CN110035022B - 基于时间触发架构下的afdx交换方法及交换机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间触发架构下的AFDX交换方法，包含建立信息表；接收数据帧后查找信息表，取该数据帧的接收校验信息，帧类别以及转发信息；根据帧类别区分数据帧按时间触发方式接收转发和流量控制方式接收转发，同时按照两种不同转发方式提取各自对应的参数。本发明还公开根据上述AFDX交换方法建立的AFDX交换机。本发明实现数据帧在交换机中固定的转发时延，提高网络系统通信的确定性。

Description

基于时间触发架构下的AFDX交换方法及交换机

【技术领域】

本发明属于航空电子系统中的机载总线通信技术领域，特别涉及时间触发通信架构下的航空电子全双工通信以太网AFDX的交换机以及交换方法。

【背景技术】

随着航空电子领域的传感器技术高速发展，机载飞机系统集成的传感器的种类和数量越来越多，系统用户对不同传感器数据的传输需求特性不用，就要求航空电子通信能够面向不同安全关键性和实时性的分布式通信。传统的航空机载通信网络如光纤以太网、AFDX以及FC采用基于事件触发通信机制的网络，由于其随机接入传输的方式导致传输竞争，不可避免的给系统带来不可控的延时和抖动，无法满足不同时间安全关键性需求的应用。基于时钟同步基础的时间触发通信机制为提高机载总线的确定性和实时性提供了契机，交换式的时间触发网络属于时间触发架构下的航空机载总线，通过分布式时间同步算法为网络建立全局同步时钟，在全局同步时钟基础上，通过TDMA划分通信带宽，实现数据帧基于全局时钟分配的接收时隙的流量管理和基于发送时隙的时间触发转发传调度，TDMA分配的时隙根据通信流的ID与数据帧绑定，保证无竞争的时间触发通信，满足不同时间关键性等级的应用任务集成。

时间触发网络通信网络采用时间触发通信机制，能够实现在规定时间序列内完成数据的收发，具有很高的确定性和可靠性。时间触发架构下兼容事件触发和时间触发两种引导方式，时间触发解决消息对链路的共享冲突，消息的传输具有严格确定性。在时间触发网络的千兆AFDX交换机产品中设计按时间窗口输入接收和按时间窗口输出调度，提高了交换网络系统中通信传输的安全性和确定性的能力。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种基于时间触发架构下的千兆AFDX交换方法以及AFDX交换机，用以解决现有通信机制采用随机接入传输的方式导致数据在转发端口传输竞争导致给系统通信带来不可控的延时和抖动，从而无法满足不同时间安全关键性需求的问题，本方案设计的时间触发架构下的千兆AFDX交换转发实现数据帧在交换机中固定的转发时延，提高网络系统通信的确定性。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于时间触发架构下的AFDX交换方法，包含如下步骤：

步骤1、建立第一信息表、第二信息表、第三信息表并写入交换机；其中，第一信息表中包含虚拟逻辑链路VL的ID号、VL索引号、数据类别标识；第二信息表中包含每个VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号；第三信息表中包含每个VL索引号的接收时隙开始时刻点偏移、接收时隙结束时刻点偏移、发送时隙开始时刻点偏移、发送时隙结束时刻点偏移以及时间触发TT帧的VL的同步周期的倍数值、流量控制RC帧的VL的信用量值、信用量余量；

步骤2、完成交换机的时间同步，建立TT调度周期；

步骤3、数据帧通过交换机端口进入交换机后，记录该端口当前的调度簇周期的计时时刻点recv_start_pit，提取数据帧中VL的ID号，通过该ID号查第一信息表获取该数据帧对应的数据类型和VL索引号，若数据类型为TT，则进入步骤4-1，若数据类型为RC，则进入步骤4-2；

步骤4-1、提取第二信息表中该VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号，以及提取第三信息表中TT VL的接收时隙开始时刻点偏移、接收时隙结束时刻点偏移、发送时隙开始时刻点偏移、发送时隙结束时刻点偏移以及TT VL的同步周期的倍数值；在TT调度周期的计时轴上以接收时隙开始时刻点偏移为中心点，前后各开辟一个网络同步精度的浮动窗口，同时以接收时隙结束时刻点偏移为中心点，前后各开辟一个网络同步精度的浮动窗口，得到新的接收校验时隙；通过当前数据帧对应的调度簇周期的计时时刻点recv_start_pit、以及查表获取的同步周期的倍数值和同步周期，计算当前数据帧在TT调度周期中对应的时刻点＝调度簇周期的计时时刻点/(同步周期的倍数值*同步周期)，用当前数据帧在TT调度周期中对应的时刻点计算后取余的值作为该数据帧的到达时刻点，将该到达时刻点到该数据帧接收完成的时刻点的持续时间定义为一个帧接收持续时隙；判断帧接收持续时隙是否落在接收校验时隙的范围内，落在范围内则正常接收并准备请求转发，落在范围外则直接丢弃；

步骤4-2：提取第二信息表中该VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号，以及提取第三信息表中RC VL的作为数据帧流量控制的信用量值和信用量余量，若信用量余量大于当前数据帧的信用量值，则直接接收数据帧，并将信用量余量减去当前数据帧的信用量值的剩值写回到第三信息表，否则将该数据帧丢弃，信用量余量保持不变；

步骤5：将接收的数据帧的转发信息组织为一个帧元素存放到预存储转发信息队列中进行统一调度；

步骤6：在交换机的转发端口建立TT帧和RC帧两个类别的转发调度信息缓冲队列；在接收的数据帧对应的接收端口分配的共享缓存写操作的时间片上，通过判断该数据帧的转发端口对应类别的转发调度信息缓冲队列和数据帧外部缓存是否同时存在可用空间，空间可用则将该数据帧存入到数据帧外部缓存并将该数据帧的帧元素从预存储转发信息队列调入到转发调度信息缓冲队列中；

步骤7：转发端口在分配的共享缓存读时间片上首先调度时间触发数据帧，当时间触发数据帧的转发调度信息缓冲队列非空，输出该转发调度信息缓冲队列的一帧元素；将调度簇周期计时值与帧元素的VL调度周期相除取余作为TT帧转发调度使能的计时值，该计时值计时到达帧元素中时间窗口的起始时刻且转发端口的MAC接口空闲，则根据帧元素中数据缓存地址和数据长度取出该数据帧的内容拷贝到MAC层TT帧的转发缓冲区由PHY收发器转发到物理链路，同时在时间触发帧信息输出到帧时间窗口到达之前允许调度RC帧的转发。

进一步，步骤2包含以下步骤：

步骤2-1、在同步逻辑工作有效情况下，根据同步周期配置寄存器定义的周期值在每个同步周期的计时起始时刻点产生一个脉冲，用于计算每条接收TT帧对应VL的TT调度周期；

步骤2-2：在网络同步功能获取的全局同步时钟计时基础上，按照前述的TT调度周期进行数据交换；

步骤2-3：设定一个簇周期计数器循环从零记到调度簇周期包含的同步周期的倍数值-1，该簇周期计数器在每个同步周期计时起始时刻点产生的脉冲下自加1；调度簇周期的当前计时值在基于交换机的本地时钟基础上计时并循环从0计时到调度簇周期值-1，同时在每个同步周期计时起始时刻点产生的脉冲下更新该调度簇周期当前计时值等于簇周期计数器值与同步周期的乘积。

本发明的另一目的所提供一种基于时间触发架构下的AFDX交换机，包含交换管理处理器CPU、FPGA电路、PHY收发器和数据帧外部缓存；

所述交换管理处理器CPU解析外部导入的配置信息表，并将配置信息表转换成第一信息表、第二信息表、第三信息表；其中，第一信息表中包含虚拟逻辑链路VL的ID号、VL索引号、数据类别标识；第二信息表中包含每个VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号；第三信息表中包含每个VL索引号的接收时隙开始时刻点偏移、接收时隙结束时刻点偏移、发送时隙开始时刻点偏移、发送时隙结束时刻点偏移以及时间触发TT帧的VL的同步周期的倍数值、流量控制RC帧的VL的信用量值、信用量余量；

FPGA电路包含基于时间触发数据通信的交换逻辑、基于流量控制数据通信的交换逻辑、数据流基于共享缓存分时转发的功能逻辑、预存储转发信息队列、TT帧的转发调度信息缓冲队列、RC帧的转发调度信息缓冲队列、MAC层TT帧的转发缓冲区、MAC层RC帧的转发缓冲区、接收端口的双口缓存区、转发配置路由表存储器；其中：

转发配置路由表存储器中存储了第一信息表、第二信息表和第三信息表；

基于时间触发数据通信的交换逻辑用于完成交换机的时间同步，建立TT调度周期；数据帧通过交换机端口进入交换机后存入接收端口的双口缓存中，记录该端口当前的调度簇周期的计时时刻点recv_start_pit，提取数据帧中VL的ID号，通过该ID号查第一信息表获取该数据帧对应的数据类型和VL索引号，若数据类型为RC，将则数据帧交给基于流量控制数据通信的交换逻辑；若数据类型为TT，则提取第二信息表中该VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号，以及提取第三信息表中TT VL的接收时隙开始时刻点偏移、接收时隙结束时刻点偏移、发送时隙开始时刻点偏移、发送时隙结束时刻点偏移以及TTVL的同步周期的倍数值；在对应的虚拟逻辑链路调度周期计时轴以接收时隙开始时刻点偏移为中心点，前后各开辟一个网络同步精度的浮动窗口，同时以接收时隙结束时刻点偏移为中心点，前后各开辟一个网络同步精度的浮动窗口，得到新的接收校验时隙；通过当前数据帧对应的调度簇周期的计时时刻点recv_start_pit、以及查表获取的同步周期的倍数值和同步周期，计算当前数据帧在其调度周期中对应的时刻点＝调度簇周期的计时时刻点/(同步周期的倍数值*同步周期)，用当前输入帧在其调度周期中对应的时刻点计算后取余的值作为该数据帧的到达时刻点，将该到达时刻点到该数据帧接收完成的时刻点的持续时间定义为一个帧接收持续时隙；判断帧接收持续时隙是否落在接收校验时隙的范围内，落在范围内则正常接收并准备请求转发，落在范围外则直接丢弃；将接收的数据帧的转发信息组织为一个帧元素存放到预存储转发信息队列中进行统一调度；

基于流量控制数据通信的交换逻辑用于根据数据帧的VL索引号提取第二信息表中该VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号，以及提取第三信息表中RC VL的作为数据帧流量控制的信用量值和信用量余量，若信用量余量大于当前数据帧的信用量值，则直接接收数据帧，并将信用量余量减去当前数据帧的信用量值的剩值写回到第三信息表，否则将该数据帧丢弃，信用量余量保持不变；将接收的数据帧的转发信息组织为一个帧元素存放到预存储转发信息队列中进行统一调度；

所述数据流基于共享缓存分时转发的功能逻辑用于在接收的数据帧对应的接收端口分配的共享缓存写操作的时间片上，通过判断该数据帧的转发端口对应类别的转发调度信息缓冲队列和数据帧外部缓存是否同时存在可用空间，空间可用则将该数据帧存入到数据帧外部缓存并将该数据帧的帧元素从预存储转发信息队列调入到转发调度信息缓冲队列中；在分配的共享缓存读时间片上首先调度时间触发数据帧，当时间触发数据帧的转发调度信息缓冲队列非空，输出该转发调度信息缓冲队列的一帧元素；将调度簇周期计时值与帧元素的VL调度周期相除取余作为TT帧转发调度使能的计时值，该计时值计时到达帧元素中时间窗口的起始时刻且转发端口的MAC接口空闲，则根据帧元素中数据缓存地址和数据长度取出该数据帧的内容拷贝到MAC层TT帧的转发缓冲区由PHY收发器转发到物理链路，同时在时间触发帧信息输出到帧时间窗口到达之前允许调度RC帧的转发。

与现有技术相比较，本发明提供的时间触发架构下的千兆AFDX交换机的各端口上实现基于VL分配的接收时隙和发送时隙来无竞争和无抖动的交换转发功能，保证了时间触发网络中数据流的安全性和确定性传输能力，较好的适用于航空电子系统的不同安全关键性和安全性相关的分布式跨网络的通信应用。

本发明提供的时间触发架构下的千兆AFDX交换技术作为时间触发网络的核心技术之一，通过提供一种通用的基于时间窗口校验和基于时间窗口转发的设计实现，有效地推进时间触发网络发展，在网络传输安全性上和数据服务的确定性提供了较好的保障，并且极大的丰富了在安全性要求高的机载任务系统、高铁控制系统以及工业现场控制等应用场合网络选型等环节的方法；同时本发明的应用独立于硬件平台，适用范围广，具有显著的市场前景和经济效益。

【附图说明】

图1为基于时间触发架构下的AFDX交换机的结构示意图

【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。

在实施本实施例所示的基于时间触发架构下的AFDX交换方法前需先设计好交换机的交换规则，包含设定好设定时间触发TT帧的虚拟逻辑链路的ID号和流量控制RC帧的虚拟逻辑链路的ID号，并设定虚拟逻辑链路承载传输的数据流的调度周期、通信类型和传输帧长以及在交换机转发对应的输入端口和转发端口，同时针对TT VL约束该数据流在交换机上离线分配的接收和发送时隙长度(SLOT)均为对应虚拟逻辑链路上最大帧传输时延加上非时隙最大帧传输时延之和，并根据RC VL配置的流控周期和通信抖动设置用于交换机接收流控的信用量初始值。TT VL定义通信和配置规则：每条TT VL调度在其TT调度周期分配唯一的时隙实现一次数据接收和转发，规定所有TT VL的通信调度周期为同步周期的整数倍；TT VL在交换机端的输入/输出时隙相对于TT调度周期的起始计时时刻点的偏移表示，包括时隙开始时刻点偏移和结束时刻点偏移，持续时间为结束时刻点偏移与时隙开始时刻点偏移之差，这些参数都将与虚拟逻辑链路绑定。将TT和RC VL通信配置生成统一的配置二进制文件。

本实施例所示的基于时间触发架构下的AFDX交换方法包含如下步骤：

步骤1、解析二进制文件，建立第一信息表、第二信息表、第三信息表并写入交换机；其中，第一信息表中包含虚拟逻辑链路VL的ID号、VL索引号、数据类别标识；第二信息表中包含每个VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号；第三信息表中包含每个VL索引号的接收时隙开始时刻点偏移、接收时隙结束时刻点偏移、发送时隙开始时刻点偏移、发送时隙结束时刻点偏移以及时间触发TT帧的VL的同步周期的倍数值、流量控制RC帧的VL的信用量值、信用量余量。

步骤2、完成交换机的时间同步，建立TT调度周期。包含以下内容：

步骤2-1、在同步逻辑工作有效情况下，根据同步周期配置寄存器定义的周期值在每个同步周期的计时起始时刻点产生一个脉冲，用于计算每条接收TT帧对应VL的TT调度周期；

步骤2-2：在网络同步功能获取的全局同步时钟计时基础上，按照前述的TT调度周期进行数据交换；

步骤2-3：设定一个簇周期计数器循环从零记到调度簇周期包含的同步周期的倍数值-1，该簇周期计数器在每个同步周期计时起始时刻点产生的脉冲下自加1；调度簇周期的当前计时值在基于交换机的本地时钟基础上计时并循环从0计时到调度簇周期值-1，同时在每个同步周期计时起始时刻点产生的脉冲下更新该调度簇周期当前计时值等于簇周期计数器值与同步周期的乘积。

步骤3、数据帧通过交换机端口进入交换机后，记录该端口当前的调度簇周期的计时时刻点recv_start_pit，提取数据帧中VL的ID号，通过该ID号查第一信息表获取该数据帧对应的数据类型和VL索引号，若数据类型为TT，则进入步骤4-1，若数据类型为RC，则进入步骤4-2。(步骤4-1与步骤4-2选择一个执行)

步骤4-1、提取第二信息表中该VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号，以及提取第三信息表中TT VL的接收时隙开始时刻点偏移、接收时隙结束时刻点偏移、发送时隙开始时刻点偏移、发送时隙结束时刻点偏移以及TT VL的同步周期的倍数值；在TT调度周期的计时轴上以接收时隙开始时刻点偏移为中心点，前后各开辟一个网络同步精度的浮动窗口，同时以接收时隙结束时刻点偏移为中心点，前后各开辟一个网络同步精度的浮动窗口，得到新的接收校验时隙；通过当前数据帧对应的调度簇周期的计时时刻点recv_start_pit、以及查表获取的同步周期的倍数值和同步周期，计算当前数据帧在TT调度周期中对应的时刻点＝调度簇周期的计时时刻点/(同步周期的倍数值*同步周期)，用当前数据帧在TT调度周期中对应的时刻点计算后取余的值作为该数据帧的到达时刻点，将该到达时刻点到该数据帧接收完成的时刻点的持续时间定义为一个帧接收持续时隙；判断帧接收持续时隙是否落在接收校验时隙的范围内，落在范围内则正常接收并准备请求转发，落在范围外则直接丢弃；

步骤4-2：提取第二信息表中该VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号，以及提取第三信息表中RC VL的作为数据帧流量控制的信用量值和信用量余量，若信用量余量大于当前数据帧的信用量值，则直接接收数据帧，并将信用量余量减去当前数据帧的信用量值的剩值写回到第三信息表，否则将该数据帧丢弃，信用量余量保持不变；

步骤5：将接收的数据帧的转发信息(转发端口信息、帧长度、优先级以及接收端口的双口缓冲区存放地址)组织为一个帧元素存放到预存储转发信息队列中进行统一调度；

步骤6：在交换机的转发端口建立TT帧和RC帧两个类别的转发调度信息缓冲队列；在接收的数据帧对应的接收端口分配的共享缓存写操作的时间片上，通过判断该数据帧的转发端口对应类别的转发调度信息缓冲队列和数据帧外部缓存是否同时存在可用空间，空间可用则将该数据帧存入到数据帧外部缓存并将该数据帧的帧元素从预存储转发信息队列调入到转发调度信息缓冲队列中；

步骤7：转发端口在分配的共享缓存读时间片上首先调度时间触发数据帧，当时间触发数据帧的转发调度信息缓冲队列非空，输出该转发调度信息缓冲队列的一帧元素；将调度簇周期计时值与帧元素的VL调度周期相除取余作为TT帧转发调度使能的计时值，该计时值计时到达帧元素中时间窗口的起始时刻且转发端口的MAC接口空闲，则根据帧元素中数据缓存地址和数据长度取出该数据帧的内容拷贝到MAC层TT帧的转发缓冲区由PHY收发器转发到物理链路，同时在时间触发帧信息输出到帧时间窗口到达之前允许调度RC帧的转发。

为实现上述交换方法，本实施例还提供一种实现上述方法的AFDX交换机，包含交换管理处理器CPU、FPGA电路、PHY收发器和数据帧外部缓存。

所述交换管理处理器CPU解析外部导入的配置信息表，并将配置信息表转换成第一信息表、第二信息表、第三信息表通过local bus总线写入到fpga的转发配置路由表存储器。其中，第一信息表中包含虚拟逻辑链路VL的ID号、VL索引号、数据类别标识；第二信息表中包含每个VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号；第三信息表中包含每个VL索引号的接收时隙开始时刻点偏移、接收时隙结束时刻点偏移、发送时隙开始时刻点偏移、发送时隙结束时刻点偏移以及时间触发TT帧的VL的同步周期的倍数值、流量控制RC帧的VL的信用量值、信用量余量。

FPGA电路包含基于时间触发数据通信的交换逻辑、基于流量控制数据通信的交换逻辑、数据流基于共享缓存分时转发的功能逻辑、预存储转发信息队列、TT帧的转发调度信息缓冲队列、RC帧的转发调度信息缓冲队列、MAC层TT帧的转发缓冲区、MAC层RC帧的转发缓冲区、接收端口的双口缓存区、转发配置路由表存储器。

其中：

转发配置路由表存储器中存储了第一信息表、第二信息表和第三信息表。

基于时间触发数据通信的交换逻辑实现功能如下：

1)在同步逻辑工作有效情况下(交换机与网络系统建立和维护同步的状态)，根据同步周期配置寄存器定义的周期值在每个同步周期的计时起始时刻点产生一个脉冲，同时将同步周期值从交换机同步逻辑域传递给交换转发逻辑域，用于交换逻辑计算每条接收TT帧对应VL的TT调度周期；

2)在网络同步功能获取的全局同步时钟计时基础上，按照前述的虚拟逻辑链路机制定义数据流的通信调度周期进行数据交换。管理处理器通过loaclbus将三张信息表加载配置到交换机的静态路由地址列表中，每个地址存放对应逻辑链路的ID号的时隙信息偏移信息，包括时隙开始时刻点偏移、结束时刻点偏移以及同步周期的倍数值；

3)设定一个簇周期计数器循环从零记到调度簇周期包含的同步周期的倍数值-1，该计数器在每个同步周期计时起始时刻点产生的脉冲下自加1；调度簇周期的当前计时值在基于交换机的本地时钟基础上计时并循环从0计时到调度簇周期值-1，同时在每个同步周期计时起始时刻点产生的脉冲下更新该调度簇周期当前计时值等于簇周期计数器值与同步周期的乘积；

4)数据帧通过交换机端口进入交换机后存入接收端口的双口缓存中，记录该端口当前的调度簇周期的计时时刻点recv_start_pit，提取数据帧中VL的ID号，通过该ID号查第一信息表获取该数据帧对应的数据类型和VL索引号，若数据类型为RC，将则数据帧交给基于流量控制数据通信的交换逻辑；若数据类型为TT，则提取第二信息表中该VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号，以及提取第三信息表中TT VL的接收时隙开始时刻点偏移、接收时隙结束时刻点偏移、发送时隙开始时刻点偏移、发送时隙结束时刻点偏移以及TT VL的同步周期的倍数值；在对应的虚拟逻辑链路调度周期计时轴以接收时隙开始时刻点偏移为中心点，前后各开辟一个网络同步精度的浮动窗口，同时以接收时隙结束时刻点偏移为中心点，前后各开辟一个网络同步精度的浮动窗口，得到新的接收校验时隙；通过当前数据帧对应的调度簇周期的计时时刻点recv_start_pit、以及查表获取的同步周期的倍数值和同步周期，计算当前数据帧在其调度周期中对应的时刻点＝调度簇周期的计时时刻点/(同步周期的倍数值*同步周期)，用当前输入帧在其调度周期中对应的时刻点计算后取余的值作为该数据帧的到达时刻点，将该到达时刻点到该数据帧接收完成的时刻点的持续时间定义为一个帧接收持续时隙；判断帧接收持续时隙是否落在接收校验时隙的范围内，落在范围内则正常接收并准备请求转发，落在范围外则直接丢弃；将接收的数据帧的转发信息组织为一个帧元素存放到预存储转发信息队列中进行统一调度。

基于流量控制数据通信的交换逻辑用于根据数据帧的VL索引号提取第二信息表中该VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号，以及提取第三信息表中RC VL的作为数据帧流量控制的信用量值和信用量余量，若信用量余量大于当前数据帧的信用量值，则直接接收数据帧，并将信用量余量减去当前数据帧的信用量值的剩值写回到第三信息表，否则将该数据帧丢弃，信用量余量保持不变；将接收的数据帧的转发信息组织为一个帧元素存放到预存储转发信息队列中进行统一调度。

所述数据流基于共享缓存分时转发的功能逻辑用于在接收的数据帧对应的接收端口分配的共享缓存写操作的时间片上，通过判断该数据帧的转发端口对应类别的转发调度信息缓冲队列和数据帧外部缓存是否同时存在可用空间，空间可用则将该数据帧存入到数据帧外部缓存并将该数据帧的帧元素从预存储转发信息队列调入到转发调度信息缓冲队列中；在分配的共享缓存读时间片上首先调度时间触发数据帧，当时间触发数据帧的转发调度信息缓冲队列非空，输出该转发调度信息缓冲队列的一帧元素；将调度簇周期计时值与帧元素的VL调度周期相除取余作为TT帧转发调度使能的计时值，该计时值计时到达帧元素中时间窗口的起始时刻且转发端口的MAC接口空闲，则根据帧元素中数据缓存地址和数据长度取出该数据帧的内容拷贝到MAC层TT帧的转发缓冲区由PHY收发器转发到物理链路，同时在时间触发帧信息输出到帧时间窗口到达之前允许调度RC帧的转发。

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 (3)

1.一种基于时间触发架构下的AFDX交换方法，包含如下步骤：

步骤1、建立第一信息表、第二信息表、第三信息表并写入交换机；其中，第一信息表中包含虚拟逻辑链路VL的ID号、VL索引号、数据类别标识；第二信息表中包含每个VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号；第三信息表中包含每个VL索引号的接收时隙开始时刻点偏移、接收时隙结束时刻点偏移、发送时隙开始时刻点偏移、发送时隙结束时刻点偏移以及时间触发TT帧的VL的同步周期的倍数值、流量控制RC帧的VL的信用量值、信用量余量；

步骤2、完成交换机的时间同步，建立TT调度周期；

步骤3、数据帧通过交换机端口进入交换机后，记录该端口当前的通信簇周期的计时时刻点recv_start_pit，提取数据帧中VL的ID号，通过该ID号查第一信息表获取该数据帧对应的数据类型和VL索引号，若数据类型为TT，则进入步骤4-1，若数据类型为RC，则进入步骤4-2；

步骤4-1、提取第二信息表中该VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号，以及提取第三信息表中TT VL的接收时隙开始时刻点偏移、接收时隙结束时刻点偏移、发送时隙开始时刻点偏移、发送时隙结束时刻点偏移以及TT VL的同步周期的倍数值；在TT调度周期的计时轴上以接收时隙开始时刻点偏移为中心点，前后各开辟一个网络同步精度的浮动窗口，同时以接收时隙结束时刻点偏移为中心点，前后各开辟一个网络同步精度的浮动窗口，得到新的接收校验时隙；通过当前数据帧对应的通信簇周期的计时时刻点recv_start_pit、以及查表获取的同步周期的倍数值和同步周期，计算当前数据帧在TT调度周期中对应的时刻点＝通信簇周期的计时时刻点/(同步周期的倍数值*同步周期)，用当前数据帧在TT调度周期中对应的时刻点计算后取余的值作为该数据帧的到达时刻点，将该到达时刻点到该数据帧接收完成的时刻点的持续时间定义为一个帧接收持续时隙；判断帧接收持续时隙是否落在接收校验时隙的范围内，落在范围内则正常接收并准备请求转发，落在范围外则直接丢弃；

步骤4-2：提取第二信息表中该VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号，以及提取第三信息表中RC VL的作为数据帧流量控制的信用量值和信用量余量，若信用量余量大于当前数据帧的信用量值，则直接接收数据帧，并将信用量余量减去当前数据帧的信用量值的剩值写回到第三信息表，否则将该数据帧丢弃，信用量余量保持不变；

步骤5：将接收的数据帧的转发信息组织为一个帧元素存放到预存储转发信息队列中进行统一调度；

步骤6：在交换机的转发端口建立TT帧和RC帧两个类别的转发调度信息缓冲队列；在接收的数据帧对应的接收端口分配的共享缓存写操作的时间片上，通过判断该数据帧的转发端口对应类别的转发调度信息缓冲队列和数据帧外部缓存是否同时存在可用空间，空间可用则将该数据帧存入到数据帧外部缓存并将该数据帧的帧元素从预存储转发信息队列调入到转发调度信息缓冲队列中；

步骤7：转发端口在分配的共享缓存读时间片上首先调度时间触发数据帧，当时间触发数据帧的转发调度信息缓冲队列非空，输出该转发调度信息缓冲队列的一帧元素；将调度簇周期计时值与帧元素的VL调度周期相除取余作为TT帧转发调度使能的计时值，该计时值计时到达帧元素中时间窗口的起始时刻且转发端口的MAC接口空闲，则根据帧元素中数据缓存地址和数据长度取出该数据帧的内容拷贝到MAC层TT帧的转发缓冲区由PHY收发器转发到物理链路，同时在时间触发帧信息输出到帧时间窗口到达之前允许调度RC帧的转发。

2.根据权利要求1所述的一种基于时间触发架构下的AFDX交换方法，其特征在于所述步骤2包含以下步骤：

步骤2-1、在同步逻辑工作有效情况下，根据同步周期配置寄存器定义的周期值在每个同步周期的计时起始时刻点产生一个脉冲，用于计算每条接收TT帧对应VL的TT调度周期；

步骤2-2：在网络同步功能获取的全局同步时钟计时基础上，按照前述的TT调度周期进行数据交换；

步骤2-3：设定一个簇周期计数器循环从零记到调度簇周期包含的同步周期的倍数值-1，该簇周期计数器在每个同步周期计时起始时刻点产生的脉冲下自加1；调度簇周期的当前计时值在基于交换机的本地时钟基础上计时并循环从0计时到调度簇周期值-1，同时在每个同步周期计时起始时刻点产生的脉冲下更新该调度簇周期当前计时值等于簇周期计数器值与同步周期的乘积。

3.一种基于时间触发架构下的AFDX交换机，包含交换管理处理器CPU、FPGA电路、PHY收发器和数据帧外部缓存，其特征在于：

所述交换管理处理器CPU解析外部导入的配置信息表，建立第一信息表、第二信息表、第三信息表并写入交换机；其中，第一信息表中包含虚拟逻辑链路VL的ID号、VL索引号、数据类别标识；第二信息表中包含每个VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号；第三信息表中包含每个VL索引号的接收时隙开始时刻点偏移、接收时隙结束时刻点偏移、发送时隙开始时刻点偏移、发送时隙结束时刻点偏移以及时间触发TT帧的VL的同步周期的倍数值、流量控制RC帧的VL的信用量值、信用量余量；

FPGA电路包含基于时间触发数据通信的交换逻辑、基于流量控制数据通信的交换逻辑、数据流基于共享缓存分时转发的功能逻辑、预存储转发信息队列、TT帧的转发调度信息缓冲队列、RC帧的转发调度信息缓冲队列、MAC层TT帧的转发缓冲区、MAC层RC帧的转发缓冲区、接收端口的双口缓存区、转发配置路由表存储器；其中：

转发配置路由表存储器中存储了第一信息表、第二信息表和第三信息表；

基于时间触发数据通信的交换逻辑用于完成交换机的时间同步，建立TT调度周期；数据帧通过交换机端口进入交换机后存入接收端口的双口缓存中，记录该端口当前的调度簇周期的计时时刻点recv_start_pit，提取数据帧中VL的ID号，通过该ID号查第一信息表获取该数据帧对应的数据类型和VL索引号，若数据类型为RC，将则数据帧交给基于流量控制数据通信的交换逻辑；若数据类型为TT，则提取第二信息表中该VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号，以及提取第三信息表中TT VL的接收时隙开始时刻点偏移、接收时隙结束时刻点偏移、发送时隙开始时刻点偏移、发送时隙结束时刻点偏移以及TT VL的同步周期的倍数值；在对应的虚拟逻辑链路调度周期计时轴以接收时隙开始时刻点偏移为中心点，前后各开辟一个网络同步精度的浮动窗口，同时以接收时隙结束时刻点偏移为中心点，前后各开辟一个网络同步精度的浮动窗口，得到新的接收校验时隙；通过当前数据帧对应的调度簇周期的计时时刻点recv_start_pit、以及查表获取的同步周期的倍数值和同步周期，计算当前数据帧在其调度周期中对应的时刻点＝调度簇周期的计时时刻点/(同步周期的倍数值*同步周期)，用当前输入帧在其调度周期中对应的时刻点计算后取余的值作为该数据帧的到达时刻点，将该到达时刻点到该数据帧接收完成的时刻点的持续时间定义为一个帧接收持续时隙；判断帧接收持续时隙是否落在接收校验时隙的范围内，落在范围内则正常接收并准备请求转发，落在范围外则直接丢弃；将接收的数据帧的转发信息组织为一个帧元素存放到预存储转发信息队列中进行统一调度；

基于流量控制数据通信的交换逻辑用于根据数据帧的VL索引号提取第二信息表中该VL索引号对应的转发输入端口号和转发输出端口号，以及提取第三信息表中RC VL的作为数据帧流量控制的信用量值和信用量余量，若信用量余量大于当前数据帧的信用量值，则直接接收数据帧，并将信用量余量减去当前数据帧的信用量值的剩值写回到第三信息表，否则将该数据帧丢弃，信用量余量保持不变；将接收的数据帧的转发信息组织为一个帧元素存放到预存储转发信息队列中进行统一调度；

所述数据流基于共享缓存分时转发的功能逻辑用于在接收的数据帧对应的接收端口分配的共享缓存写操作的时间片上，通过判断该数据帧的转发端口对应类别的转发调度信息缓冲队列和数据帧外部缓存是否同时存在可用空间，空间可用则将该数据帧存入到数据帧外部缓存并将该数据帧的帧元素从预存储转发信息队列调入到转发调度信息缓冲队列中；在分配的共享缓存读时间片上首先调度时间触发数据帧，当时间触发数据帧的转发调度信息缓冲队列非空，输出该转发调度信息缓冲队列的一帧元素；将调度簇周期计时值与帧元素的VL调度周期相除取余作为TT帧转发调度使能的计时值，该计时值计时到达帧元素中时间窗口的起始时刻且转发端口的MAC接口空闲，则根据帧元素中数据缓存地址和数据长度取出该数据帧的内容拷贝到MAC层TT帧的转发缓冲区由PHY收发器转发到物理链路，同时在时间触发帧信息输出到帧时间窗口到达之前允许调度RC帧的转发。

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