CN110855582A - 兼容SpaceWire总线的时间触发以太网交换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼容SpaceWire总线的时间触发以太网交换装置，主要解决现有技术无法实现时间触发以太网与SpaceWire总线的数据交互问题。其包括多路数据交换通道，每一路通道包括时间触发以太网交换模块和SpaceWire总线协议处理模块，该时间触发以太网交换模块对时间触发以太网数据帧进行交换转发，该SpaceWire总线协议处理模块同时完成SpaceWire数据包向时间触发以太网数据帧的协议转换和时间触发以太网数据帧向SpaceWire数据包的协议转换。本发明实现了时间触发以太网与SpaceWire总线之间的数据交互，提高了时间触发以太网的兼容性和可扩展性，可用于航天电子综合系统。

Description

兼容SpaceWire总线的时间触发以太网交换装置
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种时间触发以太网交换装置,可用于航天电子综合系统的数据交互。
背景技术
SpaceWire总线是欧空局制定的一种专门面向航天应用的高速数据传输总线，主要用于航天综合电子系统中传感器、大容量存储器、遥测系统、数据处理单元等设备之间的连接，构建航天器数据处理网络。由于其高速、组网灵活、易于实现、低功耗、低成本的特点，使其在各类空间任务中得到了广泛的应用。但SpaceWire总线主要面向大量非强实时性数据的传输，无法满足对实时性和可靠性要求较高的关键数据的传输需求。时间触发以太网TTE传输技术具有高度时间确定性、实时性、带宽分区保护能力及可靠性，因此被广泛应用在航空航天、轨道交通、工业控制等具有高实时性、高可靠性、高带宽、多种业务综合传输需求的领域，以满足未来航天综合电子系统对总线的要求。因此，研制一种兼容SpaceWire总线的时间触发以太网交换装置及方法，实现SpaceWire总线设备与时间触发以太网之间的数据通信，提高时间触发以太网对其他航天总线的兼容性，对实现航天电子综合系统总线由SpaceWIre向时间触发以太网的平滑过渡具有深远意义。
天津大学汪清等人在申请的专利文献“航天以太网时间触发兼容总线体系架构通信方法”(公开号CN107317736A，申请号CN201710514608.X)中公开了一种统一的融合传输网络总线新架构。该方法采用时间触发以太网兼容体系架构传输三种不同优先级的数据帧，其中包括命令相应数据、IT应用数据和时间触发数据,三种不同类型的数据因为经过不同协议的封装导致type域的值有所不同，在MAC层和IP层之间通过多业务调度实现不同优先级的传输。该方法可在时间触发以太网的基础上兼容不同以太网协议数据帧的传输，并保障了时间触发以太网数据的高实时性、可靠性，但该架构仅限于实现了不同以太网协议数据之间的兼容，未考虑到对其他广泛使用的非以太网协议的航天总线之间的兼容，使得该传输网络架构的灵活性降低，在应用上有一定局限性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种兼容SpaceWire总线的时间触发以太网交换装置，使得时间触发以太网交换装置可接受、处理和转发SpaceWire数据包，实现时间触发以太网端系统与SpaceWire总线设备之间的数据通信。
为实现上述目的，本方案的技术方案如下：
一种兼容SpaceWire总线的时间触发以太网交换装置，包括多路数据交换，每一路数据交换共用时间触发以太网交换模块1，其特征在于，每一路SpaceWire总线设备与时间触发以太网端系统之间的数据交换还包括SpaceWire总线协议处理模块2，用于同时完成SpaceWire数据包向时间触发以太网数据帧的协议转换和时间触发以太网数据帧向SpaceWire数据包的协议转换：
当用于SpaceWire数据包向时间触发以太网数据帧的协议转换时，SpaceWire总线协议处理模块2将外部SpaceWire终端设备发送至时间触发以太网交换模块1的SpaceWire数据包转换为时间触发以太网数据帧，并将转换后的时间触发以太网数据帧发送至时间触发以太网交换模块1对其进行交换和转发；
当用于时间触发以太网数据帧向SpaceWire数据包的协议转换时，SpaceWire总线协议处理模块2将时间触发以太网交换模块1转发的时间触发以太网数据帧转换为SpaceWire数据包，并将转换后的SpaceWire数据包发送至外部SpaceWire终端设备，以对时间触发以太网交换模块1转发的时间触发以太网数据帧进行处理。
进一步，所述SpaceWire总线协议处理模块2，包括:
SpaceWire总线接口子模块21，用于对SpaceWire总线终端设备发送的数据进行解码，并将解码获取的SpaceWire接收数据包发送至接收数据处理子模块22，同时读取协议转换子模块24的SpaceWire发送数据包并进行编码，将编码后的数据发送至外部SpaceWire总线上的目的终端设备；
接收数据处理子模块22，用于对SpaceWire总线接口子模块解码获得的SpaceWire接收数据包进行缓存并解析，以获取SpaceWire接收数据包的目的终端地址；
地址映射子模块23，用于通过接收数据处理子模块22解析得到的SpaceWire接收数据包的目的终端地址，获取SpaceWire接收数据包对应的虚链路号，同时通过发送数据处理子模块25解析得到的时间触发以太网数据帧的虚链路号，获取时间触发以太网数据帧对应的目的终端地址；
协议转换子模块24，用于将接收数据处理子模块22缓存的SpaceWire接收数据包转换为时间触发以太网接收数据帧，并发送至时间触发以太网交换模块，同时将发送数据处理子模块25缓存的时间触发以太网数据帧转换为SpaceWire发送数据包，并发送至SpaceWire总线接口子模块21；
发送数据处理子模块25，用于对时间触发以太网交换模块1发送的时间触发以太网数据帧进行缓存并解析，以获取时间触发以太网数据帧的虚链路号。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明通过在时间触发以太网交换装置中增加了SpaceWire总线协议处理模块，以接受、处理和转发SpaceWire数据包，可实现时间触发以太网端系统与SpaceWire总线终端设备之间的通信，提高了时间触发以太网的兼容性和可扩展性。
2、本发明由于在时间触发以太网交换装置中使用虚链路号和SpaceWire数据包目的终端地址之间的映射，可以方便的实现SpaceWire数据包和时间触发以太网数据帧之间的协议转换，并根据实际需要进行灵活的配置，保障了SpaceWire数据包在时间触发以太网交换装置中交换转发时的可靠性与灵活性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中的SpaceWire总线协议处理模块示意图；
图3为本发明中的时间触发以太网交换模块示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明具体实施例作进一步的详细描述。
参照图1，本发明的兼容SpaceWire总线的时间触发以太网交换装置，包括时间触发以太网交换模块1和SpaceWire总线协议处理模块2，用于实现多路数据交换，每一路数据交换共用时间触发以太网交换模块1，每一路SpaceWire总线设备与时间触发以太网端系统之间的数据交换还包括SpaceWire总线协议处理模块2，用于同时完成SpaceWire数据包向时间触发以太网数据帧的协议转换和时间触发以太网数据帧向SpaceWire数据包的协议转换：
当用于SpaceWire数据包向时间触发以太网数据帧的协议转换时，SpaceWire总线协议处理模块2将外部SpaceWire终端设备发送至时间触发以太网交换模块1的SpaceWire数据包转换为时间触发以太网数据帧，并将转换后的时间触发以太网数据帧发送至时间触发以太网交换模块1对其进行交换和转发；
当用于时间触发以太网数据帧向SpaceWire数据包的协议转换时，SpaceWire总线协议处理模块2将时间触发以太网交换模块1转发的时间触发以太网数据帧转换为SpaceWire数据包，并将转换后的SpaceWire数据包发送至外部SpaceWire终端设备，以对时间触发以太网交换模块1转发的时间触发以太网数据帧进行处理。
参照图2，本发明所述SpaceWire总线协议处理模块2，包括SpaceWire总线接口子模块21、接收数据处理子模块22、发送数据处理子模块25、地址映射子模块23、协议转换子模块24，各模块的功能如下：
该SpaceWire总线接口子模块21，用于对SpaceWire总线终端设备发送的DS数据进行解码，并将解码获取的SpaceWire接收数据包发送至接收数据处理子模块22，同时接收协议转换子模块24发送的SpaceWire发送数据包并进行编码，将编码后的DS数据发送至SpaceWire总线上的目的终端设备；其中SpaceWire总线的编码方式为DS编码，即每一位数据采用Data和Strobe两路信号来表示，Data信号为数据的原本二进制值，Strobe信号则按照“相邻两位Data信号值相同，Strobe信号跳变为原先值的相反值，相邻两位Data信号值不同，Strobe信号值保持不变”的原则进行编码；
该接收数据处理子模块22，用于对SpaceWire总线接口子模块21解码获得的SpaceWire接收数据包进行缓存并解析，即在对SpaceWire数据包进行缓存之后，通过解析SpaceWire数据包中的目的终端地址部分，以获取SpaceWire接收数据包的目的终端地址，并将目的终端地址交给地址映射子模块23，该SpaceWire数据包由目的终端地址、数据载荷、包结束标识组成，且目的终端地址和包结束标志的长度均为8bit，数据载荷的长度不限；
该地址映射子模块23，其维护有一张地址映射表，该地址映射表存储着SpaceWire目的终端地址和虚链路号之间的映射关系，虚链路号决定时间触发以太网数据帧的转发路径和优先级，地址映射表可根据用户需求进行灵活配置；该地址映射子模块23负责查询spaceWire目的终端地址到虚链路号的映射，以及虚链路号到SpaceWire目的终端地址的映射：
当地址映射子模块23收到接收处理子模块21发送的目的终端地址时，查询地址映射表，若查询到对应的虚链路号，则将得到的虚链路号发送至协议转换子模块24；若未查询到对应虚链路号，说明该目的终端地址无效，则丢弃该SpaceWire数据包；
当地址映射子模块23收到发送数据处理模块发送的时间触发以太网数据帧的虚链路号时，查询地址映射表，若查询到对应的SpaceWire目的终端地址，则将得到的SpaceWire目的终端地址发送至协议转换子模块24，若未查询到对应的SpaceWire目的终端地址，说明该虚链路号无效，则丢弃时间触发以太网数据帧；
该协议转换子模块24，用于完成如下两种功能：
一是读取接收处理子模块22中缓存的SpaceWire接收数据包，将SpaceWire接收数据包的目的终端地址部分替换为包含虚链路号的时间触发以太网数据帧帧头，并计算SpaceWire接收数据包的校验和，然后将校验和添加至SpaceWire接收数据包的尾部，实现SpaceWire接收数据包向时间触发以太网数据帧的协议转换，并将转换后的时间触发以太网数据帧发送至时间触发以太网交换模块1；由于时间触发以太网交换模块1只能识别和转发标准以太网格式的数据帧，因此需要将接收数据处理子模块22缓存的SpaceWire接收数据包转换为时间触发以太网数据帧后再发送至时间触发以太网交换模块；且由于时间触发以太网要求时间触发以太网数据帧的帧长范围为64～1518字节，因此，若协议转换后时间触发以太网数据帧长度不足64字节，则需要先填充到64字节，再发送至时间触发以太网交换模块1，若协议转换后时间触发以太网数据帧长度超过1518字节，则该时间触发以太网数据帧属于无效数据，则需将该时间触发以太网数据帧丢弃；
二是读取发送处理子模块25中缓存的时间触发以太网数据帧，将时间触发以太网数据帧包含虚链路号的帧头部分替换为对应的SpaceWire目的终端地址，并将时间触发以太网数据帧尾部的校验和替换为SpaceWire数据包的包结束标识，实现时间触发以太网数据帧向SpaceWire发送数据包的协议转换，然后将转换后的SpaceWire发送数据包发送至SpaceWire总线接口子模块21；由于SpaceWire总线设备只能识别和处理SpaceWire数据包，因此需要将发送数据处理子模块25缓存的时间触发以太网数据帧转换为SpaceWire数据包后再发送至SpaceWire总线接口子模块21。
该发送数据处理子模块25，用于对时间触发以太网交换模块1发送的时间触发以太网数据帧进行缓存并解析，即对时间触发以太网数据帧缓存后，通过解析时间触发以太网数据帧的帧头，得到时间触发以太网数据帧的虚链路号，并将虚链路号交给地址映射子模块23；时间触发以太网数据帧由数据帧帧头、数据载荷和校验和组成，其中数据帧帧头的长度为22个字节，数据载荷的长度为46～1500字节，校验和的长度为4个字节；数据帧帧头由前导码、帧起始符、源地址和目的地址组成，其中目的地址部分包含了2个字节的虚链路号。
参照图3，所述的时间触发以太网交换模块1，包括数据帧解析子模块11，查表子模块12和转发子模块13，各模块的功能如下：
数据帧解析子模块11，用于对时间触发以太网端系统或SpaceWire总线协议处理模块2发送的时间触发以太网数据帧进行缓存和解析，即对时间触发以太网数据帧缓存后，解析时间触发以太网数据帧帧头，以获取该时间触发以太网数据帧的虚链路号，并将虚链路号发送至查表子模块12；
查表子模块12，其维护有一张转发表，该转发表存储着时间触发以太网数据帧虚链路号和目的转发端口号之间的映射关系，转发表可根据用户的需求进行灵活配置；当查表模块接收到数据帧解析子模块11发送虚链路号时，根据该虚链路号查询转发表，若查询到对应的目的转发端口号，则将该目的转发端口号发送至转发子模块13，若未查询到对应的目的转发端口号，说明该时间触发以太网数据帧是无效数据，则将该时间触发以太网数据帧丢弃；
转发子模块13，用于根据查表子模块12发送的时间触发以太网数据帧的目的转发端口号，以将时间触发以太网数据帧按照规划好的调度顺序转发至目的端口，使得各个端口之间有唯一确定的通路相连，若目的转发端口对应的是普通以太网接口，则该时间触发以太网数据帧将被转发子模块13发送至时间触发以太网端系统，若目的转发端口对应的是SpaceWire总线协议处理模块2，则该时间触发以太网数据帧将被转发子模块13发送至SpaceWire总线终端设备。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种兼容SpaceWire总线的时间触发以太网交换装置，包括多路数据交换，每一路数据交换共用时间触发以太网交换模块(1)，其特征在于，每一路SpaceWire总线设备与时间触发以太网端系统之间的数据交换还包括SpaceWire总线协议处理模块(2)，用于同时完成SpaceWire数据包向时间触发以太网数据帧的协议转换和时间触发以太网数据帧向SpaceWire数据包的协议转换：
当用于SpaceWire数据包向时间触发以太网数据帧的协议转换时，SpaceWire总线协议处理模块(2)将外部SpaceWire终端设备发送至时间触发以太网交换模块(1)的SpaceWire数据包转换为时间触发以太网数据帧，并将转换后的时间触发以太网数据帧发送至时间触发以太网交换模块(1)对其进行交换和转发；
当用于时间触发以太网数据帧向SpaceWire数据包的协议转换时，SpaceWire总线协议处理模块(2)将时间触发以太网交换模块(1)转发的时间触发以太网数据帧转换为SpaceWire数据包，并将转换后的SpaceWire数据包发送至外部SpaceWire终端设备，以对时间触发以太网交换模块(1)转发的时间触发以太网数据帧进行处理。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述SpaceWire总线协议处理模块(2)，包括:
SpaceWire总线接口子模块(21)，用于对SpaceWire总线终端设备发送的数据进行解码，并将解码获取的SpaceWire接收数据包发送至接收数据处理子模块(22)，同时读取协议转换子模块(24)的SpaceWire发送数据包并进行编码，将编码后的数据发送至外部SpaceWire总线上的目的终端设备；
接收数据处理子模块(22)，用于对SpaceWire总线接口子模块解码获得的SpaceWire接收数据包进行缓存并解析，以获取SpaceWire接收数据包的目的终端地址；
地址映射子模块(23)，用于通过接收数据处理子模块(22)解析得到的SpaceWire接收数据包的目的终端地址，获取SpaceWire接收数据包对应的虚链路号，同时通过发送数据处理子模块(25)解析得到的时间触发以太网数据帧的虚链路号，获取时间触发以太网数据帧对应的目的终端地址；
协议转换子模块(24)，用于将接收数据处理子模块(22)缓存的SpaceWire接收数据包转换为时间触发以太网接收数据帧，并发送至时间触发以太网交换模块，同时将发送数据处理子模块(25)缓存的时间触发以太网数据帧转换为SpaceWire发送数据包，并发送至SpaceWire总线接口子模块(21)；
发送数据处理子模块(25)，用于对时间触发以太网交换模块(1)发送的时间触发以太网数据帧进行缓存并解析，以获取时间触发以太网数据帧的虚链路号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，地址映射子模块(23)包含一张地址映射表，表中存储了SpaceWire数据包的目的终端地址与虚链路号的映射关系，通过接收数据处理子模块(22)解析SpaceWire接收数据包得到的SpaceWire数据包目的终端地址去查询地址映射表，得到对应的虚链路号；同时通过发送数据处理子模块(25)解析时间触发以太网数据帧得到的虚链路号去查询地址映射表，得到对应的SpaceWire数据包目的终端地址。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，时间触发以太网交换模块(1)，包括：
数据帧解析子模块(11)，用于对接收的时间触发以太网数据帧进行解析，以获取时间触发以太网数据帧中的虚链路号；
查表子模块(12)，用于通过数据帧解析子模块(11)得到时间触发以太网数据帧的虚链路号，以获取时间触发以太网数据帧的目的端口号；
转发子模块(13)，用于根据查表子模块(12)所获取的时间触发以太网数据帧的目的端口号，将时间触发以太网数据帧转发至对应的目的端口。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述查表子模块(12)包含一张转发表，表中存储了时间触发以太网数据帧的虚链路号和目的端口号的映射关系，通过数据帧解析子模块(11)解析时间触发以太网数据帧得到的虚链路号去查询转发表，得到对应的目的端口号。
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