CN109462555B

CN109462555B - 一种混合优先级数据传输调度方法及装置

Info

Publication number: CN109462555B
Application number: CN201811565961.1A
Authority: CN
Inventors: 万海; 李宗辉; 赵曦滨; 陈威行
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2021-11-26
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: CN109462555A

Abstract

本发明公开一种混合优先级数据传输调度方法及装置，该方法包括：获取下一个实时数据帧的发送时刻与当前时刻之间的时间余量；根据该时间余量，确定下一个发送帧的类型，该下一个发送帧的类型包括：同步帧、或非实时数据帧；根据确定的下一个发送帧的类型，调度相应类型的帧至发送队列。采用本发明提供的方案，能够确保实时数据能够准确传输，以及非实时数据和时钟同步数据的高效传输。

Description

一种混合优先级数据传输调度方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种混合优先级数据传输调度方法及装置。

背景技术

随着实时网络的不断发展，实时网络的数据传输规模不断增大，传统的专用网络通信协议已经不能满足嵌入式系统在汽车、航空航天、自动化流水线等关键应用场景中的通信需求。实时以太网凭借着以太网高带宽的天然优势，成为最具应用潜力的实时网络之一。

实时以太网中包含两类用户数据，分别是实时数据(Time-Trigged,TT)和非实时数据(Best-Effort,BE)，此外为了实现时钟同步，网络还需要传输时钟同步帧(SYNC帧)。针对实时数据，实时以太网的调度一般是通过离线计算以时间触发的方式进行调度，它通过预定义网络报文的接收和转发时间点，从而赋予网络实时性。

现如今在涉及到实时数据传输的应用场景中，基本还是采用专用网络的形式，专用网络虽然能够满足实时性需要，但是带宽较小，无法满足工业互联网升级的实际需求，实时以太网技术更多还停留在理论阶段，因此理论上按时间触发的方式发送实时数据帧是可行的，但是具体实现该调度机制的时候，要同时确保实时数据能够准确传输，以及非实时数据和时钟同步数据的高效传输，需要科学的设计和方法。因此实现一种混合优先级数据传输调度方案具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种混合优先级数据传输调度方法及装置，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种混合优先级数据传输调度方法，包括：获取下一个实时数据帧的发送时刻与当前时刻之间的时间余量；根据该时间余量，确定下一个发送帧的类型，该下一个发送帧的类型包括：同步帧、或非实时数据帧；根据确定的下一个发送帧的类型，调度相应类型的帧至发送队列。

可选地，获取下一个实时数据帧的发送时刻与当前时刻之间的时间余量，包括：从实时数据模块获取下一个实时数据帧的发送时刻与当前时刻之间的时间余量。

可选地，根据该时间余量，确定下一个发送帧的类型，包括：分别计算该同步帧和非实时数据帧的发送时间；将该时间余量分别与待发送的非实时数据帧和同步帧的发送时间进行比较；当该时间余量大于非实时数据帧的发送时间，且大于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是同步帧；当该时间余量大于非实时数据帧的发送时间，且小于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是非实时数据帧；或者当该时间余量小于非实时数据帧的发送时间，且大于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是同步帧。

可选地，在调度相应类型的帧至发送队列之前还包括：确定前一帧已发送完毕，该前一帧包括：同步帧、或非实时数据帧。

可选地，调度相应类型的帧至发送队列，包括：检测距离前一帧发送完毕的时间；当距离该前一帧发送完毕的时间等于将下一个发送帧从相应的缓冲区搬运至发送队列的时间时，调度下一个发送帧从相应的缓冲区搬运至发送队列。

为达到上述目的，本发明提供了一种混合优先级数据传输调度装置，包括：获取模块，用于获取下一个实时数据帧的发送时刻与当前时刻之间的时间余量；类型确定模块，用于根据该时间余量，确定下一个发送帧的类型，该下一个发送帧的类型包括：同步帧、或非实时数据帧；调度模块，用于根据确定的下一个发送帧的类型，调度相应类型的帧至发送队列。

可选地，获取模块用于：从实时数据模块获取下一个实时数据帧的发送时刻与当前时刻之间的时间余量。

可选地，类型确定模块，包括：计算单元，用于分别计算该同步帧和非实时数据帧的发送时间；比较单元，用于将该时间余量分别与待发送的非实时数据帧和同步帧的发送时间进行比较；类型确定单元，用于当该时间余量大于非实时数据帧的发送时间，且大于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是同步帧；当该时间余量大于非实时数据帧的发送时间，且小于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是非实时数据帧；或者当该时间余量小于非实时数据帧的发送时间，且大于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是同步帧。

可选地，混合优先级数据传输调度装置，还包括：发送确定模块，用于确定前一帧已发送完毕，该前一帧包括：同步帧、或非实时数据帧。

可选地，调度模块，包括：检测单元，用于检测距离前一帧发送完毕的时间；调度单元，用于当距离该前一帧发送完毕的时间等于将下一个发送帧从相应的缓冲区搬运至发送队列的时间时，调度下一个发送帧从相应的缓冲区搬运至发送队列。

本发明的有益效果如下：采用本发明提供的方案，提供了一种混合优先级数据传输的调度方式，能够确保TT帧的发送总是不冲突的，同时实现了BE帧和SYNC帧的优先级仲裁；能够确保实时数据能够准确传输，以及非实时数据和时钟同步数据的高效传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例中的混合优先级数据传输的调度方法的设计原理图；

图2是根据本发明实施例的混合优先级数据传输调度方法的流程图；

图3示出了本发明实施例中详细的状态转移流程；

图4示出了根据本发明实施例的混合优先级数据传输调度装置的结构示意图；

图5示出根据本发明实施例的混合优先级数据传输调度装置的另一结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心思路在于，根据本发明实施例的混合优先级数据传输调度装置Priority-Arbiter接收来自调度引擎的下一个TT帧发送时刻，并计算出当前时刻距离这帧发送时刻的时间余量；根据这个时间余量，判断当前准备发送的BE帧和SYNC帧是否可以在该时间余量内发送出去，如果它们都可以，则选择SYNC帧发送，否则选择任何一个可以发送的帧进行发送；等这帧发送完成，继续进行相同的仲裁，直到时间余量不足以发送一帧或者当前没有准备就绪的帧。该过程既可以确保TT帧的精准调度，同时也能确保BE帧和SYNC帧的高效发送。

另外，为了防止帧数据错误，BE帧和SYNC帧的发送是不能被打断的，即一旦一帧被发送，就需要等待这帧发送结束才能开始新的仲裁，尽管这个过程中有更高优先级的帧准备就绪。

本发明实施中提供了一种混合优先级数据传输的调度方式，通过采用预计算的方式确保TT帧的发送总是不冲突的，同时实现了BE帧和SYNC帧的优先级仲裁。

图1示出了本发明实施例中的混合优先级数据传输的调度方法的设计原理图。

如图1(a)所示，T1是开始将帧数据传输到发送队列的时间点；

T2是开始发送引导码的时间；

T3是一帧数据发送完成的时间以及最小帧间间隔。

所以当前帧的下一帧的实际可以传输到发送队列的时间点是发送时间点应该开始于T3-(T2-T1)，这样可以充分利用带宽。时间间隔T2–T1对于一个交换机来说是恒定的。

T3–T2是发送整个帧的时间，一个完整的帧通常包括：

前序码(7bytes)+帧开始码(1bytes)+帧数据(帧实际长度)+CRC校验码(4bytes)+最小帧间隔(12bytes)。

因此对于快速以太网，

T3–T2＝(帧长度frame length*8*10+24*8*10)ns

对于Gigabit以太网，

T3–T2＝(frame length+24)*8ns。

图1(b)描述了TT帧与BE或SYNC帧交替发送的理论时间约束。发送完TT帧之后，BE或者SYNC帧即可以开始发送，为了充分利用时间，BE或者SYNC帧可以在T3-(T2-T1)时刻开始向发送队列传输；当BE或者SYNC帧发送完成并结束最小帧间间隔的时间点T3’小于等于下一TT帧开始发送的时间T2”时，BE或者SYNC帧能够被正常发送且不对TT帧的传输造成影响。因此，可以在两个TT帧发送的间隔，发送BE帧或者SYNC帧。

图2是根据本发明实施例的混合优先级数据传输调度方法的流程图。如图2所示，根据本发明实施例的混合优先级数据传输调度方法包括：

S201，获取下一个实时数据帧的发送时刻与当前时刻之间的时间余量。

在具体实施时，获取下一个实时数据帧的发送时刻与当前时刻之间的时间余量，可以包括：从实时数据模块获取下一个实时数据帧的发送时刻与当前时刻之间的时间余量。

S202，根据该时间余量，确定下一个发送帧的类型，该下一个发送帧的类型包括：同步帧、或非实时数据帧。

在具体实施时，根据该时间余量，确定下一个发送帧的类型，可以包括：分别计算该同步帧和非实时数据帧的发送时间；将该时间余量分别与待发送的非实时数据帧和同步帧的发送时间进行比较；当该时间余量大于非实时数据帧的发送时间，且大于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是同步帧；当该时间余量大于非实时数据帧的发送时间，且小于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是非实时数据帧；或者当该时间余量小于非实时数据帧的发送时间，且大于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是同步帧。

具体地，当该时间余量小于非实时数据帧的发送时间，且小于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型不是同步帧或非实时数据帧；此时可以等待至下一个实时数据帧的发送时刻到来时，调度实时数据帧进入发送队列。

S203，根据确定的下一个发送帧的类型，调度相应类型的帧至发送队列。

在具体实施时，在调度相应类型的帧至发送队列之前还可以包括：确定前一帧已发送完毕，该前一帧包括：同步帧、或非实时数据帧。

在具体实施时，SYNC帧的优先级高于BE帧，当正在发送BE帧的时候，如果有SYNC帧过来，SYNC要等待BE的信号发送完才能发送SYNC的信号，如果SYNC帧和BE帧同时到来，则先发SYNC帧，再发BE帧。

在具体实施时，可以通过一个状态机完成对SYNC帧和BE帧的仲裁以及数据的传送，详细的状态转移流程如图3所示，其中各状态的含义如下：

SEND_RDY状态：be_send为1表示有足够的时间发送BE的数据，sync_send为1表示有足够的时间发送sync的数据，该状态决定了sync的优先级高于be。

SEND_BE状态：当满足条件(|in_be_ctrl)&&(in_be_wr)&&(in_be_ctrl！＝8'hFF)时表示当前帧的数据已经成功传送到后续的模块，否则继续向后续模块传送数据。

SEND_SYNC状态：当满足条件(in_sync_ctrl)&&(in_sync_wr)&&(in_sync_ctrl！＝8'hFF)时表示当前帧的数据已经成功传送到后续的模块，否则继续向后续模块传送数据。

DELAY状态：延迟3个cycle回到SEND_RDY状态。

详细的状态转移流程如下：

首先Priority-Arbiter的执行逻辑处于SEND_RDY状态，计算本次实时数据TT周期内，是否满足发送BE帧或者SYNC帧的条件。如果不满足条件，即be_send与sync_send都为0，则继续在此状态循环；如果be_send＝0,sync_send＝1或者be_send＝1,sync_send＝1，则跳转到SEND_SYNC状态，准备发送SYNC帧，如果be_send＝1,sync_send＝0，并且当前没有be正在发送，则跳转到SEND_BE状态，准备发送BE帧。

在SEND_SYNC状态时，首先要等待上一SYNC帧发送完毕，即满足条件in_sync_ctrl&&in_sync_wr&&in_sync_ctrl！＝8'hFF，才可以发送下一帧。

同理，在SEND_BE状态时，也要等待上一BE帧发送完毕，即满足条件in_be_ctrl&&in_be_wr&&in_be_ctrl！＝8'hFF，才可以发送下一帧。

BE帧或者SYNC帧发送完毕后，进入DELAY状态，DELAY状态进行适当的延迟重新回到SEND_RDY状态，新一轮循环开始。

在具体实施时，调度相应类型的帧至发送队列，包括：检测距离前一帧发送完毕的时间；当距离该前一帧发送完毕的时间等于将下一个发送帧从相应的缓冲区搬运至发送队列的时间时，调度下一个发送帧从相应的缓冲区搬运至发送队列。

Priority-Arbiter还可以计算发送当前帧还剩多少cycle，当剩余时间刚好是把数据从BE buffer或者SYNC buffer搬运到mac_tx_queue时，Priority-Arbiter模块就产生ready信号告诉BE或者SYNC模块可以发送数据了，直到当前一帧内容发送完毕，重新回到该模块等待下一次的仲裁。

采用本发明提供的方案，能够确保TT帧的发送总是不冲突的，同时实现了BE帧和SYNC帧的优先级仲裁；能够确保实时数据能够准确传输，以及非实时数据和时钟同步数据的高效传输。

图4示出了根据本发明实施例的混合优先级数据传输调度装置的结构示意图。

如图4所示，根据本发明实施例的混合优先级数据传输调度装置400，包括：获取模块401，用于获取下一个实时数据帧的发送时刻与当前时刻之间的时间余量；类型确定模块402，用于根据该时间余量，确定下一个发送帧的类型，该下一个发送帧的类型包括：同步帧、或非实时数据帧；调度模块403，用于根据确定的下一个发送帧的类型，调度相应类型的帧至发送队列。

在具体实施时，获取模块用于：从实时数据模块获取下一个实时数据帧的发送时刻与当前时刻之间的时间余量。

在具体实施时，类型确定模块，包括：计算单元，用于分别计算该同步帧和非实时数据帧的发送时间；比较单元，用于将该时间余量分别与待发送的非实时数据帧和同步帧的发送时间进行比较；类型确定单元，用于当该时间余量大于非实时数据帧的发送时间，且大于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是同步帧；当该时间余量大于非实时数据帧的发送时间，且小于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是非实时数据帧；或者当该时间余量小于非实时数据帧的发送时间，且大于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是同步帧。

在具体实施时，混合优先级数据传输调度装置，还包括：发送确定模块，用于确定前一帧已发送完毕，该前一帧包括：同步帧、或非实时数据帧。

在具体实施时，调度模块，包括：检测单元，用于检测距离前一帧发送完毕的时间；调度单元，用于当距离该前一帧发送完毕的时间等于将下一个发送帧从相应的缓冲区搬运至发送队列的时间时，调度下一个发送帧从相应的缓冲区搬运至发送队列。

在具体实施时，Priority-Arbiter可以包括物理固件和逻辑固件。物理固件是FPGA(可编程门阵列)，逻辑固件是由FPGA设计的数字电路部分，控制物理固件实现数据传输仲裁的功能。

Priority-Arbiter内部可以有3个子模块，如图5所示：

BE发送模块is_allowed_to_send_be；同步帧发送模块is_allowed_to_send_sync和前帧发送时间计算模块，compute_previous_frame_sending_time。

模块is_allowed_to_send_be和is_allowed_to_send_sync用于判定当前能否发送BE帧或者SYNC帧，其首先计算出发送BE帧和SYNC帧的所需要的时间，然后与TT模块通过TT信号线给出的本周期的时间余量进行对比，如果发送当前帧所需要的时间小于TT模块给出的时间余量，则判断当前的BE帧或者TT帧是可以发送的，如果大于TT模块给出的时间余量，则判断当前的BE或者SYNC帧是不可以发送的。

子模块compute_previous_frame_sending_time用于计算发送当前帧还剩多少时钟周期(cycle)，当剩余时间刚好是把数据从BE缓冲区(buffer)或者SYNC buffer搬运到发送队列mac_tx_queue时，Priority-Arbiter就产生准备就绪(ready)信号告诉BE或者SYNC模块可以发送数据了，直到当前一帧内容发送完毕，重新回到该模块等待下一次的仲裁。

在具体实施时，实现Priority-Arbiter的接口定义可以如下表所示：

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种混合优先级数据传输调度方法，其特征在于，包括：

获取下一个实时数据帧的发送时刻与当前时刻之间的时间余量；

根据所述时间余量，确定下一个发送帧的类型，所述下一个发送帧的类型包括：同步帧、或非实时数据帧；

根据确定的下一个发送帧的类型，调度相应类型的帧至发送队列；

其中，根据所述时间余量，确定下一个发送帧的类型，包括：

分别计算所述同步帧和非实时数据帧的发送时间；

将所述时间余量分别与待发送的非实时数据帧和同步帧的发送时间进行比较；

当所述时间余量大于非实时数据帧的发送时间，且大于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是同步帧；

当所述时间余量大于非实时数据帧的发送时间，且小于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是非实时数据帧；或者当所述时间余量小于非实时数据帧的发送时间，且大于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是同步帧。

2.根据权利要求1所述的混合优先级数据传输调度方法，其特征在于，获取下一个实时数据帧的发送时刻与当前时刻之间的时间余量，包括：

从实时数据模块获取下一个实时数据帧的发送时刻与当前时刻之间的时间余量。

3.根据权利要求1所述的混合优先级数据传输调度方法，其特征在于，在调度相应类型的帧至发送队列之前还包括：

确定前一帧已发送完毕，所述前一帧包括：同步帧、或非实时数据帧。

4.根据权利要求1所述的混合优先级数据传输调度方法，其特征在于，调度相应类型的帧至发送队列，包括：

检测距离前一帧发送完毕的时间；

当距离所述前一帧发送完毕的时间等于将下一个发送帧从相应的缓冲区搬运至发送队列的时间时，调度下一个发送帧从相应的缓冲区搬运至发送队列。

5.一种混合优先级数据传输调度装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取下一个实时数据帧的发送时刻与当前时刻之间的时间余量；

类型确定模块，用于根据所述时间余量，确定下一个发送帧的类型，所述下一个发送帧的类型包括：同步帧、或非实时数据帧；

调度模块，用于根据确定的下一个发送帧的类型，调度相应类型的帧至发送队列。

6.根据权利要求5所述的混合优先级数据传输调度装置，其特征在于，获取模块用于：

7.根据权利要求5所述的混合优先级数据传输调度装置，其特征在于，类型确定模块，包括：

计算单元，用于分别计算所述同步帧和非实时数据帧的发送时间；

比较单元，用于将所述时间余量分别与待发送的非实时数据帧和同步帧的发送时间进行比较；

类型确定单元，用于当所述时间余量大于非实时数据帧的发送时间，且大于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是同步帧；当所述时间余量大于非实时数据帧的发送时间，且小于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是非实时数据帧；或者当所述时间余量小于非实时数据帧的发送时间，且大于同步帧的发送时间时，确定下一个发送帧的类型是同步帧。

8.根据权利要求7所述的混合优先级数据传输调度装置，其特征在于，还包括：

发送确定模块，用于确定前一帧已发送完毕，所述前一帧包括：同步帧、或非实时数据帧。

9.根据权利要求7所述的混合优先级数据传输调度装置，其特征在于，调度模块，包括：

检测单元，用于检测距离前一帧发送完毕的时间；

调度单元，用于当距离所述前一帧发送完毕的时间等于将下一个发送帧从相应的缓冲区搬运至发送队列的时间时，调度下一个发送帧从相应的缓冲区搬运至发送队列。