CN109831434B - 一种基于自定义交换策略的多协议通信交换控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自定义交换策略的多协议通信交换控制器，包括全局多路总线选通控制模块，将1路wishbone总线接口转换成n路wishbone总线接口，n路wishbone总线接口分别与全局寄存器控制模块和n‑1个交换端口控制模块连接；全局寄存器控制模块，与全局多路总线选通控制模块连接，用于配置该控制器的全局寄存器；交换端口控制模块，进行五种通信协议控制器的切换，对端节点数据帧和端节点状态帧的过滤、接收和转发，对交换机状态帧的产生、发送、过滤和接收，还包括对上述三种帧的发送仲裁控制。通过设置五种通讯协议，实现了五种通信协议的自定义交换策略。

Description

一种基于自定义交换策略的多协议通信交换控制器

技术领域

本发明属于多协议数据通信交换技术领域；具体涉及一种基于自定义交换策略的多协议通信交换控制器。

背景技术

在现有的网络通信中，异步串口UART通信、同步串口HDLC通信，CAN通信支持点对点通信和总线式组网通信，这三种通信协议都无法组成交换式网络，不支持交换式网络通信。在现有的技术中，没有一个可以支持三种通信协议相互转换的协议转换控制器，也没有一个可以支持三种通信协议的混合协议数据交换控制器。

这三种通信协议的特点：(1)仅支持点对点通信或者总线式组网通信，不支持交换式组网通信；(2)没有支持三种通信协议的转换平台；(3)没有支持三种通信协议的混合协议数据交换平台。

发明内容

本发明提供了一种基于自定义交换策略的多协议通信交换控制器；通过设置五种通讯协议，实现了五种通信协议的自定义交换策略。

本发明的技术方案是：一种基于自定义交换策略的多协议通信交换控制器，全局多路总线选通控制模块，将1路wishbone总线接口转换成n路wishbone总线接口，n路wishbone总线接口分别与全局寄存器控制模块和n-1个交换端口控制模块连接；全局寄存器控制模块，与全局多路总线选通控制模块连接，用于配置该控制器的全局寄存器；交换端口控制模块，进行五种通信协议控制器的切换，对端节点数据帧和端节点状态帧的过滤、接收和转发，对交换机状态帧的产生、发送、过滤和接收，还包括对上述三种帧的发送仲裁控制；交换控制模块，对交换端口控制模块进行路由查询和数据交换存储控制，同时获取交换机内部状态信息，并产生交换机状态帧；存储模块，存储交换端口控制模块的单播数据帧、多播数据帧和广播数据帧。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中交换端口控制模块包括：交换端口控制模块包括：接口控制模块，完成交换端口控制模块内部多路总线选通、内部发送缓存和接收缓存的控制；局部寄存器控制模块，与接口控制模块连接，配置交换端口控制模块内的局部寄存器；与接口控制模块连接的UART通信控制器模块、CAN通信控制器模块、HDLC通信控制器模块、高速422通信控制器模块、高速485通信控制器模块；串行数据选通控制模块，完成对串行发送数据和串行接收数据的选通，并且选择上述五种通信协议控制器中的一种，然后实现对串行发送数据的发送和对串行接收数据的接收。

其中接口控制模块包括：多路总线选通控制模块，将1路wishbone总线接口转换成6路wishbone总线接口，分别对相应的局部寄存器模块和五种通信协议控制器进行配置；缓存控制模块，完成对发送数据、接收数据和交换机状态数据进行读或写控制，对发送数据组帧和校验计算，对接收数据过滤和校验计算，交换机状态数据来自交换控制模块；发送数据缓存模块，存储需要转发的数据，数据包括端节点数据帧和端节点状态帧；且数据来自存储模块，通过多路总线选通控制模块和缓存控制模块发送到五种通信控制器模块中的一个；接收数据缓存模块，存储接收的数据，数据包括端节点数据帧和端节点状态帧；且数据来自五种通信控制器模块中的一个，通过多路总线选通控制模块和缓存控制模块写入存储模块中；交换机状态数据缓存模块，存储交换机状态帧数据，通过多路总线选通控制模块和缓存控制模块发送到五种通信控制器模块中的一个。

其中端节点数据帧、端节点状态帧和交换机状态帧的帧格式具备数据交换功能；所述帧格式包括帧头，帧长度，帧类型，帧序列号，接收地址，发送地址，数据，校验和帧尾；所述帧长度是帧类型、帧序列号、接收地址、发送地址、数据和校验的长度总和；所述帧类型对应端节点数据帧、端节点状态帧或交换机状态帧。

其中端节点数据帧用于传输数据。

其中端节点状态帧为广播帧，用于故障诊断和动态路由。

其中交换机状态帧用于流量控制和故障诊断。

其中交换机状态帧的数据段包括交换机设备地址，端节点接收状态，通信控制器接收错误计数，帧头错误计数，帧长度错误计数，帧类型错误计数，序列号错误计数，帧校验错误计数和帧尾错误计数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：每个交换端口的协议可以任意配置成五种协议中的一种；实现五种通信协议数据的转换；根据自定义交换策略，实现五种协议数据帧的混合数据交换；通过交换机状态帧能及时将交换控制器内部的状态反馈给每一个通信端节点，达到流量控制和故障诊断的效果；通过端节点状态帧有利于实现端节点故障诊断以及动态路由信息的建立；灵活的可配置的帧格式，使得通信灵活性更大，适用性更强。

使用本发明的装置能够达到以下效果：每个交换端口的协议可以任意配置成五种协议中的一种；实现了五种通讯协议数据的转换；通过帧格式的设置，实现五种协议数据帧的混合数据交换，并且使通信的适用性更强；本发明的装置能够作为五种通信协议的转换器，或混合协议交换器，或中继器。

附图说明

图1为本发明的结构示意图：

图2为本发明中交换端口控制模块的结构示意图；

图3为本发明中接口控制模块的结构示意图；

图4为本发明中数据帧的格式的结构示意图；

图5为本发明中交换机状态帧数据段的结构示意图。

图中：101为全局多路总线选通控制模块；102为全局寄存器控制模块；103-110均为交换端口控制模块；111为交换控制模块；112为存储模块；201为接口控制模块；202为局部寄存器控制模块；203为UART通信控制器模块；204为CAN通信控制器模块；205为HDLC通信控制器模块；206为高速422通信控制器模块；207为高速485通信控制器模块；208为串行数据选通控制模块；301为多路总线选通控制模块；302为缓存控制模块；303为发送数据缓存模块；304为接收数据缓存模块；305为交换机状态数据缓存模块；401为帧头；402为帧长度；403为帧类型；404为帧序列号；405为接收地址；406为发送地址；407为数据；408为校验；409为帧尾；501为交换机设备地址；502为端节点接收状态；503为通信控制器接收错误计数；504为帧头错误计数；505为帧长度错误计数；506为帧类型错误计数；507为序列号错误计数；508为帧校验错误计数；509为帧尾错误计数。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。

本发明提供了一种基于自定义交换策略的多协议通信交换控制器，如图1所示，包括全局多路总线选通控制模块101，全局多路总线选通控制模块101与全局寄存器控制模块102通信连接；全局多路总线选通控制模块101与多个交换端口控制模块通信连接；且多个交换端口控制模块与交换控制模块111连接；交换控制模块111与存储模块112连接。

其中全局多路总线选通控制模块101将1路wishbone总线接口转换为n路wishbone总线接口，n路wishbone总线接口分别与全局寄存器控制模块102和n-1个交换端口控制模块连接。如图1所示，该实施例中设置有8个交换端口控制模块，因此全局多路总线选通控制模块101将1路wishbone总线接口转换为9路wishbone总线接口，9路wishbone总线接口分别与全局寄存器控制模块102和8个交换端口控制模块103-110连接。全局寄存器控制模块102用于配置本发明通信交换控制器的全局寄存器，包括交换机设备的地址。

其中交换控制模块111，负责各个交换端口控制模块的数据帧的路由查询和数据交换存储控制，通过获取交换机内部状态信息，并组成交换机状态帧数据。

其中存储模块112，存储交换端口控制模块的单播数据帧、多播数据帧和广播数据帧。如图1所示，存储模块包含9个RAM存储模块，其中8个RAM存储模块分别存储8个交换端口控制模块的单播数据帧，1个RAM存储所有多播数据帧和广播数据帧。

交换端口控制模块，负责交换端口控制模块进行五种通信协议控制器的切换，还包括端节点数据帧和端节点状态帧的过滤、接收和转发，交换机状态帧的产生、发送、过滤和接收，以及上述三种帧的发送仲裁控制。如图2所示，交换端口控制模块包括接口控制模块201，与接口控制模块201通信连接的局部寄存器控制模块202、UART通信控制器模块203、CAN通信控制器模块204、HDLC通信控制器模块205、高速422通信控制器模块206和高速485通信控制器模块207；其中上述201-207模块分别还与串行数据选通控制模块208连接。

其中，局部寄存器控制模块202用于配置该交换端口控制模块的局部寄存器，包括交换端口的通信协议的选择。

其中，UART通信控制器模块203实现异步串口UART通信协议，实现串行数据的发送和接收，包括配置接口、发送接口和接收接口。

其中，CAN通信控制器模块204实现CAN通信协议，实现串行数据的发送和接收，还包括配置接口、发送接口和接收接口。

其中，HDLC通信控制器模块205实现同步串口HDLC通信协议，实现串行数据的发送和接收，还包括配置接口、发送接口和接收接口。

其中，高速422通信控制器模块206实现自定义高速422通信协议，实现串行数据的发送和接收，还包括配置接口、发送接口和接收接口。

其中，高速485通信控制器模块207实现自定义高速485通信协议，实现串行数据的发送和接收，还包括配置接口、发送接口和接收接口。

串行数据选通控制模块208，实现对串行发送数据和串行接收数据的选通，并且选择上述五种通信控制器中的一个进行发送和接收。

如图3所示，接口控制模块201包括多路总线选通控制模块301，多路总线选通控制模块301与缓存控制模块302连接，缓存控制模块302与发送数据缓存模块303、接收数据缓存模块304和交换机状态数据缓存模块305均连接。

其中，多路总线选通控制模块301根据不同的物理地址空间将该交换端口控制模块接入的1路wishbone总线接口转换为6路wishbone总线接口，外部处理器通过该6路wishbone总线接口分别对局部寄存器模块202以及其他五种通信控制器203-207进行配置，并且完成对五种通信控制器对应的协议数据的读出或写入。

其中，缓存控制模块302完成对发送数据、接收数据和交换机状态数据三种数据的读或写控制，对发送数据组帧和校验计算，对接收数据过滤和校验计算；其中交换机状态数据来自交换控制模块111。

其中，发送数据缓存模块303用于存储需要转发的数据，该数据来自存储模块112，该数据包括端节点数据帧和端节点状态帧；通过多路总线选通控制模块301和缓存控制模块302写入上述五种通信控制器中的一个。

其中，接收数据缓存模块304用于存储接收数据，该数据包括端节点数据帧和端节点状态帧；且该数据来自上述五种通信控制器中的一个，并且通过多路总线选通控制模块301和缓存控制模块302写入存储模块112。

其中，交换机状态数据缓存模块305存储交换机状态帧数据，并且通过多路总线选通控制模块301和缓存控制模块302发送到上述五种通信控制器模块中的一个。

针对本发明的通信交换控制器中具有五种通信控制器，因此本发明设置了一种能够进行数据交换功能的帧格式。如图4所示，该帧格式按照顺序依次包括帧头401、帧长度402、帧类型403，帧序列号404，接收地址405，发送地址406，数据407和校验408和帧尾409。

其中，帧头401为可配置的1-4个字节；帧长度402包括可配置的1-2个字节，帧长度402的最大值为2058字节，是帧类型403、帧序列号404、接收地址405、发送地址406、数据407和校验408的长度总和。帧类型403为1个字节，可自行对三种帧分别进行定义；例如使用0x81表示端节点数据帧，0x82表示端节点状态帧，0x83表示交换机状态帧，其他表示无效帧；帧序列号404，是0个字节或1个字节，0字节表示该字段没有，1字节表示该字段有，且范围是0至255，依次递增，循环变化；接收地址405，是2个字节，第1个字节的0位～6位表示7个多播域，第7位表示广播域，第2个字节的范围是0至255，表示256个设备地址；发送地址406，是2个字节，第1个字节的0位～6位表示7个多播域，第7位表示广播域，第2个字节的范围是0至255，表示256个设备地址；数据407，是传输数据，最大是2048字节；校验408，是校验和，1个字节或者2字节，包含两种校验方式累加和校验和CRC校验，累加和校验时是1个字节，CRC校验时是2个字节；帧尾409为可配置的0-4个字节，为0字节时，表示该字段没有。

其中，端节点数据帧用于传输数据，由端节点产生。端节点状态帧用于故障诊断和动态路由，该帧的数据段包含2个字节，该帧是一个广播帧，由端节点产生，定时发送，仅用于其他端节点判断该端节点是否处于正常状态；如果其他端节点长时间没有收到该端节点的端节点状态帧，则认为该端节点故障或不存在，将停止对该节点的数据发送；该帧也可以用于生成动态路由信息，交换机长时间没有收到该端节点的端节点状态帧，则认为该端节点故障或不存在，将会删除该端节点的路由信息。

交换机状态帧用于流量控制和故障诊断，交换机状态帧的数据段如图5所示，其包括交换机设备地址501，端节点接收状态502，通信控制器接收错误计数503，帧头错误计数504，帧长度错误计数505，帧类型错误计数506，序列号错误计数507，帧校验错误计数508和帧尾错误计数509。

其中，交换机设备地址501包含1个字节，表示交换机的设备地址，每个交换机的设备地址不同，该设备地址在全局寄存器控制模块102中能够进行设置。端节点接收状态502包含32个字节，能够表示256个端节点的设备地址状态是否能够接收，采用高位有效方式，例如第5位为1，则表示设备地址为5的端节点存在且具备可接收状态。通信控制器接收错误计数503包含1个字节，表示交换端口控制模块中五个通信控制器接收过程中产生的错误，每产生一次错误，通信控制器接收错误计数503加1，其最大计数为255。帧头错误计数504包含1个字节，表示交换机端口控制模块中对接收数据帧头过滤时产生的错误，每产生一次错误，帧头错误计数504加1，其最大计数为255。帧长度错误计算505，包括1个字节，表示交换端口控制模块中接收数据帧长度过滤产生的错误，帧长度等于0或者大于2058表示帧长度错误，每产生一次错误，帧长度错误计算505加1，最大计数为255。帧类型错误计数506包含1个字节，表示交换端口控制模块中对接收数据帧类型滤过时产生的错误，每产生一次错误，帧类型错误计数506加1，最大计数为255。序列号错误计数507包含一个字节，表示交换端口控制模块对接收数据帧检验过滤时产生的错误，每产生一次错误，序列号错误计数507加1，最大计数为255。帧校验错误计数508包含1个字节，表示交换端口控制模块对帧校验过滤产生的错误，每产生一次错误，帧校验错误计数508加1，最大计数为255。帧尾错误计数509包含1个字节，表示交换端口控制模块对接收数据帧尾过滤时产生的错误，每产生一次错误，帧尾错误计数509加1，最大计数为255。

本发明一种基于自定义交换策略的多协议通信交换控制器，其进行多个通信协议转换和相应的数据转换的过程是：第一：根据需要配置多个交换端口控制模块，如图1所示的结构，需要配置8个交换端口控制模块的协议，8个交换端口控制模块可以互不相同，同一个接口发送和接收可以选择不同的协议，并且通过相应的通信控制器发送和接收。第二：多路总线选通控制模块301和缓存控制模块302将相应的通信控制器接收到的数据线进行过滤，将有效的帧数据存放在接收数据缓存模块304中，并且通知交换控制模块111；例如，选定交换端口控制模块103采用UART通信协议进行接收数据，交换端口控制模块103的接口控制模块201通过多路总线选通控制模块301选定UART通信控制器模块203进行接收数据。第三：交换控制模块111通过对8个交换端口控制模块进行轮询检测接口的接收缓存是否存在有效数据。第四：根据交换端口控制模块接收缓存数据的接收地址中的广播域、多播域和设备地址，查询路由表，将数据从交换端口控制模块接收缓存中搬移到112大容量存储模块中对应的RAM，负责各端口数据帧的路由查询、数据交换存储控制。第五：交换控制模块111通过对储模块112中的9个RAM进行轮询检查是否有需要转发的数据，再检测需要转发的交换端口控制模块缓存是否都为空。第六：当存在转发数据时，且待转发的所有交换机端口控制模块的缓存都为空，交换控制模块111将数据从存储模块112的RAM搬移到对应的交换端口控制模块的发送缓存。第七：相应的交换端口控制模块对应的交换端口控制模块的多路总线选通控制模块301和缓存控制模块302根据相应的通信控制器发送缓存状态以及交换端口控制模块发送缓存状态，将发送缓存中的数据搬移到通信控制器中，通过相应的通信协议控制将数据发送出去。

本发明的多协议通信交换控制器进行流量控制和故障诊断的过程为：第一，缓存控制模块302对8个交换端口控制模块的故障信息进行收集，包括接收数据帧错误类型，丢帧情况，过滤情况和缓存容量大小状态等。第二，缓存控制模块302对收集到的故障信息定时进行组帧，将组帧数据存放在交换端口控制模块中的交换机状态数据缓存模块305中。第三，缓存控制模块302将交换机状态数据缓存模块305中的数据搬移到相应的通信控制器中，通过通信控制器将数据发送出去。第四，网络中的通信端节点接收到交换机状态帧后，根据帧信息判断缓存容量大小，进而决定是否要继续发送数据，这样就能达到流量控制的目的。第五，网络中的通信端节点接收到交换机状态帧后，根据数据帧错误类型，丢帧情况和过滤情况，得知网络中的故障状态，这样就能达到故障诊断的目的。

本发明多协议通信交换控制器中采用的UART通信控制器模块203、CAN通信控制器模块204、HDLC通信控制器模块205、高速422通信控制器模块206和高速485通信控制器模块207均为现有的产品。本发明将上述五种通信协议的适用领域拓展到数据交换领域，大大提高了五种通信协议的适用范畴，解决了交换机内部数据拥塞的问题，并且能够对交换机网络中的故障进行监控。

根据本发明提供的技术方案，使用Verilog HDL语言对本发明的多协议通信交换控制器的逻辑设计进行描述，并完成逻辑综合与布局布线；并将该交换机逻辑设计映射到可编程逻辑器件中实现，并对交换机的功能进行测试。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 (7)

1.一种基于自定义交换策略的多协议通信交换控制器，其特征在于，包括：

全局多路总线选通控制模块(101)，将1路wishbone总线接口转换成n路wishbone总线接口，n路wishbone总线接口分别与全局寄存器控制模块(102)和n-1个交换端口控制模块连接；

全局寄存器控制模块(102)，与全局多路总线选通控制模块(101)连接，用于配置该控制器的全局寄存器；

交换端口控制模块，进行五种通信协议控制器的切换，对端节点数据帧和端节点状态帧的过滤、接收和转发，对交换机状态帧的产生、发送、过滤和接收，还包括对上述三种帧的发送仲裁控制；

交换控制模块(111)，对交换端口控制模块进行路由查询和数据交换存储控制，同时获取交换机内部状态信息，并产生交换机状态帧；

存储模块(112)，存储交换端口控制模块的单播数据帧、多播数据帧和广播数据帧；

所述交换端口控制模块包括：接口控制模块(201)，完成交换端口控制模块内部多路总线选通、内部发送缓存和接收缓存的控制，发送数据组帧和校验计算，接收数据的过滤和校验计算；

局部寄存器控制模块(202)，与接口控制模块(201)连接，配置交换端口控制模块内的局部寄存器；

与接口控制模块(201)连接的UART通信控制器模块(203)、CAN通信控制器模块(204)、HDLC通信控制器模块(205)、高速422通信控制器模块(206)、高速485通信控制器模块(207)；

串行数据选通控制模块(208)，完成对串行发送数据和串行接收数据的选通，并且选择上述五种通信协议控制器中的一种，然后实现对串行发送数据的发送和对串行接收数据的接收；

所述接口控制模块(201)包括：多路总线选通控制模块(301)，将1路wishbone总线接口转换成6路wishbone总线接口，分别对相应的局部寄存器模块和五种通信协议控制器进行配置。

2.根据权利要求1所述的基于自定义交换策略的多协议通信交换控制器，其特征在于，所述接口控制模块(201)还包括：

缓存控制模块(302)，完成对发送数据、接收数据和交换机状态数据进行读或写控制，对发送数据组帧和校验计算，对接收数据过滤和校验计算，交换机状态数据来自交换控制模块(111)；

发送数据缓存模块(303)，存储需要转发的数据，数据包括端节点数据帧和端节点状态帧；且数据来自存储模块(112)，通过多路总线选通控制模块(301)和缓存控制模块(302)发送到五种通信控制器模块中的一个；

接收数据缓存模块(304)，存储接收的数据，数据包括端节点数据帧和端节点状态帧；且数据来自五种通信控制器模块中的一个，通过多路总线选通控制模块(301)和缓存控制模块(302)写入存储模块(112)中；

交换机状态数据缓存模块(305)，存储交换机状态帧数据，通过多路总线选通控制模块(301)和缓存控制模块(302)发送到五种通信控制器模块中的一个。

3.根据权利要求1所述的基于自定义交换策略的多协议通信交换控制器，其特征在于，所述端节点数据帧、端节点状态帧和交换机状态帧的帧格式具备数据交换功能；所述帧格式包括帧头(401)，帧长度(402)，帧类型(403)，帧序列号(404)，接收地址(405)，发送地址(406)，数据(407)，校验(408)和帧尾(409)；所述帧长度(402)是帧类型(403)、帧序列号(404)、接收地址(405)、发送地址(406)、数据(407)和校验(408)的长度总和；所述帧类型(403)对应端节点数据帧、端节点状态帧或交换机状态帧。

4.根据权利要求3所述的基于自定义交换策略的多协议通信交换控制器，其特征在于，所述端节点数据帧用于传输数据。

5.根据权利要求3所述的基于自定义交换策略的多协议通信交换控制器，其特征在于，所述端节点状态帧为广播帧，用于故障诊断和动态路由。

6.根据权利要求3所述的基于自定义交换策略的多协议通信交换控制器，其特征在于，所述交换机状态帧用于流量控制和故障诊断。

7.根据权利要求6所述的基于自定义交换策略的多协议通信交换控制器，其特征在于，所述交换机状态帧包括交换机设备地址(501)，端节点接收状态(502)，通信控制器接收错误计数(503)，帧头错误计数(504)，帧长度错误计数(505)，帧类型错误计数(506)，序列号错误计数(507)，帧校验错误计数(508)和帧尾错误计数(509)。

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