4-2的主CPU构成。将通信组件的通信协议单元2c连接到外部串行数据总线3-i上。通信协议单元2c执行被外部地通过串行数据总线3-i传输的数据包DP和分别由一个或多个数据字DW组成的内部消息MSG之间的转换。

此外，通信组件2还包含消息中继传输单元或消息处理器2d，以通过内部数据线2a对至少一个内部的消息存储器或消息RAM2e和通信协议单元2c以及各种缓冲存储器2f，2g之间的消息进行中继传输。缓冲存储器2f，2g的存储容量例如相当于所传输的消息的数据规模，也就是预定的数据字DW的数量。

通信组件2-i具有多个分别连接到网关1的附属系统总线5-i上的接口单元2a，2b。同时每个接口单元2a，2b与至少一个可暂存至少一个消息的附属缓冲存储器2f，2g连接。

数据字DW通过各种系统总线5-1，5-2及其附属的接口单元2a，2b传出和传入接口单元的缓冲存储器2f，2g，这在通信组件2-i上可以同时且没有等待时间地实现。

数据传送的仲裁，也就是数据被传送到缓冲存储器2f，2g和消息缓冲存储器2e或消息RAM的仲裁，由消息中继传输单元2d执行。在消息RAM2e中例如可存放128个消息MSG。消息中继传输单元2d，在通信组件2的实施形式中将对经过系统总线5-i逐字地传输到系统总线的系统总线主机4-i上的消息MSG的接收，用信号传递。在备选的实施形式中，在系统总线主机4-i询问信息之后，消息中继传输单元2d通过信号向系统总线主机4-i确认接收到所传输的消息。使总线主机4-i通过系统总线5-i的数据总线以及附属的接口将数据写入通信组件2的缓冲存储器，相对快速地执行，也就是说，总线主机4-i不必等侯数据访问。正如从图4中可辨别的那样，按照本发明的通信组件2-i的仲裁不是在时间紧迫的系统一方，即在系统总线5一方进行，而是在时间不紧迫的外设一方，也就是在外部串行数据总线3一方由消息中继传输单元2d执行。因此与传统的通信组件比较，在按照本发明的通信组件2上，等待时间在一定程度上从系统一方转移到了外设一方。在图4所示的实施形式中，除了制造商和应用程序特有的接口2b，还安置了网关接口2a。该网关接口2a为与处理器4-2的主CPU并行工作的网关单元4-1提供了访问消息数据对象或消息对象的可能性。网关单元4-1例如由协处理器构成。网关单元4-1访问对于网关功能或通信组件之间的数据传输必需的所有功能/寄存器和消息对象。CPU和网关单元4-1之间数据交流的仲裁，由通信组件2的消息处理器或消息中继传输单元2d执行。

在按照本发明的通信组件的实施形式中，为了将通过串行总线3所作的发送准备信号化，暂存在缓冲存储器中并且被消息中继传输单元2d中继传输到消息存储器2e的被系统总线5接收的消息具有至少一个特征位。

在通过多处理器网关1接收来自串行现场总线3的消息数据包DP时，采取下列步骤。

首先由通信协议单元2c接收数据包DP，并且由通信协议单元2c去除用于传输安全性的冗余数据。剩下的数据构成消息MSG。通信协议单元2c用信号告知消息中继传输单元2d接收到消息。消息中继传输单元2d或消息处理器2d执行所希望的数据传输请求的仲裁。为此也对消息处理器一方的其它数据传输进行其他的问询。在可能的实施形式中，根据预定的优先级由消息处理器2d作出裁决，哪个数据传输被作为下一个实施。接着将全部消息MSG以数据字方式或者完整地从通信协议单元2c传送到消息RAM2e。此外主机单元或CPU的消息处理器或者消息中继传输单元2d例如通过内部的中断信号，用信号表示接收到消息。在下一步，主机单元或CPU用要求消息或请求要求接收到的消息。消息处理器2d检查CPU的要求并且对数据传输进行仲裁。接着将消息以数据字方式完全地从消息RAM2e传送到询问的主机单元4的接口寄存器或缓冲存储器2f，2g。如果例如作为系统总线5-1的主机单元的网关单元4-1询问消息，则将数据从消息RAM2e传送到网关接口2a的缓冲存储器2f。如果作为系统总线5-2主机单元的处理器4-2的主CPU询问消息，则将消息从消息RAM2e经过消息中继传输单元2d传送到用户接口2b的缓冲存储器2g。在到缓冲存储器的内部数据传送结束之后，紧接着使消息通过与主机单元4连接的系统总线5的主机单元4，逐字地经由相应系统总线5的数据总线读出。

接下来说明由多个数据字DW组成的消息MSG如何从主机单元4发送到串行总线3-i。

主机单元4，例如处理器4-2的主CPU，逐字地将数据通过相应系统总线5-i的数据总线和对应的接口写入通信组件2的缓冲存储器。此外，消息中继传输单元3d被以信号通知存在将消息写入消息RAM2e的任务。这种信号通知例如可以通过对标志置位来实现。接着由消息处理器2d进行内部数据传送的仲裁，同时检查在同一时间是否存在有关其他数据传送的其他询问。一旦数据传送可以进行，暂存在缓冲存储器中的消息被逐字地或者完全地从内部接口寄存器或缓冲存储器传送到消息存储器或消息RAM。将存放在消息RAM2e中的消息，例如通过对相应的指示标志置位，相应地为消息处理器2d作上标记。在另一个步骤中将沿外部串行总线传输到消息处理器2d的信息，逐字地或完全地在一步中传送到通信协议单元2c。通信协议单元2c引导转换成外部所使用的数据传输协议的数据格式。数据被打包成数据包DP，所述数据包DP一方面包含标题数据或管理数据，另一方面也包含有效或有效载荷数据。此外通信协议单元2c增加了冗余数据作为传输保护。在另一个步骤中将这样构成的数据包DP从通信协议单元2c经过外部串行数据总线3发送。在外部串行数据总线3上连接了例如执行元件或传感器。外部串行数据总线3例如可以是CAN总线(Controller AreaNetwork)，FlexRay总线，MOST总线或LIN总线。在备选的实施形式中，串行总线3由以太网总线构成。

图5示出允许将按照图1的传统通信组件CC连接到如在图3中示出的按照本发明的多处理器网关1中的中继传输电路或适配电路6。适配电路包含网关接口6a和用户接口6b。两个接口6a，6b分别具有附属的缓冲存储器6f，6g。数据传送的仲裁，由实施用于传输数据的相应设置优先级的仲裁FSM(Finite State Machine，有限状态机)6h实施。适配电路6此外还包含与在图1中示出的按照现有技术的传统通信组件CC的通用接口相当的通用接口6i。适配电路6使在图4中示出的按照本发明的通信组件2，能够与在图1中示出的按照现有技术的传统通信组件一起兼容使用。

按照本发明的通信组件2允许两个控制模块或主机单元4同时访问存放或暂存在通信组件2的分开的缓冲存储器中的数据。因此在同时进行数据访问时，提高了按照本发明的通信组件2的数据传输的带宽。在进行数据访问时，不会由于消息中继传输单元2d进行仲裁而产生等待周期。

Claims (11)

1.一种通信组件，用于将以数据包方式传输数据的串行总线(3)连接到网关(1)的多个逐字地传输数据的系统总线(5)上，其中通信组件(2)具有：

(a)连接到串行总线(3)上的通信协议单元(2c)，用于在分别由多个数据字(DW)组成的数据包(DP)和消息(MSG)之间进行转换；

(b)消息中继传输单元(2d)，用于在至少一个消息存储器(2e)和通信协议单元(2c)以及缓冲存储器(2f，2g)之间中继传输消息(MSG)；

(c)多个分别连接到网关(1)的所述系统总线之一(5-1，5-2)上的接口单元(2a，2b)，其中每个接口单元(2a，2b)与至少一个暂存信息(MSG)的所述缓冲存储器(2f，2g)连接；

(d)其中数据字(DW)通过该网关(1)的所述多个系统总线(5-1，5-2)及其附属的接口单元(2a，2b)传出和传入接口单元(2a，2b)的缓冲存储器(2f，2g)；

(e)其中每个系统总线(5-1，5-2)都具有附属的系统总线主机(4-1，4-2)。

2.如权利要求1所述的通信组件，其中串行总线(3)是现场总线。

3.如权利要求2所述的通信组件，其中现场总线是CAN(Controller Area Network)总线。

4.如权利要求2所述的通信组件，其中现场总线是FlexRay总线。

5.如权利要求2所述的通信组件，其中现场总线是MOST总线。

6.如权利要求2所述的通信组件，其中现场总线是LIN总线。

7.如权利要求1所述的通信组件，其中串行总线(3)是以太网总线。

8.如权利要求1所述的通信组件，其中消息中继传输单元(2d)将对经过系统总线(5-1，5-2)逐字地传输到系统总线的系统总线主机(4-1，4-2)上的信息(MSG)的接收，用信号表示。

9.如权利要求1所述的通信组件，其中消息中继传输单元在系统总线主机(4-1，4-2)询问信息后，通过信号向系统总线主机(4-1，4-2)确认接收到传输的消息(MSG)。

10.如权利要求1所述的通信组件，其中为了用信号传递通过串行总线(3)所作的发送准备，暂存在缓冲存储器(2f，2g)中并且被消息中继传输单元(2d)中继传输到消息存储器(2e)上的被系统总线(5-1，5-2)接收的消息具有至少一个特征位。

11.一种用于在以数据包方式传输数据的串行总线和网关的多个逐字地传输数据的系统总线之间双向传输数据的方法，其中每个系统总线(5-1，5-2)都具有附属的系统总线主机(4-1，4-2)，具有以下步骤：

(a)将通过串行总线(3)传输的数据包(DP)，转换为具有多个数据字(DW)的消息；

(b)将信息暂存到缓冲存储器(2f，2g)中；并且

(c)将数据字(DW)通过所述多个系统总线(5-1，5-2)传出和传入缓冲存储器(2f，2g)。

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