CN109525315B - 基于时间触发的光纤通道网络端系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时间触发的光纤通道网络端系统，包含多触发周期配置模块、光纤收发器、帧优先级控制器、通道控制器、发送模块；多触发周期配置模块用于提供时间轴；发送模块用于将达到发送时间点的时间触发数据帧进行轮询操作，选取其中一个时间触发数据帧发送到对应通道上；通道控制器用于将满足时间属性的通道设为活跃状态，处于活跃状态的通道上的时间触发数据帧则进入帧优先级控制器；帧优先级控制器用于根据优先级将时间触发数据帧依次送入光纤收发器进行发送。本发明提高了数据传输的可靠性。

Description

基于时间触发的光纤通道网络端系统
技术领域
本发明涉及光纤通道(Fiber Channel)网络通信系统中，针对航空电子设备间网络通信传输中利用时间触发(Time-Triggered)技术提高系统通信确定性所涉及的关于调度的机制。
背景技术
航空电子技术不断发展下，基于光纤通道(FC)技术的航空匿名消息协议(FC-AE)已经得到了应用与发展，如图1所示的光纤总线在机载视频分系统中的应用。
航电网络为实时网络，对实时性要求高，如果关键数据被阻塞，可能会导致航电系统出现严重问题。传统FC网络属于事件触发网络，节点机发送数据的时刻没有限制，当多个节点同时向网络发送数据时，多个数据帧可能会抢占资源，形成冲突和排队，有可能造成数据的延时，影响系统实时性的要求。机载网络是一个复杂网络，包括了大量周期性的传感器数据，事件性的视频图像、控制响应数据以及需要较高优先级的实时语音、告警等紧急数据。网络数据综合了多种业务流和业务类型，并且要求提供不同的网络服务质量。整个网络通信过程由各个节点机自发进行数据收发，没有统一的网络数据规划及调度。
原有应用于其他网络的调度机制无法更好贴合时间触发网络，而在网络通信调度上设计出适用于时间触发的设计思想的机制，是为实现先进开放式架构的综合化航电系统提供确定性、低延迟、高带宽的网络通信技术打下了基础。通过时间触发网络技术，采用交换网络传输方式，综合多种网络通信业务的数据流调度、交换功能，对整个网络系统的时钟同步控制机制进行设计，支持多种安全等级任务综合处理的高安全网络环境。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种基于时间触发的光纤通道网络端系统，本发明借助于光纤通道通信协议(FC-FS-2)的规定，在光纤链路上进行有序集信号和数据帧的传输，设计了基于时间触发技术的光纤链路传输的实现机制。该发明主要应用于航空电子光纤链路网络通信传输上，提高了数据传输的可靠性，并且不仅仅局限于单一协议，在应用领域的拓展有明显的优势。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种基于时间触发的光纤通道网络端系统，包含多触发周期配置模块和时间触发帧收发模块；
多触发周期配置模块用于根据不同消息的发送周期，筛选出一个时间轴，并将时间轴提供给时间触发帧收发模块；其中，所述时间轴是所有周期的最小公倍数；
时间触发帧收发模块包括光纤收发器、帧优先级控制器、通道控制器、发送模块；
发送模块用于根据时间轴判断内部缓存中时间触发数据帧是否到达发送时间点，将同一发送时间点上满足发送条件的多个同类型的时间触发数据帧进行轮询操作，选取其中一个时间触发数据帧发送到对应通道上，并且根据时间轴控制通道控制器对通道状态的切换；
通道控制器用于对若干通道进行状态切换，将满足时间属性的通道设为活跃状态，否则处于静默状态，处于活跃状态的通道上的时间触发数据帧则进入帧优先级控制器；其中，一个通道对应一种类型的时间触发数据帧；
帧优先级控制器用于根据优先级将接收到的时间触发数据帧依次送入光纤收发器；
光纤收发器用于将时间触发数据帧传递到后续模块。
基于时间触发的光纤通道网络端系统还包含DMA模块，DMA模块在用于发送时间触发数据帧的时间窗前的一段时间开始将时间触发数据帧调入内部缓存。
附图说明
图1为光纤总线在机载视频分系统中的应用示例。
图2为基于时间触发的光纤通道网络端系统的结构示意图。
图3为时间触发帧收发模块的结构示意图。
图4A为多个通道某一时间点的剖面图。
图4B为某一个通道上在一个时间同步周期里的活跃和静默的状态。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图2所示，本实施例所示的一种基于时间触发的光纤通道网络端系统，应用的载体是光纤链路进行传输，其中数据调度方面的功能模块包括时间触发帧收发模块、多触发周期配置模块以及普通帧收发模块。此外还有上游的PCIE 模块(Peripheral ComponentInterconnect Express高速外部设备总线)，DMA模块(Direct Memory Access直接存储器访问)和下游的FC协议模块，构成了整个调度的功能。对于时间同步模块，就采用了光纤网络发送时间有序集的方式，进行同步。
基于时间触发技术的数据调度机制，应用场景是在光纤链路传输，将原本光纤链路上进行传输的数据帧，以固定时间片的方式调度发送，以此来满足数据帧对于时间确定性上的要求。待发送的数据拥有各自不同的发送周期以及发送时间片，因此在调度的时候，将每一个可能发送的数据帧当作一个独立的队列去处理，将满足发送条件的队列做出标识，然后在固定的时刻去预处理这些数据帧。通过轮询仲裁算法筛选出待发送的数据帧，立刻或者在特定时刻发送到链路上。这样就可以保证待发送的数据按照一定发送时间要求，进行时间片的划分以及调度分配，保证不同优先级的数据，依据不同发送时间周期，按照不同发送时间片，以一种有序的在光纤链路上进行传输。
时间触发帧收发模块的结构如图3所示，包括两路光纤收发器、一个帧优先级控制器(时间触发帧的优先级高于普通帧)、一个通道控制器、发送模块和接收模块。
发送模块：图3给出了发送模块实现时间触发技术的调度机制的思想，DMA 模块从处理器指定的内存空间内将时间触发数据帧传输到FPGA内部的缓存上，内部缓存有大量存储片，每个存储片可以存放一帧数据。发送模块对存储片进行管理，每个存储片都有自己的时间计算模块，时间计算模块从零开始计时到时间轴的最大长度，周而复始，一旦时间计算模块计时的值和这个时间触发数据帧在这个时间轴上的位置一致，就说明到了这条时间触发数据帧的发送时间点。根据系统应用的需要，将要发送的数据进行分类，每一种类型的数据，可以当作一个数据，拥有一个数据通道。本实施例进行简化是16条数据通道，而实际中根据设计和资源需求进行增减，常规的应用是拥有512条数据通道。如果在同一发送时间点有多个同类型时间触发数据帧满足时间条件，则就会启动轮询仲裁机制，选择其中的一个发送到通道上。在时钟同步模块进行校准时间轴之前，发送模块控制通道控制器，使所有的通道均处于静默(slience)状态，一旦时间轴校准完成，所有的通道拥有的计时器都将进行关于时间触发的计算，如果满足当前通道的时间属性，则控制通道控制器将通道状态就跳转到活跃状态，那就代表着当前这条数据通道是通畅的。在这个时候，如果处于活跃状态的多通道上有时间触发数据帧，则时间触发数据帧进入帧优先级控制器，然后在这整个时间槽发送周期内，禁止本通道以及其他通道上数据帧的发送。当进入下一个时间槽，重新计算所有通道的时间属性。使用这种实现方式，利用FPGA (Field-Programmable Gate Array)逻辑的并行计算优势，最大程度上地优化设计，提高实现时间触发传输上的效率。图4A代表的是多个通道某一时间点的剖面图，图4B是某一个通道上在一个时间同步周期里的活跃和静默的状态。
在调度机制中，由于设计的实现环境是在基于PCIE传输数据帧考虑的，数据负载发送是有一定的延时，因此引入了一个预调度的机制。对于每个需要发送的数据帧，在它的时间窗(time windows)的前面一些时间，DMA模块就开始向CPU请求传输数据，这样在数据负载传输到FPGA逻辑后，在链路的传输上还是处于调度的时间窗里面，这样就能保证发送的可靠性。这个预调度的时间，对于每一个时间触发通道是可配置的，是和系统发送延迟，数据帧长度有关。一旦到了预调度期间，任何的非时间触发帧将无法进行PCIE传输请求。这样的机制保证了所有发送的时间触发帧落在这个时间窗里面。如图5。
同样在调度机制中，系统会遇到当前发送时，有其他的非时间触发帧占用队列的情况。这种情况下，系统会计算一个当前时间窗的最坏情况，一个时间触发最晚时刻点，即堵塞的非时间触发帧的最大占用时间窗的长度，保证后面剩余的时间窗是可以满足当前时间触发帧的最大可能长度。这样的机制就能保证在所有的时间触发帧都可以发送到链路上去。
通道控制器：根据发送模块的控制，将通道在活跃状态和静默状态之间进行切换。
帧优先级控制器：根据优先级将接收到的时间触发数据帧依次送入光纤收发器。
光纤收发器：对时间触发数据帧进行光纤协议层面的校检和错误处理，将合格的时间触发数据帧传递到后续模块。
在数据接收过程中，光纤收发器对接收到的时间触发数据帧进行光纤协议层面的校检和错误处理，将合格的时间触发数据帧传递到帧优先级控制器，帧优先级控制器根据数据帧的类型放到对应的通道中，然后进入接收模块。对于时间触发帧，接收模块会计算一下是否符合接收的时间，也就是从发送到传输都符合预期的时间消耗。对于符合的时间帧，则传输到处理器内存空间，而对于不符合的时间帧，则丢弃。
为了选择出一个合适的时间同步周期(或者是最小公倍数时间轴)的机制，因此设计了多触发周期配置模块，来实现数据发送周期模块的多周期功能和时间同步模块的最小公倍数时间轴。上层应用进行消息发送时，大多会选择周期性发送消息，而这个发送周期根据功能的不同而不同。多触发周期模块就是要根据不同消息的发送周期，筛选出一个时间轴，这个时间轴往往是所有周期的最小公倍数。在这个时间轴上，每个应用消息都有自己的周期位置，进行自己的消息发送。而因此产生的时间轴长度，时间轴中每个消息的发送位置，都将提供给时间触发模块，用于发送时间触发帧。
对于时间同步模块，则采用光纤网络协议自带的时钟同步服务来完成实现。在光纤协议中，会有一个端节点被设置作为网络服务器的角色，他会向交换机发送时间同步信号，网络交换机再将这个同步信号转发给网络上的所有节点，以此来达到同步状态。这里不做重点描述。
在一个网络拓扑架构中，所有的端节点和交换机在上电后并没有进入同步状态。A节点作为网络管理节点，B C作为普通节点，D作为暂时未上电的节点。同步开始时，A，B，C三个节点在交换机的配合下，完成同步状态，并且能够进行数据发送。至于开始未上电的D节点，D节点上电稳定后，在某一次周期同步过程中，加入同步网络。如何进行时间同步功能不是本文描述核心。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于时间触发的光纤通道网络端系统，包含多触发周期配置模块和时间触发帧收发模块，其特征在于：
所述多触发周期配置模块用于根据不同消息的发送周期，筛选出一个时间轴，并将时间轴提供给时间触发帧收发模块；其中，所述时间轴是所有周期的最小公倍数；
所述时间触发帧收发模块包括光纤收发器、帧优先级控制器、通道控制器、发送模块；
发送模块用于根据时间轴判断内部缓存中时间触发数据帧是否到达发送时间点，将同一发送时间点上满足发送条件的多个同类型的时间触发数据帧进行轮询操作，选取其中一个时间触发数据帧发送到对应通道上，并且根据时间轴控制通道控制器对通道状态的切换；
通道控制器用于对若干通道进行状态切换，将满足时间属性的通道设为活跃状态，否则处于静默状态，处于活跃状态的通道上的时间触发数据帧则进入帧优先级控制器；在这整个时间槽发送周期内，禁止本通道以及其他通道上数据帧的发送；当进入下一个时间槽，重新计算所有通道的时间属性；其中，一个通道对应一种类型的时间触发数据帧；
帧优先级控制器用于根据优先级将接收到的时间触发数据帧依次送入光纤收发器；
光纤收发器用于将时间触发数据帧传递到后续模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于时间触发的光纤通道网络端系统，其特征在于还包含DMA模块，所述DMA模块在用于发送时间触发数据帧的时间窗前的一段时间开始将时间触发数据帧调入内部缓存。
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