CN107920035A - 被设计用于确定性交换式以太网的处理器 - Google Patents

Abstract

一种被设计用于确定性交换式以太网的处理器。多核处理器(10)，旨在借助于通信端口使用与设备项目(12，13，14，15)连接的虚拟链路连接至确定性交换式以太网(11)，所述处理器(10)包括多个集群，每个集群包括多个核，其特征在于，所述处理器(10)的至少一个集群实现交换机功能，所述交换机功能使得可以在所述网络(11)中互连所述设备项目，所述处理器的至少一个集群实现端系统功能，所述端系统功能提供在所述网络中发送和接收数据的功能，并且所述处理器(10)的至少一个集群实现应用。

Description

被设计用于确定性交换式以太网的处理器

技术领域

本发明涉及旨在用于确定性交换式以太网中的多核处理器，并且涉及包括所述处理器的确定性交换式以太网。

背景技术

本发明涉及通信网络领域，并且更具体地，涉及飞行器上的通信网络。

飞行器通常具有提供用于使能机载设备项目(特别是机载计算机，如LRU(‘线路可更换单元’，针对一个功能的可更换单元)或LRM(‘线路可更换模块’，通用可更换单元))之间的通信的一个或多个机载通信网络。为了满足在飞行器认证方面的监管要求，机载通信网络必须是确定性的。如果通信网络使能在小于预定持续时间的传输持续时间(即，等待时间)内连接至此网络的设备项目之间传输信息以及保证在传输期间将不会丢失信息，则所述通信网络是确定性的。标准ARINC 664部分7基于全双工以太网技术定义了确定性机载通信网络。这种网络可以与例如通信网络相对应。

根据标准ARINC 664部分7的网络包括使得可以互连设备项目的至少一个交换机以及提供在网络中发送和接收数据功能的端系统。网络的设备项目之间的每个通信使用当网络被配置时预定义的虚拟链路。虚拟链路经由网络的一个或多个交换机在发送设备项目与一个或多个接收设备项目之间定义。设备项目之间的所有通信通过定义虚拟链路预先定义，以便使得能够配置交换机。每个交换机包括根据通过此交换机的虚拟链路预定义的配置表。

交换机通常包括大量通信端口，如以太网端口，例如，一些交换机的24个端口。现在，交换机的通信端口的数量越多，易于通过此交换机的虚拟链路的数量就越多，并且配置表更复杂且大小更大。给出这种交换机的复杂度，以便遵守特别在等待时间方面的要求，此交换机通常借助于特定电子器件实现。这同样适用于端系统。

现代飞行器可以包括实现交换机或端系统的大量特定装置。这导致将有益于减少以便提高飞行器的性能的质量、体积和电消耗。

替代解决方案存在使用处理器和通用以太网控制器。然而，这些解决方案不使能够获得足够速率。

期望缓解现有技术的这些缺点。特别期望提出一种系统，所述系统使得可以降低成本以及使用虚拟链路的确定性交换式以太网的重量，同时获得足够速率。另外，期望定义一种系统，所述系统被设计用于托管应用、端系统以及单个设备项目中的至少一个交换机。

发明内容

根据本发明的一方面，本发明涉及一种多核处理器类型装置，所述装置旨在借助于通信端口使用与设备项目连接的虚拟链路连接至确定性交换式以太网，所述处理器包括多个集群，每个集群包括多个核，其特征在于，所述处理器的至少一个集群实现交换机功能，所述交换机功能使得可以在所述网络中互连所述设备项目，所述处理器的至少一个集群实现端系统功能，所述端系统功能提供在所述网络中发送和接收数据的功能，并且所述处理器的至少一个集群实现应用。

以此方式，同一个处理器实现至少一个交换机功能、至少一个端系统功能以及至少一个应用，因此显著减小与实现这些功能和应用有关的重量、体积和成本。

根据一个实施例，实现交换机功能的每个集群是所述处理器的能够实现应用的应用集群，将实现交换机功能的每个集群的至少一个第一核分配给对在所述处理器的通信端口上接收的帧进行路由的功能，所述路由功能包括分析每个接收到的帧并且使用预定义的静态路由表以便为每个接收到的帧确定所述处理器的必须在其上发送每个帧的通信端口，并且将实现交换机功能的所述集群的第二核分配给在所述确定的通信端口上发送每个接收到的帧的功能。

根据一个实施例，每个第一核借助于先入先出型存储器队列提供待发送至所述第二核的每个接收到的帧。

根据一个实施例，实现端系统功能的每个集群包括接收部分，所述接收部分由所述处理器的专用于与所述处理器外部的资源通信的输入/输出集群来实现，在接收实现端系统功能的接收部分的所述集群的内部存储器中的帧之后，所述集群的第一、第二和第三核实现所述端系统的所述接收部分。

根据一个实施例，所述第一核分析所述帧的头部并在预定义的配置表中执行搜索，以便确定所述处理器外部的将用于存储所述帧的存储器中的缓冲存储器区域的地址，所述第二核提供在所述集群的所述内部存储器与所述外部存储器之间传递所述帧的功能。

根据一个实施例，所述第三核实现使能所述处理器的应用集群的请求服务，所述应用集群实现用于借助于实现所述端系统功能的所述接收部分的所述集群来访问所述外部存储器的应用，以便在所述应用需要数据的时刻从所述存储器中恢复所述数据。

根据一个实施例，实现端系统功能的每个集群包括发送部分，所述发送部分使用存储在所述处理器的专用于与所述处理器外部的资源通信的输入/输出集群的内部存储器中的共享日程表，所述日程表包括一系列时间周期，每个时间周期能够与必须在所述时间周期期间在其上发送帧的一个或多个虚拟链路相关联，所述日程表被由所述处理器的应用集群实现的应用填充，并由实现所述端系统功能的所述发送部分的集群的核读取，所述核负责当所述日程表在当前时刻指示必须执行帧发送时执行的每个帧发送。

根据本发明的第二方面，本发明涉及一种确定性交换式以太网类型系统，所述系统使用与设备项目连接的虚拟链路，所述系统包括根据第一方面所述的装置。

根据本发明的第三方面，本发明涉及一种包括根据第二方面的系统的运载工具。

根据一个实施例，所述运载工具是飞行器。

附图说明

在阅读以下对示例性实施例的描述之后，将更加清楚地显现本发明的上述特征和其他特征，所述描述参照附图给出，在附图中：

-图1示意性地展示了在其中实现本发明的运载工具的示例；

-图2示意性地展示了众核处理器的示例；

-图3示意性地展示了集群的示例；

-图4A示意性地展示了当帧由端功能接收时众核处理器实现的机制；

-图4B示意性地展示了帧到应用集群的传递；

-图5A示意性地展示了当应用集群发送帧时由实现应用的所述应用集群的应用核实现的方法；

-图5B示意性地展示了当应用集群发送帧时由输入/输出集群的输入/输出核实现的方法；并且，

-图6示意性地展示了当应用集群实现交换机功能时由众核处理器实现的机制。

具体实施方式

以下详细说明集中于描述本发明的在包括使用根据标准ARINC 664部分7的虚拟链路的确定性交换式以太网的飞行器的情况下的实施例。然而，本发明的原理适用于广泛的环境，并且可以适用于包括这种网络的其他类型的运载工具，如船、无人机、机动车。此外，本发明适用于使用虚拟链路的所有类型的确定性以太网，这些网络不必根据标准ARINC664部分7。本发明还可以在除了运载工具之外的环境中、在包括使用虚拟链路的确定性交换式以太网的任何装置或电器上实现。

图1示意性地展示了在其中实现本发明的运载工具的示例。所述运载工具是飞行器2。此飞行器2包括处理单元1，所述处理单元包括处理器10。处理器10是多核处理器。如下文中所描述的，处理器10实现各种功能，包括应用、端系统功能和至少一个交换机功能。此处理器根据标准ARINC 664部分7使用虚拟链路11连接至确定性交换式以太网。机载设备项目12、13、14和15自身也链接至所述以太网。

在两种类型的多核处理器之间进行区别：被称作众核处理器的那些处理器以及多核处理器。众核处理器与多核处理器的同一处理器中的核数不同。因此，多核处理器中的核数的数量级大约为10个核，而众核处理器可以包含大约成百或者甚至上千个核。因此，众核处理器和多核处理器具有适应于核数的不同架构。

通常，众核处理器被组织成集群，所述集群将共享集群的本地资源的多个核分组在一起。众核处理器的集群能够通过使用处理器的内部网络(被称为芯片上网络(NoC))与彼此并且与集群的外部资源通信。芯片上网络NoC可以例如是网状网络。

一些众核处理器拓扑结构包括两种类型的集群：专用于执行应用的应用集群，以及专用于与处理器外部的资源通信的输入/输出集群。

以下详细描述集中于描述本发明的使用众核处理器的实施例。然而，本发明的原理适用于广泛环境，并且可以适用于多核处理器。

图2示意性地展示了众核处理器10的示例。

众核处理器10包括多个应用集群200至215(在此，‘16’个应用集群)以及多个输入/输出集群100至115(在此‘16’个输入/输出集群)。输入/输出集群中的至少一个集群被设计用于与外部存储器300(例如，DDR SDRAM(双倍数据速率同步动态随机存取存储器)类型)通信。(应用和/或输入/输出)集群之间的通信使用网状芯片上网络NoC。在此网状芯片上网络NoC中，每个应用集群链接至‘4’个其他(应用和/或输入/输出)集群，并且每个输入/输出集群链接至应用集群。每个输入/输出集群包括多个核，被称为输入/输出核。

众核处理器10包括包含以太网端口的多个外部通信端口(未示出)，所述多个外部通信端口是众核处理器10与使用虚拟链路11的确定性交换式以太网之间的物理接口。

图3示意性地展示了应用集群200的示例。

应用集群200包括‘16’个核(编号为2000至2015，被称为应用核)、共享内部存储器2016以及资源管理核2017。资源管理核2017具有使其可以配置应用集群200的各种资源并且具体地配置芯片上网络NoC的特权。假设众核处理器10的集群中的所有集群与应用集群200完全相同。

在处理器10中，至少一个输入/输出核执行主要过程，所述主要过程引起从属过程。每个从属过程由应用集群执行。当应用集群实现应用时，来自此集群的至少一个应用核负责执行所述应用。当应用被分解成多个并行任务(‘多线程’)时，可以在执行所述应用时并行涉及应用集群的多个应用核。应用核共享应用集群的在执行任务期间其所属于的内部存储器。

如以上提及的，众核处理器10实现至少一个交换机功能。每个交换机功能由应用集群实现。交换机功能由多个应用核以分布式方式实现。

交换机功能的一个目的是：在众核处理器10的以太网通信端口上接收根据标准ARINC 664部分7的帧(下文中简称为帧)，以便分析这些帧，并且将其返回到众核处理器10的在静态路由表中定义的以太网通信端口上。从连接至使用虚拟链路11的确定性交换式以太网的机载设备项目处接收帧，并且在连接至所述以太网11的另一个机载设备项目的方向上发送所述帧。

在根据标准ARINC 664部分7的网络中，存在来自不同机载设备项目或来自不同应用的数据流。这些机载设备项目或应用具有可以不同的临界等级(‘发展保证等级’(DAL))。期望防止具有低临界等级的机载设备项目或应用干扰来自具有高临界等级的另一个机载设备项目或另一个应用的数据。为了防止这种干扰，在以太网通信端口中的每个端口接收或发射的帧之间提供大的空间划分。为了实现这一点，给每个端口分配至少两个应用核。此外，为端口中的每个端口的数据分配不同的存储器空间。此外，为处理端口的数据的每个处理器分配特权。如果处理器尝试访问另一个端口的存储器区域，则将引起硬件异常。因此，保证数据的隔离。这种空间划分使得可以隔离可以在以太网通信端口上引起的问题，其方式为使得这些问题不影响其他以太网通信端口。

将实现交换机的至少一个第一应用核分配给帧路由功能。当在众核处理器10的以太网通信端口上接收帧时，第一应用核分析所述帧并且使用预定义的静态路由表，以便为每个帧确定必须在其上发送每个帧的以太网通信端口。

将实现交换机的应用集群的第二应用核分配给在确定的通信端口上发送所述接收到的帧的功能。

每个第一应用核借助于先入先出(FIFO)型存储器队列提供待发送至所述第二应用核的帧。更确切地说，每个第一核将表示待传输的每个帧的信息项寄存(即，将指针寄存在应用集群的内部存储器的存储有待传输的每个帧的区域上)在队列中。第二应用核验证队列中表示待发送的帧的信息项的存在，并且当表示待发送的帧的至少一个信息项存在时，以表示帧的信息被插入存储器队列的顺序发送待发送的每个相应帧。

在一个实施例中，当已经应用了将应用于所述帧的每个处理操作时，第二应用核监督应用集群的内部存储器中存储帧的存储器区域的释放。

在一个实施例中，当已经应用了将应用于所述帧的每个处理操作时，与每个第一应用核以及第二应用核不同的第三应用核监督存储帧的存储器区域的释放。

因此，据说，第三核(或第二核)提供‘垃圾收集器’功能。

在一个实施例中，众核处理器10的多个应用集群各自实现不同交换机功能。

图6示意性地展示了当应用集群实现交换机功能时由众核处理器10实现的机制。

在步骤600中，众核处理器10在以太网通信端口上接收帧。此以太网通信端口与连接至发送帧的机载设备项目的虚拟链路上的物理接口相对应。

在步骤601中，将帧传递至托管交换机功能的应用集群的内部存储器。这种传递由众核处理器10的直接存储器访问(DMA)控制器的静态配置并且通过使用芯片上网络NoC来确保。

在步骤602中，提供路由功能的第一核确定必须在其上发送帧的以太网通信端口，并且借助于旨在此目的的存储器队列使所述帧可用于提供发送功能的第二核。

在步骤603中，第二核配置处理器10的硬件机构，所述硬件机构确保将帧从应用集群的内部存储器传递至所确定的以太网端口。

在步骤604中，所述硬件机构在所确定的以太网通信端口上发送帧。此以太网通信端口与连接至接收帧的机载设备项目的虚拟链路上的物理接口相对应。然后，释放托管交换机功能的应用集群的内部存储器中存储帧的存储器区域。

此外，众核处理器10实现至少一个端系统功能。因此，在端系统的接收部分与发送部分之间进行区分是有必要的。

端系统的接收部分由输入/输出集群实现。就像应用集群一样，输入/输出集群具有在此输入/输出集群的核之间共享的内部存储器。此内部存储器不足以用于接收将由端系统功能处理的一系列帧。因此，在第一实例中，在通常被称为邮箱并位于众核处理器10外部的存储器中的缓冲存储器区域中接收每个帧。由输入/输出集群对端系统的实现通过以下事实被证明合理：由于构成众核处理器10的集群中的所有集群中，仅输入/输出集群能够快速且直接地访问外部存储器。在邮箱中的此接收之后，每个帧由将帧写入输入/输出集群的内部存储器的硬件机构负责。

在将帧写入输入/输出集群的内部存储器之后，输入/输出集群的第一、第二和第三核实现端系统的接收部分。

第一核分析帧的MAC(‘媒体访问控制’)头部并在预定义的配置表中执行搜索，以便确定将用于存储帧的邮箱地址。

第一核借助于先入先出(FIFO)型存储器队列与第二核通信。使用此存储器队列，第一核向第二核传达帧的在输入/输出集群的在内部存储器中的地址以及用于存储帧的邮箱的在外部存储器中的地址。

第二核提供在输入/输出集群的内部存储器与外部存储器之间(即，输入/输出集群的内部存储器中的地址与外部存储器中的地址之间)传递帧的功能。

第三核实现请求服务，所述请求根据标准ARINC 664部分7，使众核处理器10的实现应用的应用集群借助于输入/输出集群访问外部存储器，以便在应用需要数据的时刻从所述外部存储器中恢复数据。当由应用集群实现的应用必须从外部存储器中恢复数据项时，其借助于芯片上网络NoC向输入/输出集群传输请求。然后，输入/输出集群访问外部存储器以便从中恢复期望的数据项，并且借助于芯片上网络NoC向应用集群传输此数据项。

图4A示意性地展示了当帧由端功能接收时处理器10实现的机制。

在步骤400中，众核处理器10借助于以太网通信端口接收帧。

在步骤401中，将帧从以太网通信端口传递至输入/输出集群的内部存储器。这种传递由众核处理器10的直接存储器访问(DMA)控制器的静态配置并且通过使用芯片上网络NoC来确保。

在步骤402中，输入/输出集群的第一输入/输出核分析MAC头部并且使用预定义的配置表，以便确定将用于存储帧的邮箱的地址。在步骤402期间，帧的在内部存储器中的地址以及将用于存储帧的邮箱的在外部存储器中的地址由第一输入/输出核写入到旨在此目的的存储器队列。

在步骤403中，输入/输出集群的第二输入/输出核执行输入/输出集群的内部存储器与在外部存储器中确定的邮箱之间的传递。为了实现这一点，第二输入/输出核查询存储器队列的内容。

图4B示意性地展示了帧到应用集群的传递。

在步骤410中，输入/输出集群的实现请求服务(所述请求根据标准ARINC 664部分7)的第三核从实现应用的应用集群处接收根据标准ARINC 664部分7的请求。此请求指示应用想要从中恢复数据的邮箱号。

在步骤411中，第三核配置处理器10的硬件机构(如直接存储器访问(DMA)控制器和芯片上网络NoC)，从而使得其负责将帧从存储帧的邮箱有效地传递至作出请求的应用集群。

在步骤412中，硬件机构实现对帧的传递。

终端的发送部分使用包括一系列时间周期的共享日程表。在此共享日程表中，每个时间周期可以与必须在所述时间周期期间在其上发送帧的一个或多个虚拟链路相关联。

共享日程表被由应用集群实现的应用填充。当应用想要发送帧时，其实现发送机制。

在发送机制的第一步骤中，应用将帧从包含帧的邮箱移动至实现应用的应用集群的内部存储器。为此，应用使用处理器10的硬件机构，如直接存储器访问(DMA)控制器和芯片上网络NoC。每条虚拟链路与先入先出型存储器队列相关联。

在将帧放置在应用集群的内部存储器中之后，在发送机制的第二步骤中，应用将请求发布至与涉及所述发送的虚拟链路相关联的存储器队列。请求指示必须使用的邮箱的标识符。

在发送机制的第三步骤中，应用集群的资源管理核然后将待发送的帧放置在讨论中的邮箱中，并且还在发送的期望时刻将包括所述邮箱地址的信息项放置在共享日程表中，以便指示将在所述时刻在讨论中的虚拟链路上执行发送。

将共享日程表存储在输入/输出集群的内部存储器中。此日程表由所述输入/输出集群的专用输入/输出核读取。在当前时刻，当日程表指示必须在给定虚拟链路上执行帧发送时，专用输入/输出核负责所述发送。为了实现这一点，所述输入/输出核配置处理器10的将在与虚拟链路相对应的以太网端口上发送有用数据的硬件机构。

图5A示意性地展示了当应用集群发送帧时由实现应用的所述应用集群的应用核实现的方法。

在步骤500(发送机制的第一步骤)中，实现应用的应用集群的应用核将待发送的帧传递至所述应用集群的内部存储器。

在步骤501(发送机制的第二步骤)中，应用核将请求发布至与涉及所述发送的虚拟链路相关联的存储器队列。

在步骤502(发送机制的第三步骤)中，所述应用集群的资源管理核将待发送的帧放置在涉及发送的邮箱中，并且在发送的期望时刻将包括所述邮箱地址的信息项写入共享日程表。

图5B示意性地展示了当应用集群发送帧时由输入/输出集群的输入/输出核实现的方法。

在步骤510中，输入/输出集群的输入/输出核读取日程表。由输入/输出核实时且连续地执行此步骤。在读取日程表期间，在当前时刻，当指示包括包含待传输的帧的邮箱的地址的信息项时，输入/输出核移动到步骤511。

在步骤511期间，输入/输出核配置处理器10的有效实现了帧发送的硬件机构。

在步骤512中，硬件机构有效地实现了帧发送。

Claims (9)

1.一种多核处理器类型装置(10)，旨在借助于通信端口使用与设备项目(12，13，14，15)连接的虚拟链路连接至确定性交换式以太网(11)，所述处理器(10)包括多个集群，每个集群包括多个核，所述处理器(10)的至少一个集群实现交换机功能，所述交换机功能使得能够在所述网络(11)中互连所述设备项目，所述处理器的至少一个集群实现端系统功能，所述端系统功能提供在所述网络中发送和接收数据的功能，并且所述处理器(10)的至少一个集群实现应用，

其特征在于，实现交换机功能的每个集群是所述处理器(10)的能够实现应用的应用集群，将实现交换机功能的每个集群的至少一个第一核分配给对在所述处理器的通信端口上接收的帧进行路由的功能，所述路由的功能包括分析每个接收到的帧并使用预定义的静态路由表以便为每个接收到的帧确定所述处理器(10)的必须在其上发送每个帧的通信端口，并且将实现交换机功能的所述集群的第二核分配给在所确定的通信端口上发送每个接收到的帧的功能。

2.根据权利要求1所述的多核处理器类型装置，其特征在于，每个第一核借助于先入先出型存储器队列提供待发送至所述第二核的每个接收到的帧。

3.根据权利要求1或2所述的多核处理器类型装置，其特征在于，实现端系统功能的每个集群包括接收部分，所述接收部分由所述处理器(10)的专用于与所述处理器外部的资源通信的输入/输出集群来实现，在接收实现端系统功能的接收部分的所述集群的内部存储器中的帧之后，所述集群的第一核、第二核和第三核实现所述端系统的所述接收部分。

4.根据权利要求3所述的多核处理器类型装置，其特征在于，所述第一核分析所述帧的头部并且在预定义的配置表中执行搜索，以便确定所述处理器(10)外部的将用于存储所述帧的存储器中的缓冲存储器区域的地址，所述第二核提供在所述集群的所述内部存储器与所述外部存储器之间传递所述帧的功能。

5.根据权利要求3所述的多核处理器类型装置，其特征在于，所述第三核实现使能所述处理器(10)的应用集群的请求服务，所述应用集群实现用于借助于实现所述端系统功能的所述接收部分的所述集群来访问所述外部存储器的应用，以便在所述应用需要数据的时刻从所述存储器中恢复所述数据。

6.根据权利要求1所述的多核处理器类型装置，其特征在于，实现端系统功能的每个集群包括发送部分，所述发送部分使用存储在所述处理器(10)的专用于与所述处理器外部的资源通信的输入/输出集群的内部存储器中的共享的日程表，所述日程表包括一系列时间周期，每个时间周期能够与必须在所述时间周期期间在其上发送帧的一个或多个虚拟链路相关联，所述日程表被由所述处理器(10)的应用集群实现的应用填充，并由实现所述端系统功能的所述发送部分的集群的核读取，所述核负责当所述日程表在当前时刻指示必须执行帧发送时执行的每个帧发送。

7.一种确定性交换式以太网类型系统，使用与设备项目(12，13，14，15)连接的虚拟链路，所述系统包括根据权利要求1至6中任一项所述的多核处理器类型装置。

8.一种运载工具，所述运载工具包括根据权利要求7所述的确定性交换式以太网类型系统。

9.根据权利要求8所述的运载工具，其特征在于，所述运载工具是飞行器(2)。