CN107257311B - 一种基于虚拟链路的时间触发通信混合数据发送调度方法 - Google Patents

一种基于虚拟链路的时间触发通信混合数据发送调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟链路的时间触发通信混合数据发送调度方法，本发明的时槽计算和时隙计时器模块，使用并行的计时和计算结构，实现多路TT通信虚链路的发送时槽信号的计算产生和时隙计时器的工作，使得仅用两组信号即可实时监测物理链路上的数据负载状态；本发明中发送调度控制模块在不影响TT数据帧发送的同时，通过ET帧的索引比较，更有效的将ET数据帧填充到物理链路上，提高带宽利用率；本发明具有时间触发通信虚链路配置表和事件触发通信虚链路配置表，能够使得在TT数据帧和ET数据帧的发送过程中索引方式简单、数据缓存访问效率高。

Description

一种基于虚拟链路的时间触发通信混合数据发送调度方法
技术领域
本发明属于多种通信协议发送端口对于时间触发混合通信的调度领域，具体涉及一种基于虚拟链路的时间触发通信混合数据发送调度方法。
背景技术
随着通信技术的迅速进步，以太网技术在工业控制领域、航空航天领域的应用有了实质性的进展。多数的应用方式都是在IEEE802.3标准以太网的基础上进行适应性改造，使以太网技术能够适应工业控制、航空航天等安全关键性环境的应用需求。时间触发以太网(Time Triggered Ethernet，TTE)就是在IEEE802.3标准以太网通信协议的基础上增加了分布式网络时钟同步、时间触发通信、事件触发通信和可靠性保证等技术形成的。
时间触发以太网通信与CAN、1553B、FlexRay总线等传统的总线式通信架构不同，它是基于分布式交换式互联通信架构。通信网络中存在多条独立的物理传输链路，且TTE工作在千兆全双工以太网模式下，每条物理链路都是双向独立通信，这些特性都大大增加了TTE通信调度和带宽使用的复杂度。
对于TTE通信网络中的一个端节点来说，在进行数据发送时，保证其时间触发通信流量从源节点传输至目的节点的过程中不与其他节点的时间触发流量发生冲突的情况下，理论上时间触发数据流量带宽和事件触发数据流量带宽之和可接近千兆位每秒。现有的时间触发通信混合数据调度一般采用三种方式：(1)时槽锁定，在时间触发消息发送时间窗口到来前一段时间就锁定物理链路，不发送事件触发数据，从而实现时间触发(TT)数据的按时发送。(2)事件触发(ET)数据截断，当TT数据发送时间窗口到来并且正在有低优先级ET数据占用链路时，终止ET数据发送，并切换到TT数据的发送。(3)TT消息延后，即当TT数据发送时间窗口到来并且正在有低优先级ET数据占用链路时，发送完与TT冲突的ET数据后再发送TT数据。其中，方法(1)对带宽的利用率不高；方法(2)会因为网络中出现残缺的ET消息，需要增加其他机制来保证通信的可靠性从而增加设计复杂度、降低网络通信可靠性；方法(3)会降低TT通信的实时性。
对于时间触发通信混合数据的发送，需要一种可靠灵活的发送调度机制，在保证TT通信实时性的同时，提高物理链路的带宽利用率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于虚拟链路的时间触发通信混合数据发送调度方法，能够达到时间触发以太网通信高带宽、强实时性应用需求。
为了达到上述目的，本发明包括时间触发通信虚链路配置表、事件触发通信虚链路配置表、时槽计算和时隙计时器模块、发送缓存和发送至发送调度控制模块，时间触发通信虚链路配置表中每条TT虚链路的使能信号和通信时槽的时间信息发送至时槽计算和时隙计时器模块，时间触发通信虚链路配置表将TT虚链路配置表与发送调度模块的内部互联信号发送至发送调度控制模块，事件触发通信虚链路配置表将事件触发通信虚链路数据信息传送至发送调度控制模块，时槽计算和时隙计时器模块将控制信号连接至发送调度控制模块；
所述时间触发通信虚链路配置表包含端节点所有的时间触发通信虚链路的配置信息，每条TT虚链路的配置信息包括虚链路ID、发送周期、集群周期中的发送时刻点、最大帧长度、虚链路对应数据缓存指针、待发送的数据缓存指针有效标识和待发送的数据帧大小；
所述事件触发通信虚链路配置表包含端节点所有的事件触发通信虚链路的配置信息，每条ET虚链路的配置信息包括虚链路ID、最大帧长度、发送数据缓存指针、待发送的数据缓存指针有效标识和待发送的数据帧大小；
所述时槽计算和时隙计时器模块用于将一个集群周期内所有的TT虚链路的发送时间窗口全部计算出来并产生相应的标识信号，TT虚链路发送时槽标识信号用于控制对应某条虚链路的TT数据发送；用于计算物理链路上当前可用的空闲时间，链路空闲时间用来控制事件触发通信虚链路的数据发送；
所述发送调度控制模块用于完成TT数据帧的发送控制和ET数据帧的发送控制以及两种数据帧的仲裁。
所述时槽计算和时隙计时器模块包括若干TT虚链路的使能信号的时槽时间点更新器，每个时槽时间点更新器均连接对应的时槽信号产生器，时槽时间点更新器和时槽信号产生器均接收同步时钟信号，所有时槽时间点更新器均连接时隙计时器产生模块，时隙计时器产生模块发送出计时值，时槽信号产生器发送出时槽有效信号。
所述时隙计时器产生模块用于产生物理链路上TT发送时槽以外的链路空闲的时间，当链路上没有TT虚链路的时槽信号有效，并且距离下一个时槽大于等于一个最大以太网帧时长12288ns时(千兆网速率下)，时隙计时器为1536；当距离下一个TT时槽小于最大以太网帧时长时，计时器等于时长/8ns，该计时器会从当前值递减1至0；当TT时槽有效时，时隙计时器计数值为0。
所述时槽时间点更新器用于计算出某一条虚链路下一个发送时槽的时间点，并将计算出的时间值传递至时槽信号产生器。
所述时槽信号产生器用于将当前的全局同步时间与时槽时间点进行比较，当全局同步时钟的时间与时槽时间点更新器传递来的发送时槽时刻点相等时，设置时槽信号有效直到时槽结束。
所述调度控制模块包括接收TT虚链路配置表与发送调度模块的内部互联信号和时槽有效信号的TT数据帧发送判断模块，以及接收ET虚链路配置表与发送调度模块的内部互联信号和时隙计时器的计时值的ET数据帧发送判断模块，ET数据帧发送判断模块和TT数据帧发送判断模块将发送数据控制信息发送至缓存访问及数据发送模块，缓存访问及数据发送模块还连接发送数据缓存访问接口，并依据发送数据控制信息将发送数据通过数据发送接口发送。
其特征在于，所述ET数据帧发送判断模块用于将有效数据的虚链路的帧长度与当前的时隙计时器数值进行比较，将当前节点的有效的M条ET虚链路进行遍历判断，当其中有数据帧长度小于时隙计时器数值时，则将缓存指针及帧长度传递至缓存访问及数据发送模块并给出一个发送触发信号。
其特征在于，所述TT数据帧发送判断模块的输入信号有N个时槽有效标识信号，当第n个时槽信号有效时，判断第n条虚链路的发送数据标识是否有效，当数据缓存标识有效时，将缓存指针及帧长度传递至缓存访问及数据发送模块并给出一个发送触发信号。
所述缓存访问及数据发送模块在接收到ET数据帧发送判断模块和TT数据帧发送判断模块的发送触发信号时，从对应的缓存指针指向的发送缓存地址读取帧长度对应的数据并控制后续模块将数据帧发送出去。
与现有技术相比，本发明的时槽计算和时隙计时器模块，使用并行的计时和计算结构，实现多路TT通信虚链路的发送时槽信号的计算产生和时隙计时器的工作，使得仅用两组信号即可实时监测物理链路上的数据负载状态；本发明中发送调度控制模块在不影响TT数据帧发送的同时，通过ET帧的索引比较，更有效的将ET数据帧填充到物理链路上，提高带宽利用率；本发明具有时间触发通信虚链路配置表和事件触发通信虚链路配置表，能够使得在TT数据帧和ET数据帧的发送过程中索引方式简单、数据缓存访问效率高。
附图说明
图1为本发明的功能结构框图；
图2为本发明中时槽计算和时隙计时器模块功能结构框图；
图3为本发明中发送调度模块功能结构框图；
其中，1、时间触发通信虚链路配置表；2、事件触发通信虚链路配置表；3、时槽计算和时隙计时器模块；4、发送缓存；5、发送调度控制模块；6、为配置接口和数据访问接口；7、TT虚链路配置表与发送调度模块的内部互联信号；8、ET虚链路配置表与发送调度模块的内部互联信号；9、发送数据缓存访问接口；10、TT虚链路的使能信号；11、同步时钟信号；12、时隙计时值；13、时槽有效信号；14、数据发送接口；15、时隙计时器产生模块；16、时槽时间点更新器；17、时槽信号产生器；18、ET数据帧发送判断模块；19、TT数据帧发送判断模块；20、缓存访问及数据发送模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括时间触发通信虚链路配置表1、事件触发通信虚链路配置表2、时槽计算和时隙计时器模块3、发送缓存4和发送调度控制模块5，时间触发通信虚链路配置表1中每条TT虚链路的使能信号10和通信时槽的时间信息发送至时槽计算和时隙计时器模块3，时间触发通信虚链路配置表1将TT(Time Triggered，TT)的TT虚链路配置表与发送调度模块的内部互联信号7发送至发送调度控制模块5，事件触发通信虚链路配置表2将事件触发通信虚链路数据信息传送至发送调度控制模块5，时槽计算和时隙计时器模块3将时槽信息和链路空闲时间发送至发送调度控制模块5；
时间触发通信虚链路配置表1包含端节点所有的TT通信虚链路的配置信息，每条TT虚链路的配置信息包括虚链路ID、发送周期、集群周期中的发送时刻点、最大帧长度、虚链路对应数据缓存指针、待发送的数据缓存指针有效标识和待发送的数据帧大小；通过以上虚链路配置信息就能确定一个TT虚链路在分布式通信网络中的路由路径，以及在物理链路上所有的发送时槽的位置和大小，并且能够根据数据缓存指针索引到待发送的虚链路数据。
事件触发通信虚链路配置表2包含端节点所有的事件触发通信虚链路的配置信息，每条ET虚链路的配置信息包括虚链路ID、最大帧长度、发送数据缓存指针、待发送的数据缓存指针有效标识和待发送的数据帧大小；通过以上虚链路配置信息能够确定一个ET虚链路在分布式通信网络中的路由路径，并且能够根据数据缓存指针索引到待发送的虚链路数据。
时槽计算和时隙计时器模块3用于将一个集群周期内所有的TT虚链路的发送时间窗口全部计算出来并产生相应的标识信号，TT虚链路发送时槽标识信号用于控制对应某条虚链路的TT数据发送；发送时隙计算是在没有TT时槽有效的情况下，当前物理链路剩余的可用于ET(Event Triggered，ET)数据发送时间，其单位为字节，当前时刻距离下一个TT时间槽大于一个最大以太网帧时长时(千兆以太网速率下)，时隙值为0x600，即当前可以发送一个小于等于0x600长度的ET以太网帧；当前时刻距离下一个TT时间槽小于等于一个最大以太网帧时长时，时隙值则随着同步时钟递减直到0，递减至0时TT发送时槽开始。
发送调度控制模块5用于完成TT数据帧的发送控制和ET数据帧的发送控制以及两种数据帧的仲裁。端点和节点上电后随着整个TTE网络进入时钟同步状态后，通过发送时槽和时隙计算模块给出的发送时槽标识信号和时隙值，索引出相应TT虚链路配置表和ET虚链路配置表中指向的发送缓存的缓存状态标识，判断是否有待发送的已经准备好。对于TT发送时槽，如果对应的缓存中有数据帧准备好的话，则将数据帧发送出去；对应的缓存中没有准备好的发送数据，则判断是否有ET数据准备好，且数据帧长度小于当前的时隙值，即开始发送ET数据。对于非TT时槽的时段，直接对ET缓存中的数据帧状态及数据帧长度进行判断，将符合发送条件的ET数据帧发送出去。
参见图2，时槽计算和时隙计时器模块3包括若干接收使能信号10的时槽时间点更新器16，每个时槽时间点更新器16均连接对应的时槽信号产生器17，时槽时间点更新器16和时槽信号产生器17均接收同步时钟信号11，所有时槽时间点更新器16均连接时隙计时器产生模块15，隙计时器产生模块15发送出计时值12，时槽信号产生器17发送出时槽有效信号。时隙计时器产生模块15用于产生物理链路上TT发送时槽以外的链路空闲的时间，当链路上没有TT虚链路的时槽信号有效，并且距离下一个时槽大于等于一个最大以太网帧时长12288ns(即1000Mbps速率下，1536个字节的发送时间)时，时隙计时器为1536；当距离下一个TT时槽小于最大以太网帧时长时，计时器等于时长8ns，该计时器会从当前值递减1至0；当TT时槽有效时，时隙计时器计数值为0。时槽时间点更新器16，时刻点更新器能够计算出某一条虚链路下一个发送时槽的时间点，并将计算出的时间值传递至时槽信号产生器17；时槽信号产生器17，将当前的全局同步时间与时槽的时间点进行比较，当全局同步时钟的时间与时槽时间点更新器16传递来的发送时槽时刻点相等时，置时槽信号有效直到时槽结束。时槽时间点更新器16和时槽信号产生器17对应一条虚链路，有N条TT虚链路时，则需要N个时槽时间点更新器16和时槽信号产生器17。
参见图3，调度控制模块5包括接收TT虚链路配置表与发送调度模块的内部互联信号7和时槽有效信号13的TT数据帧发送判断模块19，以及接收ET虚链路配置表与发送调度模块的内部互联信号8和时隙计时器的计时值12的ET数据帧发送判断模块18，ET数据帧发送判断模块18和TT数据帧发送判断模块19将发送数据控制信息传递至缓存访问及数据发送模块20，缓存访问及数据发送模块20还接收发送数据缓存访问接口9，并依据发送数据控制信息将发送数据通过数据发送接口14发送。ET数据帧发送判断模块18的输入有：当前的时隙计时器数值、ET通信虚链路的数据有效标识信号，对应的数据帧长度、对应的数据帧的缓存指针，该模块将所有包含有效数据的虚链路的帧长度与当前的时隙计时器数值进行比较，当前节点的M(假定当前端节点包含M条事件触发通信虚链路)条ET虚链路进行遍历判断，当其中有数据帧长度小于时隙计时器数值时，则将缓存指针及帧长度传递至缓存访问及数据发送模块20并给出一个发送触发信号。TT数据帧发送判断模块19的输入信号有N个时槽有效标识信号，当第n个时槽信号有效时，判断第n条虚链路的发送数据标识是否有效，当数据缓存标识有效时，将缓存指针及帧长度传递至缓存访问及数据发送模块20并给出一个发送触发信号。缓存访问及数据发送模块20在接收到ET数据帧发送判断模块18和TT数据帧发送判断模块19的发送触发信号时，从对应的缓存指针指向的发送缓存地址读取帧长度对应的数据并控制后续模块将数据帧发送出去。
根据上述的功能结构，用Verilog HDL语言对控制器的逻辑设计进行描述，并应用到TTE端系统控制器中，并对控制器的功能进行测试。测试结果表明本发明具有很好的可实施性，且性能满足预期。

Claims (8)

1.一种基于虚拟链路的时间触发通信混合数据发送调度系统，其特征在于，包括时间触发通信虚链路配置表(1)、事件触发通信虚链路配置表(2)、时槽计算和时隙计时器模块(3)、发送缓存(4)和发送调度控制模块(5)，时间触发通信虚链路配置表(1)中每条TT虚链路的使能信号(10)和通信时槽的时间信息发送至时槽计算和时隙计时器模块(3)，时间触发通信虚链路配置表(1)将TT虚链路配置表与发送调度模块的内部互联信号(7)发送至发送调度控制模块(5)，事件触发通信虚链路配置表(2)将ET通信虚链路数据信息传送至发送调度控制模块(5)，时槽计算和时隙计时器模块(3)将控制信号连接至发送调度控制模块(5)；
所述时间触发通信虚链路配置表(1)包含端节点所有时间触发通信虚链路的配置信息，每条TT虚链路的配置信息包括虚链路ID、发送周期、集群周期中的发送时刻点、最大帧长度、虚链路对应数据缓存指针、待发送的数据缓存指针有效标识和待发送的数据帧大小；
所述事件触发通信虚链路配置表(2)包含端节点所有的事件触发通信虚链路的配置信息，每条ET虚链路的配置信息包括虚链路ID、最大帧长度、发送数据缓存指针、待发送的数据缓存指针有效标识和待发送的数据帧大小；
所述时槽计算和时隙计时器模块(3)用于将一个集群周期内所有的TT虚链路的发送时间窗口全部计算出来并产生相应的标识信号，TT虚链路发送时槽标识信号用于控制对应的某条虚链路的TT数据发送；用于计算物理链路上当前可用的空闲时间，链路空闲时间用来控制事件触发通信虚链路的数据发送；
所述发送调度控制模块(5)用于完成TT数据帧的发送控制和ET数据帧的发送控制以及两种数据帧的仲裁；
所述发送调度控制模块(5)包括接收TT虚链路配置表与发送调度模块的内部互联信号(7)和时槽有效信号(13)的TT数据帧发送判断模块(19)，以及接收ET虚链路配置表与发送调度模块的内部互联信号(8)和时隙计时器的计时值(12)的ET数据帧发送判断模块(18)，ET数据帧发送判断模块(18)和TT数据帧发送判断模块(19)将发送数据控制信息发送至缓存访问及数据发送模块(20)，缓存访问及数据发送模块(20)还连接发送数据缓存访问接口(9)，并依据发送数据控制信息将发送数据通过数据发送接口(14)发送。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟链路的时间触发通信混合数据发送调度系统，其特征在于，所述时槽计算和时隙计时器模块(3)包括若干接收TT虚链路的使能信号(10)的时槽时间点更新器(16)，每个时槽时间点更新器(16)均连接对应的时槽信号产生器(17)，时槽时间点更新器(16)和时槽信号产生器(17)均接收同步时钟信号(11)，所有时槽时间点更新器(16)均连接时隙计时器产生模块(15)，时隙计时器产生模块(15)发送出计时值(12)，时槽信号产生器(17)发送出时槽有效信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟链路的时间触发通信混合数据发送调度系统，其特征在于，所述时隙计时器产生模块(15)用于产生物理链路上TT发送时槽以外的链路空闲的时间，当链路上没有TT虚链路的时槽信号有效，并且距离下一个时槽大于等于一个最大以太网帧时长12288ns时，时隙计时器为1536个字节；当距离下一个TT时槽小于最大以太网帧时长时，计时器等于8ns时长，该计时器会从当前值递减1至0；当TT时槽有效时，时隙计时器计数值为0。
4.根据权利要求2所述的一种基于虚拟链路的时间触发通信混合数据发送调度系统，其特征在于，所述时槽时间点更新器(16)用于计算出某一条虚链路下一个发送时槽的时间点，并将计算出的时间值传递至时槽信号产生器(17)。
5.根据权利要求2所述的一种基于虚拟链路的时间触发通信混合数据发送调度系统，其特征在于，所述时槽信号产生器(17)用于将当前的全局同步时间与发送时槽时间点进行比较，当全局同步时钟的时间与时槽时间点更新器(16)传递来的发送时槽时刻点相等时，设置时槽信号有效直到时槽结束。
6.根据权利要求1所述的一种基于虚拟链路的时间触发通信混合数据发送调度系统，其特征在于，所述ET数据帧发送判断模块(18)用于将有效数据的虚链路的帧长度与当前的时隙计时器数值进行比较，将当前节点的有效的M条ET虚链路进行遍历判断，当其中有数据帧长度小于时隙计时器数值时，则将缓存指针及帧长度传递至缓存访问及数据发送模块(20)并给出一个发送触发信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于虚拟链路的时间触发通信混合数据发送调度系统，其特征在于，所述TT数据帧发送判断模块(19)的输入信号有N个时槽有效标识信号，当第n个时槽信号有效时，判断第n条虚链路的发送数据标识是否有效，当数据标识有效时，将缓存指针及帧长度传递至缓存访问及数据发送模块(20)并给出一个发送触发信号。
8.根据权利要求1所述的一种基于虚拟链路的时间触发通信混合数据发送调度系统，其特征在于，所述缓存访问及数据发送模块(20)在接收到ET数据帧发送判断模块(18)和TT数据帧发送判断模块(19)的发送触发信号时，从对应的缓存指针指向的发送缓存地址读取帧长度对应的数据并控制后续模块将数据帧发送出去。
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