CN111538698B - 基于fddi光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统及方法，所述存储系统包括两个以上的数据采编器、基于FDDI的光纤令牌总线和基于片上网络的表单化散片式存储服务器；每个采编器配备两个缓冲区，每个缓冲区连接一个光电转换接口，光纤令牌总线由两条传输方向相反的FDDI双环形拓扑结构构成，光纤令牌总线上的站点与两条光纤环联接，站点上都装有继电器，提高了采集系统的可靠性、高效性和排故障能力；存储服务器的接口轮流获得总线控制权，调度采编器的数据传输并存储，实现了表单化散片式存储服务器空分复用技术，多节点采集编码，集中存储，达到了采编器时钟统一、舱室空间高效利用和黑匣子回收时间减少的目的。

Description

基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统及 方法

技术领域

本发明涉及一种基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统及方法，属于航天测试技术领域。

背景技术

测试系统是航天飞行器试验中不可缺少的一部分，其性能的优劣直接影响航天飞行器的研制进度及其性能的改进和提高，其中数据黑匣子是飞行器在发射筒、水下或返回大气层“黑障区”时测试系统唯一的测试手段。随着航天测试技术的不断发展，要求测试的对象和内容不断扩大，测试系统中数据黑匣子的种类和数量也要求增多。若飞行器尾罩部、助推器、一级舱段、二级舱段、头部等都需要数据黑匣子进行各种飞行参数的记录时，目前的解决方式仅仅是在各个需要的舱段或位置分别安置相应的数据黑匣子，彼此之间没有任何电气和通信的联系，结果造成了各个数据黑匣子的时钟不能够精确统一，现场测试数据黑匣子的仪器繁多、电缆庞杂，使得测试的可靠性降低、费用增加，而且大部分舱室体积有限，空间规划难度较大，每个需要测试的舱室都需预留足够的空间安装黑匣子及其回收保护装置，降低了舱室的空间利用率，不能够充分适应航天遥测技术的需求与发展。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，并提供一种有利于存储服务器空分复用、提高采集系统可靠性、高效性和排故障能力、达到采编器时钟统一、高效规划舱室空间、减少黑匣子回收时间的基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统及方法。

实现本发明目的所采用的技术方案是一种基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统，至少包括两个以上数据采编器i，i为采编器编号，且1≤i≤n，每个采编器配备两个缓冲区i-1和i-2，每个缓冲区都连接一个光电转换接口，缓冲区i-1和缓冲区i-2通过它们对应的光电转换接口连接到光纤令牌总线的站点上；存储服务器通过多个接口k连接到光纤令牌总线的站点上，k为接口编号，1≤k≤m，采编器缓冲区接口通过光纤令牌总线上的站点与存储服务器的接口建立通信连接；光纤令牌总线由两条传输方向相反的FDDI双环形拓扑结构构成，在正常情况下，主环工作，次环不工作，光纤令牌总线上的站点采用双联站DAS方式联接，即与两条光纤环联接。

所述存储服务器为基于片上网络的表单化散片式存储服务器。

所述每个光纤令牌总线上的站点上都装有继电器，可以将两条光纤令牌总线的线路连接在一起，当不同点，不同线路出现故障的时候，站点中的继电器工作使光纤令牌总线仍然可以形成一个闭合的环路。

本发明同时提供了基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统的存储方法，用于存储飞行器各部位的参数信息，具体方法如下：

每个采编器i收集飞行器各个舱段或位置的被测信号，并将采集编码后的数据存储在其对应的空间余量较大的缓冲区，采编器的两个缓冲区i-1和i-2交替使用构成双缓冲结构，每个缓冲区都连接一个光电转换接口，采编器缓冲区接口通过光纤令牌总线上的站点与存储服务器的接口建立通信连接，每个站点都有各自对应的地址，采编器缓冲区接口对应的站点地址为0～n，存储服务器接口对应的站点地址为n+1～n+m，在具体的帧结构中将这些地址转变成二进制数进行赋值；

存储服务器的接口通过光纤令牌协议轮流获得光纤令牌总线控制权，调度采编器的数据传输并进行存储；空闲令牌以令牌帧的形式在光纤环中沿一个方向传递，采编器缓冲区接口对应的站点申请获得令牌，此时令牌帧转变为信息帧，将要传送的数据复制到DATA段，源地址SA段赋值为获得令牌的采编器缓冲区对应的站点地址，目的地址DA段赋值为n+1～n+m，令牌经过地址为n+1～n+m的存储服务器接口对应的站点时，会逐个寻找一个空闲且无故障的站点，将DATA段中的数据复制给该站点所对应的存储服务器，同时令牌继续传递，当令牌将数据传输到一个站点后，令牌会传递一周回到发送数据的站点，不再向其他站点复制数据，之后由发送数据的站点收回数据，变为空闲令牌，传递到下一个采编器缓冲区接口对应的站点进行数据传输；

采编器采集的数据，进入片上网络存储服务器后均采用一种以FLASH存储器页面存储容量为标准数据量的表单式采集数据组织形式，即将采集到的数据以表单为组织单位予以管理和存储，表单的容量大小以通用的FLASH存储器页面最小存储容量为标准，设计为2K字节。

所述令牌的帧结构包括令牌帧和信息帧两种，访问控制字段AC中的T表示令牌标识，T＝0时所对应的帧为令牌帧，T＝1时所对应的帧为信息帧。

所述表单由表头标志、表单周期、数据源节点地址、数据目的节点地址、数据路由经过的节点数目、数据内容、表计数和表尾标志组成。

由上述技术方案可知，本发明提供的基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统，包括两个以上的数据采编器、基于FDDI的光纤令牌总线和基于片上网络的表单化散片式存储服务器。每个采编器配备两个缓冲区i-1和i-2，缓冲区i-1和缓冲区i-2交替使用构成双缓冲结构，每个缓冲区都连接一个光电转换接口，缓冲区i-1和缓冲区i-2通过它们对应的光电转换接口连接到光纤令牌总线的站点上；存储服务器通过多个接口k连接到光纤令牌总线的站点上，k为接口编号，1≤k≤m；由于光纤令牌总线由两条传输方向相反的FDDI双环形拓扑结构构成，在正常情况下，主环工作，次环不工作，光纤令牌总线上的站点采用双联站DAS方式联接，即与两条光纤环联接，每个站点上都装有继电器，可以将两条线路连接在一起，当不同点，不同线路出现故障的时候，站点中的继电器工作使光纤令牌总线仍然可以形成一个闭合的环路，所以提高了采集系统的可靠性、高效性和排故障能力。而且由于本发明中每个采编器配备两个缓冲区，构成双缓冲结构，采编器缓冲区接口通过光纤令牌总线上的站点与存储服务器的接口建立通信连接，储服务器的接口通过光纤令牌协议轮流获得总线控制权，调度采编器的数据传输并存储在存储服务器，实现了表单化散片式存储单元空分复用技术，两个以上的采编器多节点采集编码，以表单为组织单位集中存储，解决了各个采编器的时钟不统一，舱室空间利用率低的问题，并减少了黑匣子的回收时间。

综上，本发明技术方案所具有的有益效果在于：

(1)存储服务器的接口通过光纤令牌协议轮流获得总线控制权，调度采编器的数据传输并存储在存储服务器，有利于表单化散片式存储服务器空分复用技术的实现；

(2)光纤令牌总线由两条传输方向相反的FDDI双环形拓扑结构构成，在正常情况下，主环工作，次环不工作，光纤令牌总线上的站点采用双联站DAS方式联接，即与两条光纤环联接，每个站点上都装有继电器，可以将两条线路连接在一起，当不同点，不同线路出现故障的时候，站点中的继电器工作使光纤令牌总线仍然可以形成一个闭合的环路，提高了采集系统的可靠性、高效性和排故障能力；

(3)多个采编器多节点采集编码，将数据信息以表单为组织单位集中存储于存储服务器，并将存储单元及其回收保护装置集中存放在空间富裕的舱室，实现了各个采编器的时钟统一，并达到了高效规划舱室空间，减少黑匣子回收时间的目的。

附图说明

图1是基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化存储系统拓扑结构图。

图2是令牌的帧结构图。

图3是片上网络路由节点系统结构图。

图4是基于FPGA的存储单元结构框图。

结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

由图1所示，本发明提供的基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统，用于集中存储飞行器各个部位的参数数据，包括两个以上的数据采编器、基于FDDI的光纤令牌总线和基于片上网络的表单化散片式存储服务器。每个采编器配备两个缓冲区i-1和i-2，缓冲区i-1和缓冲区i-2交替使用构成双缓冲结构，每个缓冲区都连接一个光电转换接口，缓冲区i-1和缓冲区i-2通过它们对应的光电转换接口连接到光纤令牌总线的站点上；存储服务器通过多个接口k连接到光纤令牌总线的站点上，k为接口编号，1≤k≤m，采编器缓冲区的接口通过光纤令牌总线上的站点与存储服务器的接口建立通信连接；光纤令牌总线由两条传输方向相反的FDDI双环形拓扑结构构成，在正常情况下，主环工作，次环不工作；光纤令牌总线上的站点采用双联站DAS方式联接，即与两条光纤环联接，每个站点上都装有继电器，可以将两条线路连接在一起，当不同点，不同线路出现故障的时候，站点中的继电器工作使光纤令牌总线仍然可以形成一个闭合的环路。存储服务器的接口通过光纤令牌协议轮流获得总线控制权，调度采编器的数据传输并存储在存储服务器，基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统的存储方法具体如下：

每个采编器i收集飞行器各个舱段或位置的被测信号，并将采集编码后的数据存储在缓冲区，每个采编器配备两个缓冲区i-1和i-2，1≤i≤n，采编器优先将数据存储在其对应的空间余量较大的缓冲区，采编器的两个缓冲区i-1和i-2交替使用构成双缓冲结构，每个缓冲区都连接一个光电转换接口，光线令牌总线上的站点用以连接采编器缓冲区接口和基于片上网络的表单化散片式存储服务器接口，实现通信。站点都有各自对应的地址，采编器缓冲区接口对应的站点地址为0～n，存储服务器接口对应的站点地址为n+1～n+m，在具体的帧结构中这些站点地址转变成二进制数进行赋值。

存储服务器的接口通过光纤令牌协议轮流获得总线控制权，调度采编器的数据传输并进行存储。如图2所示，令牌的帧结构包括令牌帧和信息帧两种，访问控制字段AC中的T表示令牌标识，T＝0时所对应的帧为令牌帧，T＝1时所对应的帧为信息帧。空闲令牌以令牌帧的形式在光纤环中沿一个方向传递，采编器缓冲区接口对应的站点申请获得令牌。此时令牌帧转变为信息帧，将要传送的数据复制到DATA段，源地址SA段赋值为获得令牌的采编器缓冲区对应的站点地址，目的地址DA段赋值为n+1～n+m。令牌经过地址为n+1～n+m的存储服务器接口对应的站点时，会逐个寻找一个空闲且无故障的站点，将DATA段中的数据复制给该站点所对应的存储服务器，同时令牌继续传递。当令牌将数据传输到一个存储服务器接口对应的站点后，令牌会传递一周回到发送数据的采编器缓冲区接口对应的站点，不再向其他存储服务器接口对应的站点复制数据。之后由发送数据的采编器缓冲区接口对应的站点收回数据，变为空闲令牌，传递到下一个采编器缓冲区接口对应的站点进行数据传输。

采编器采集的数据，进入片上网络存储系统后均采用一种以FLASH存储器页面存储容量为标准数据量的表单式采集数据组织形式。即将采集到的数据以表单为组织单位予以管理和存储，表单的容量大小以通用的FLASH存储器页面最小存储容量为标准，设计为2K字节(2048个字节)。一个表单由8部分组成：表头标志、表单周期、数据源节点地址、数据目的节点地址、数据路由经过的节点数目、数据内容、表计数和表尾标志。表单的格式与定义如表1所示：

表1存储数据的表单组织结构表

表头标志和表尾标志分别是8个字节的“F5FA”和“F3FC”组成，表头标志和表尾标志之间是数据表的内容。通过表头标志和表尾标志将中间的数据构成一个相对独立完整的数据表单。

表单周期由2个字节构成，具有时间的属性，单位是纳秒。它表示该表单中2020个字节的数据内容所累聚的时间，2个字节表示的时间范围是2⁰～2¹⁶＝0～65536纳秒，精度是1纳秒。

数据源节点地址由2个字节组成。片上网络的网络节点采用二维网格结构，二维网格结构建立在一象限坐标中，网络节点坐标(x，y)中的x>0，y>0，x和y均属于正整数。任何一个网络节点发起原始表单数据传送时，将自己所在的网络节点坐标填写在2个字节的数据源节点地址中，其中1个字节表示横坐标；1个字节表示纵坐标。1个字节表示的地址范围是2⁸＝256。

数据目的节点地址由2个字节组成，其中1个字节表示横坐标；1个字节表示纵坐标。1个字节表示的地址范围是2⁸＝256。任何一个网络节点收到一个表单数据时，都需要将自己所在的网络节点坐标填写在数据目的节点地址中，表示表单的当前地址。最初的数据目的节点地址和数据源节点地址相同，当数据表单到达一个新的节点时，就将当前的节点地址更新到数据目的节点地址中。

数据路由经过的节点数目由2个字节组成，表示的节点数目范围是2¹⁶＝65536。任何一个网络节点收到一个表单数据时，都必须将节点数目进行加1更新，表明该表单数据所经过的节点数目。

通过数据源节点地址、数据目的节点地址和数据路由经过的节点数目的设计，可以准确评估该表单数据的路由效率。

数据内容是数据表单所传输的真正有效载荷，由2020个字节构成。采集端采集数据形成表单时，需要将原始数据以2020个字节为组织单位进行传送。

表计数是相同源节点地址的表单计数，即某一节点发送数据时，以2020个字节为一个单位进行计数，源节点每发送一个表单，该表计数就加1。表计数由8个字节组成，表示的表单数目范围是2⁶⁴＝18446744073709551616。能够覆盖的数据容量为：表单数目×2020字节＝2⁶⁴×2020字节＝2⁶⁴×2020÷1024÷1024÷1024÷1024(T字节)＝16777216(T字节)，远远满足目前采集存储的容量要求。即表计数的范围保证了表计数在数据采集过程中不会重复。

上述片上网络表单化片散式存储系统，是以FPGA内的一个片上网络节点为黑匣子的表单化散片式存储基本单元，如图3所示。一个片上网络节点包括东向、西向、北向、南向和本地的5个输入端口和东向、西向、北向、南向和本节点的5个输出端口。

如果输入端口接收到来自东、西、北、南或本地的“BUSY”请求信号，说明该方向的表单数据(2K字节)请求送来。首先蓄存导流模块判断本地缓存区1的“满”信号FF1和本地缓存区2的“满”信号FF2哪一个有效，并将表单数据依序号的优先级存入“不满”的缓存区中。如果这两个缓存区均处于“满”状态，蓄存导流模块则会将表单数据送入借路分配器中。

本地缓存区1和本地缓存区2容量设计为4K字节，当一个2K字节的表单存入后，“半满”信号HF正好有效。本地缓存区1和本地缓存区2的“半满”信号HF和相应的数据均送至一级仲裁模块。一级仲裁模块负责判断本地缓存区1和本地缓存区2“半满”信号请求响应的优先级，依照“先请求先优先”的仲裁原则将优先级高的数据表单送至二级仲裁模块。

二级仲裁模块负责东向、西向、北向、南向和本地的5个一级仲裁模块输出发生冲突时的顺序裁定，具体由表单仲裁器决定。表单仲裁器在东向、西向、北向、南向和本地的输入接口通道提取相应数据，解析各自的表单数据。根据参数“表单周期”判别各个表单的生成周期时间，时间越小意味着生成速度越快，则分配的优先权越高。

二级仲裁模块只有一个输出接口，将优先权最高的表单数据送至FLASH存储器管理单元，准备存储。FLASH存储器管理单元由通道选择器、两个4K字节的FLASH页面缓冲区和FLASH读写控制模块组成。在FLASH存储器管理单元控制下，并行判读外部2个FLASH存储器的“R/B”信号，并将这2个信号反馈至通道选择器中。如果所判读的FLASH存储器“R/B”信号为高，说明该FLASH存储器处于“空闲”状态，可以写入数据，随后将二级仲裁模块输出的表单数据送入其相应的FLASH页面缓冲区，准备数据的存储；如果FLASH页面缓冲区“R/B”信号为低，说明FLASH存储器处于“写数据”状态，不可以写入数据。当2个FLASH存储器的“R/B”信号都处于低状态，说明2个FLASH存储器均处于“写数据”状态，则二级仲裁模块中的表单数据处于“等待”状态，不再对一级仲裁模块进行仲裁和接收数据。通过对2个FLASH存储器的交替乒乓操作，能够提高数据表单的存储效率。

其次，片上网络的表单化散片式存储系统以FPGA为基本结构单元，如图4所示。每个FPGA内含有4个片上网络节点，每个FPGA内的4个片上网络节点共享1个状态收集器。每一网络节点通过FLASH存储器管理单元控制对两片FLASH存储芯片的所有操作。状态收集器主要收集所在FPGA中8个FLASH存储器的工作状态(是“写数据”状态，还是“页编程”状态)和相应FLASH存储器管理单元中页面缓冲区的工作状态(是“写数据”状态，还是“等待”状态)，并将状态实时通过异步串行通信“TX”接口发送给其它相邻FPGA的状态收集器，同时状态收集器通过异步串行通信“RX”接口接收其它相邻FPGA的状态收集器，实时获取相邻FPGA内网络节点所控制的FLASH存储器工作状态。

Claims (5)

1.一种基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统的存储方法，用于存储飞行器各部位的参数信息，基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统，至少包括两个以上数据采编器i，i为采编器编号，且1≤i≤n，每个采编器配备两个缓冲区i-1和i-2，每个缓冲区都连接一个光电转换接口，缓冲区i-1和缓冲区i-2通过它们对应的光电转换接口连接到光纤令牌总线的站点上；存储服务器通过多个接口k连接到光纤令牌总线的站点上，k为接口编号，1≤k≤m，采编器缓冲区接口通过光纤令牌总线上的站点与存储服务器的接口建立通信连接；光纤令牌总线由两条传输方向相反的FDDI双环形拓扑结构构成，在正常情况下，主环工作，次环不工作，光纤令牌总线上的站点采用双联站DAS方式联接，即与两条光纤环联接，其特征在于具体方法如下：

每个采编器i收集飞行器各个舱段或位置的被测信号，并将采集编码后的数据存储在其对应的空间余量较大的缓冲区，采编器的两个缓冲区i-1和i-2交替使用构成双缓冲结构，每个缓冲区都连接一个光电转换接口，采编器缓冲区接口通过光纤令牌总线上的站点与存储服务器的接口建立通信连接，每个站点都有各自对应的地址，采编器缓冲区接口对应的站点地址为0～n，存储服务器接口对应的站点地址为n+1～n+m，在具体的帧结构中这些地址转变成二进制数进行赋值；

存储服务器的接口通过光纤令牌协议轮流获得光纤令牌总线控制权，调度采编器的数据传输并进行存储；空闲令牌以令牌帧的形式在光纤环中沿一个方向传递，采编器缓冲区接口对应的站点申请获得令牌，此时令牌帧转变为信息帧，将要传送的数据复制到DATA段，源地址SA段赋值为获得令牌的采编器缓冲区对应的站点地址，目的地址DA段赋值为n+1～n+m，令牌经过地址为n+1～n+m的存储服务器接口对应的站点时，会逐个寻找一个空闲且无故障的站点，将DATA段中的数据复制给该站点所对应的存储服务器，同时令牌继续传递，当令牌将数据传输到一个站点后，令牌会传递一周回到发送数据的站点，不再向其他站点复制数据，之后由发送数据的站点收回数据，变为空闲令牌，传递到下一个采编器缓冲区接口对应的站点进行数据传输；

采编器采集的数据，进入片上网络存储服务器后均采用一种以FLASH存储器页面存储容量为标准数据量的表单式采集数据组织形式，即将采集到的数据以表单为组织单位予以管理和存储，表单的容量大小以通用的FLASH存储器页面最小存储容量为标准，设计为2K字节。

2.根据权利要求1所述基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统的存储方法，其特征在于：所述存储服务器为基于片上网络的表单化散片式存储服务器。

3.根据权利要求1所述基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统的存储方法，其特征在于：每个光纤令牌总线上的站点上都装有继电器，可以将两条光纤令牌总线的线路连接在一起，当不同点，不同线路出现故障的时候，站点中的继电器工作使光纤令牌总线仍然可以形成一个闭合的环路。

4.根据权利要求1所述基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统的存储方法，其特征在于：令牌的帧结构包括令牌帧和信息帧两种，访问控制字段AC中的T表示令牌标识，T＝0时所对应的帧为令牌帧，T＝1时所对应的帧为信息帧。

5.根据权利要求1所述基于FDDI光纤令牌总线的片上网络表单化散片式存储系统的存储方法，其特征在于：表单由表头标志、表单周期、数据源节点地址、数据目的节点地址、数据路由经过的节点数目、数据内容、表计数和表尾标志组成。

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