CN111106988B - 一种总线消息分时调度方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种总线消息分时调度方法及系统，采用时间触发的方式进行网络业务调度，通过维护一个全局时间，并依靠此时间来进行同步过程的调度，所以系统的所有通信可以被简化为一张调度表，其中信号的定义、时序的改变和调度的分配都是离线完成的；本发明通过设计了虚链路调度表，为每一条虚链路划分了特定的时间槽进行数据传输，提高总线带宽的利用率，相比于以往按照消息进行调度的方法，提高了单一功能业务的实际使用效率；其次通过设置全网时间一致后进行数据传输，进一步地提高了数据传输的效率。

Description

一种总线消息分时调度方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种总线消息分时调度方法及系统。

背景技术

目前在航空航天领域主要的总线标准是MIL-STD-1553(1553B)，其全称是飞机内部时分制指令响应式多路传输数据总线。因其可靠性、灵活性、确定性，美军将其作为机载设备互联通信标准。

在过去的30年中，美军将MIL-STD-1553B已成功地应用于多种战机，并且成功应用于其它控制领域，如导弹控制、舰船控制等，在海军和陆军的武器和维护系统中已经开始采用1553B总线。

随着国防现代化的建设和武器系统的升级换代，作为国军标对应标准GJB289A-97(1553B)，我国已将1553B总线大量应用到武器系统的设计中。

尽管1553总线具有诸多优点，但是1Mbps的传输速率成为了它的限制因素，无法满足现代航空和地面车辆系统应用中越来越多的数据(视频、音频、分布式数据)传输的基本要求。

由于1553B总线的传输速率限制,直接进行图像、声音、定位导航等大数据信息传输,将会导致其他紧急消息传输时延过长。针对这一问题，一般采用基于1553B总线的周期消息和非周期消息混合传输调度策略。该策略的控制思想是在对需要传输的信息进行负载均衡的基础上,进行动态分解插入,实现了在不影响紧急消息的前提下大数据信息在1553B总线中的实时可靠传输。但是受限于最高1Mbps的效率，经过调度规划后的消息占用更加离散化，传输延迟和抖动加大。高速1553作为一种全新的100Mbps总线网络，目前国内尚未出现针对该问题的调度方法。

在全新的高速1553总线网络中，总线承载能力已经从普通1553B的1Mbps，升级为100Mbps。在总线网络传输能力扩展后，能承载的信息量更多，能实现的网络拓扑功能更加强大，不再适合沿用原来的低速总线的调度方式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种总线消息分时调度方法及系统，用以解决现有技术中的调度方法存在的传输效率低的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种总线消息分时调度方法，用于在总线上将待发送消息依次进行传输，所述的总线上包括多个节点，所述的方法按照以下步骤执行：

步骤1、获取多条待发送消息以及每条待发送消息的发送节点和接收节点；

根据待发送消息的发送节点以及接收节点，获得多条虚链路；其中一条虚链路为由一个发送节点到至少一个接收节点的传输通道；

步骤2、根据所述的多条虚链路，配置调度表、多个CAM表以及可用信道的配置向量；

其中所述的调度表包括按照待发送消息的优先级依次设置的多个虚链路表项，其中每一个虚链路表项对应一条虚链路；

所述的虚链路表项包括时间偏移量、发送节点ID、数据帧格式以及接收节点索引向量；

其中每个虚链路表项对应的时间偏移量用于规划当前虚链路表项对应的虚链路的消息传输时间长度；

步骤3、将总线上所有节点的时间进行同步后按照所述的调度表的顺序传输所述的待发送的消息。

进一步地，所述的时间偏移量的数值为24位二进制数对应的十进制数，单位为百纳秒。

进一步地，所述的接收节点索引向量为多位二进制数，其中每一位二进制数对应一个节点，0表示接收，1表示不接收。

进一步地，所述的步骤3中将总线上所有节点的时间进行同步时，利用周期广播发送独立的时间同步帧进行时间同步。

进一步地，所述的步骤3中按照所述的调度表的顺序传输所述的待发送的消息时，所述的传输包括消息发送以及消息接收；

当发送所述的待发送消息时，具体包括：

将使用同一条虚链路传输的待发送消息存放在一个数据发送存储区中，所述的调度表中每一条虚链路表项对应一个数据发送存储区的地址；

按照所述的调度表的顺序通过地址索引的方式依次访问所述的数据发送存储区，将所述的数据发送存储区中的待发送消息发出；

当接收所述的待发送消息时，其中所述的调度表中每一条虚链路表项对应有至少一个CAM表，具体包括：

按照所述的调度表的顺序通过索引的方式依次获得每一条虚链路表项对应的CAM表；

利用CAM表中的参数按照所述的调度表的顺序将所述的待发送消息依次存放至数据接收存储区中，其中所述的一个数据接收存储区对应一条虚链路表项。

进一步地，所述的数据发送存储区以及数据接收存储区均为环形队列存储区。

进一步地，所述的时间同步帧的帧格式以及待发送消息的帧格式均为依次设置的源节点ID地址字段、目的节点ID地址字段、MAC帧类型字段、帧长度字段、数据字段以及CRC字段。

一种总线消息分时调度系统，所述的系统包括分时调度处理器，所述的分时调度处理器用于实现总线消息分时调度方法。

本发明与现有技术相比具有以下技术效果：

1、本发明提供的总线消息分时调度方法及系统采用时间触发的方式进行业务调度，通过设计了虚链路调度表，为每一条虚链路划分了特定的时间槽进行数据传输，提高总线带宽的利用率，相比于以往按照消息进行调度的方法，提高了单一功能业务的实际使用效率；其次通过设置全网时间一致后进行数据传输，进一步地提高了数据传输的效率；

2、本发明提供的总线消息分时调度方法及系统通过设计了24位的时间偏移量，使得单一虚链路的数据发送时长可以根据实际需求任意设置，进一步地提高了总线带宽的利用率，从而提高了数据传输的效率；

3、本发明提供的总线消息分时调度方法及系统通过设计了多位的接收节点索引向量，相比于以往的以节点ID存储的形式，能够减少调度表的占用空间，节约资源；

4、本发明提供的总线消息分时调度方法及系统通过采用周期广播发送独立的时间同步帧进行时间同步，提高了时间同步的效率，从而提高了数据传输的效率；

5、本发明提供的总线消息分时调度方法及系统通过设计了数据发送以及接收流程，将调度表中的每一项虚链路表项与一个数据存储区进行对应，通过索引的方式访问数据存储区进行数据的收发，提高了数据传输的效率；

6、本发明提供的总线消息分时调度方法及系统采用环形队列存储区进行数据存储，可以充分地利用总线资源，进一步地提高总线上数据传输的效率。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中提供的主时间框架示意图；

图2为本发明的一个实施例中提供的调度表示意图；

图3为本发明的一个实施例中提供的CAM表示意图；

图4为本发明的一个实施例中提供的数据帧格式示意图；

图5为本发明的一个实施例中提供的数据发送过程示意图；

图6为本发明的一个实施例中提供的数据接收过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。以便本领域的技术人员更好的理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

以下对本发明涉及的定义或概念内涵做以说明：

CRC：循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)是一种根据网络数据包或计算机文件等数据产生简短固定位数校验码的一种信道编码技术，主要用来检测或校验数据传输或者保存后可能出现的错误。

CAM表：二层交换机地址表。

虚链路：两个节点之间的数据传输链路。

实施例一

正如背景技术所述，现有的1553B总线的消息调度方法没法适用于100Mbps的高速1553总线网络，导致数据传输效率低

为了解决上述问题，在本实施例中公开了一种总线消息分时调度方法，用于在总线上将待发送消息依次进行传输，总线上包括多个节点。

本实施例中提供的分时调度方法采用时间触发方式进行调度，其中时间触发是指网络上的所有活动都是随着时间的前进而有计划地调度。维护一个全局时间，并依靠此时间来进行同步过程的调度，所以系统的所有通信可以被简化为一张调度表，其中信号的定义、时序的改变和调度的分配都是离线完成的。

方法按照以下步骤执行：

步骤1、获取多条待发送消息以及每条待发送消息的发送节点和接收节点；

根据待发送消息的发送节点以及接收节点，获得多条虚链路；其中一条虚链路为由一个发送节点到至少一个接收节点的传输通道；

在本实施例中，总线的载波网络中，存在总线控制器BC(Bus Controler)远终端RT(Remote Terminal)、总线监视器MT(Moniter)这三种角色。

在本实施例中，与现有技术中采用消息时长分配的方法不同的是，采用虚链路对网络资源进行配置，为每一条虚链路分配一段传输时间，从而保证每条虚链路都有专用的传输时段。

步骤2、根据所述的多条虚链路，配置调度表、多个CAM表以及可用信道的配置向量；

其中所述的调度表包括按照待发送消息的优先级依次设置的多个虚链路表项，其中每一个虚链路表项对应一条虚链路；

所述的虚链路表项包括时间偏移量、发送节点ID、数据帧格式以及接收节点索引向量；

其中每个虚链路表项对应的时间偏移量用于规划当前虚链路表项对应的虚链路的消息传输时间长度；

在本实施例中，在整个高速1553通信系统中，所有节点都是按网络同步时间触发，全网同步保持一致，并且网络中所有节点都采用同一张调度表执行，因此，在网络中调度表的作用变的非常重要。

调度表可以由用户根据网络业务规划情况预先配置，在网络配置之初，预先设置网络所需的调度表、CAM表和可用信道的配置向量。

如图1所示，全局时间在规划时也称为主时间框架，所有业务都可以在主时间框架内按照时间槽划分的整合周期进行分配。每一个通信节点在各自分配的整合周期内都对应特定的收发模式，可以是发送数据，也可以是接收数据。一般而言，每个整合周期都会在调度表中描述哪个节点在发送，哪些节点在接收。全网同步是由BC在主时间框架的开始处，周期广播发送独立的同步帧建立全网同步关系。除BC外其余节点都会根据收到的BC同步消息进行同步时间对齐，并以此进行全网调度表的执行。调度表规定了每个整合周期的时间长度，其规定的所有整合周期的时间累积共同构成和表示总时间框架长度。整合周期个数最大为128个。在每个主时间框架的起始都存在一个用于全网同步的SYN同步帧。

在本实施例中，如图2所示的调度表，每个需要执行调度的虚链路VL(Virtuallink)都有一个对应的表项，每一个表项包括4种数据，分别是：

Offset：表示时间片偏移量。首次以调度表起始(0时刻)偏移，其余以上次VL结束时刻为起始时刻进行偏移，单位为100ns；

可选地，所述的时间偏移量的数值为24位二进制数对应的十进制数，单位为百纳秒。

在本实施例中，时间偏移量用来规定当前虚链路的数据传输时长，例如时间偏移量为000000000000000000001111，则表示当前时间偏移量为(2^4+2^3+2^2+2)*100＝3000纳秒，由此可见，本发明中的时间偏移量设定的范围很广，完全可以满足实际工业应用。

在本实施例中的时间偏移量定义了当前虚链路的数据发送时长，假设当前的调度表中包括两个虚链路项，第一项的时间偏移量为2s，第二项的时间偏移量为3s，那么在整个方法开始传输的0-2s内是第一条虚链路的传输时间，从第2s-5s是第二条虚链路的传输时间。

VL_ID：表示需要发起占用总线的设备ID号，在本实施例中VL_ID为发送节点的ID。

Mode：0表示为QPSK帧，1表示为OFDM帧。在整个调度表中，每个VL表项中包括的数据帧格式存在两种消息类型，一种是QPSK帧，另一种是OFDM帧，两种消息帧的单次发送长度固定，消息发送延时固定。

Rec_Index：接收向量索引。32位向量对应总线上32个节点，按位表示，0表示不接收，1表示需要接收。接收向量索引表示当前VL数据帧由哪些接收节点接收。

可选地，所述的接收节点索引向量为多位二进制数，其中每一位二进制数对应一个节点，0表示接收，1表示不接收。

在本实施例中，接收节点索引向量为32位二进制数，假设发送节点的ID为1，那么此时32位向量为1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010，则表示，ID＝2、4以及32的节点接收，其余节点均不接收。

调度表中每个VL表项都可设置为固定延时间隔，所以调度表项排列的总时间长度(即主时间框架)是这些单位延时之和。每个节点可以使用单个虚链路连续发送消息，直至当前预留的时间槽时间截止，也就是说，一个VL表项可以对应有多个待发送消息，只要这些待发送的消息使用同一个虚链路即可。这些方法，保证了对于各个节点混合业务调度的划分更加灵活多样。

在本实施例中的CAM表包括ID信息及其对应的增益信息。相关信息需要根据网络实际拓扑映射设置，如图3所示，图3中ID1、ID2、……、ID32表示与当前节点连接的发送节点的ID信息，GAIN表示增益信息，RSVD表示通道向量。

在本实施例中，BC总线控制器在启动正常通信时，根据预先配置的时间调度表，基于时间框架的调度策略，调度表规定了所有终端(包括BC本身)的发送顺序，每个终端的传输持续时间也包括在调度表控制信息中。所有终端都通过统一预先配置获得时间调度表。

对于突发式消息传输，每个整合周期的设定ID节点的消息传输时间片长度，由调度表规定的长度决定。该时间片通常只分配一个节点。

步骤3、将总线上所有节点的时间进行同步后按照所述的调度表的顺序传输所述的待发送的消息。

在本发明中网络上的所有活动都是随着时间的前进而有计划地调度，因此需要维护一个全局时间，并依靠此时间来进行同步过程的调度。

可选地，所述的步骤3中将总线上所有节点的时间进行同步时，利用周期广播发送独立的时间同步帧进行时间同步。

在本实施例中，在每个主时间框架的起始，即所有数据发送开始前，都存在一个用于全网同步的SYN同步帧。

可选地，如图4所示，时间同步帧的帧格式以及待发送消息的帧格式均为依次设置的源节点ID地址字段、目的节点ID地址字段、MAC帧类型字段、帧长度字段、数据字段以及CRC字段。

可选地，所述的步骤3中按照所述的调度表的顺序传输所述的待发送的消息时，所述的传输包括消息发送以及消息接收；

当发送所述的待发送消息时，具体包括：

将使用同一条虚链路传输的待发送消息存放在一个数据发送存储区中，所述的调度表中每一条虚链路表项对应一个数据发送存储区的地址；

按照所述的调度表的顺序通过地址索引的方式依次访问所述的数据发送存储区，将所述的数据发送存储区中的待发送消息发出；

在本实施例中，如图5所示，每一条虚链路表项对应一个数据发送存储区的地址，因此将采用同一条虚链路传输的待发送消息存放在一个数据发送存储区中。

图5中，Cycle_Msg0、Cycle_Msg1、……、Cycle_Msg127表示调度表的128个VL表项，同时每一个Cycle_Msg也表示VL的调度信息，其固定对应一个特定的数据发送存储区。

可选地，数据发送存储区为环形队列存储区。

图5中的需要发送的信息存放在VL环形队列存储区里，该环形队列存储区最多支持128个VL管理，其中每个VL都固定分配一个带4个缓存的存储区，其中每一个存储区为3K的大小，按照先到先有效的原则顺序发送。发送时上层用户将待发送的数据按照VL划分存储在对应的VL缓存存储区里，发送时逻辑自动按照规划好的调度表等信息访问该存储区获取数据进行发送操作。

在本实施例中，采用环形队列存储区进行数据存储，可以充分地利用总线资源，进一步地提高总线上数据传输的效率。

在本实施例中，如图5所示，高速1553业务通信是按照主时间框架来运行。在主时间框架内有用于各终端节点网络时间同步的同步帧SYN，以及在时间轴上根据时间片段划分好用于各终端节点收发通信的时间槽(整合周期)，每个时间槽对应一个终端节点，即整体运行按节点划分、按时间片调度的策略。

业务调度及通信过程以主时间框架周期执行，每个周期开始都会由BC发送一个SYN同步帧，所有RT节点收到该同步帧之后，根据同步帧的指示调整本地时钟，将本地时钟与系统BC时钟对齐。对齐之后根据提前统一规划好存储在本地(各个节点终端)的业务调度表，每个调度表可以规划足够多的VL业务，每个VL可以代表允许该时刻发送VL ID所指示节点的不同类型业务，并以此进行各节点的业务编排。

发送开始后根据网络中规划的调度表，访问数据存储区域，将数据存储区域的待发送数据发送出去。

当接收所述的待发送消息时，其中所述的调度表中每一条虚链路表项对应有至少一个CAM表，具体包括：

按照所述的调度表的顺序通过索引的方式依次获得每一条虚链路表项对应的CAM表；

利用CAM表中的参数按照所述的调度表的顺序将所述的待发送消息依次存放至数据接收存储区中，其中所述的一个数据接收存储区对应一条虚链路表项。

可选地，数据接收存储区为环形队列存储区。

在本实施例中，如图6所示，图6中VL_Rec_index0：表示接收CAM表组合索引，index0指当前接收节点的CAM表；VL_Rec_CAM：表示CAM表为接收CAM表，接收时逻辑层将待接收的数据按照VL划分，将接收到的信息按照调度表规定的VL_ID，将数据存放在对应的VL环形队列存储区里的VL缓存区中，该环形队列存储区最多支持128个VL管理，其中每个VL都固定分配一个至少带4个缓存的存储区，按照先到先有效的原则顺序进行存储和转发。上层软件获得缓存区有数据到达信号后自动访问该存储区获取数据进行接收操作。

在本实施例中，假设对于调度表中的第一个虚链路项，发送节点ID为1，接收节点为2，此时接收节点2通过查看自身的CAM表，找到与节点1的硬件数据，根据硬件数据调整自己的传输通道的物理参数，调整完成后利用调整后的通道接收数据，将数据放到对应的数据存储区中，在接收时也是同一条虚链路传输的数据放入同一个数据接收存储区中。

对于接收来说，高速1553业务通信是按照主时间框架来运行。在主时间框架内有用于各终端节点网络时间同步的同步帧SYN，以及在时间轴上根据时间片段划分好用于各终端节点收发通信的时间槽，每个时间槽对应一个终端节点，即整体运行按节点划分、按时间片调度的策略。

业务调度及通信过程以主时间框架周期执行，每个周期开始都会由BC发送一个SYN同步帧，所有RT节点收到该同步帧之后，根据同步帧的指示调整本地时钟，将本地时钟与系统BC时钟对齐。对齐之后根据提前统一规划好存储在本地(各个终端)的业务调度表，每个调度表可以规划足够多的VL业务，每个VL可以代表允许该时刻发送VL ID所指示节点的不同类型业务，并以此进行各节点的业务编排。

接收过程跟发送过程类似，都是根据调度表来索引数据调度关系，唯一的区别是接收时需要根据调度表消息VLID索引配置参数，例如增益；需要根据不同的节点配置不同的配置参数。接收到数据后，根据调度表索引将数据内容存储的存储区域，交由软件层访问进行数据交互。

实施例二

一种总线消息分时调度系统，所述的系统包括分时调度处理器，所述的分时调度处理器用于实现实施例一中的总线消息分时调度方法。

在本实施例中提供了一种分时调度系统，系统用于实现实施例一种的调度方法。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

Claims (8)

1.一种总线消息分时调度方法，用于在总线上将待发送消息依次进行传输，所述的总线上包括多个节点，其特征在于，所述的方法按照以下步骤执行：

步骤1、获取多条待发送消息以及每条待发送消息的发送节点和接收节点；

根据待发送消息的发送节点以及接收节点，获得多条虚链路；其中一条虚链路为由一个发送节点到至少一个接收节点的传输通道；

步骤2、根据所述的多条虚链路，配置调度表、多个CAM表以及可用信道的配置向量；

其中所述的调度表包括按照待发送消息的优先级依次设置的多个虚链路表项，其中每一个虚链路表项对应一条虚链路；

所述的虚链路表项包括时间偏移量、发送节点ID、数据帧格式以及接收节点索引向量；

其中每个虚链路表项对应的时间偏移量用于规划当前虚链路表项对应的虚链路的消息传输时间长度；

步骤3、将总线上所有节点的时间进行同步后按照所述的调度表的顺序传输所述的待发送的消息。

2.如权利要求1所述的总线消息分时调度方法，其特征在于，所述的时间偏移量的数值为24位二进制数对应的十进制数，单位为百纳秒。

3.如权利要求1所述的总线消息分时调度方法，其特征在于，所述的接收节点索引向量为多位二进制数，其中每一位二进制数对应一个节点，0表示接收，1表示不接收。

4.如权利要求1所述的总线消息分时调度方法，其特征在于，所述的步骤3中将总线上所有节点的时间进行同步时，利用周期广播发送独立的时间同步帧进行时间同步。

5.如权利要求1所述的总线消息分时调度方法，其特征在于，所述的步骤3中按照所述的调度表的顺序传输所述的待发送的消息时，所述的传输包括消息发送以及消息接收；

当发送所述的待发送消息时，具体包括：

将使用同一条虚链路传输的待发送消息存放在一个数据发送存储区中，所述的调度表中每一条虚链路表项对应一个数据发送存储区的地址；

按照所述的调度表的顺序通过地址索引的方式依次访问所述的数据发送存储区，将所述的数据发送存储区中的待发送消息发出；

当接收所述的待发送消息时，其中所述的调度表中每一条虚链路表项对应有至少一个CAM表，具体包括：

按照所述的调度表的顺序通过索引的方式依次获得每一条虚链路表项对应的CAM表；

利用CAM表中的参数按照所述的调度表的顺序将所述的待发送消息依次存放至数据接收存储区中，其中所述的一个数据接收存储区对应一条虚链路表项。

6.如权利要求5所述的总线消息分时调度方法，其特征在于，所述的数据发送存储区以及数据接收存储区均为环形队列存储区。

7.如权利要求1或4所述的总线消息分时调度方法，其特征在于，所述的时间同步帧的帧格式以及待发送消息的帧格式均为依次设置的源节点ID地址字段、目的节点ID地址字段、MAC帧类型字段、帧长度字段、数据字段以及CRC字段。

8.一种总线消息分时调度系统，所述的系统包括分时调度处理器，所述的分时调度处理器用于实现权利要求1-7任一项权利要求所述的总线消息分时调度方法。

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