CN111835491A - 使用oam控制以太网链路伙伴gpio - Google Patents

使用oam控制以太网链路伙伴gpio Download PDF

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Abstract

本公开的实施例涉及使用OAM控制以太网链路伙伴GPIO。一种以太网物理层(PHY)设备，包括PHY接口和PHY电路。PHY接口被配置为连接到物理链路。PHY电路配置为生成层‑1帧，该层‑1帧承载用于到对等以太网PHY设备的传输的数据；在层‑1帧之间插入一个或多个管理帧，该一个或多个管理帧与层‑1帧分开并且被配置为控制与对等以太网PHY设备相关联的通用输入输出(GPIO)端口；经由PHY接口通过物理链路向对等以太网PHY设备传输层‑1帧和插入的管理帧，用于控制与对等以太网PHY设备相关联的GPIO端口的一个或多个操作；并且经由PHY接口接收一个或多个验证，该一个或多个验证确认一个或多个管理帧在对等以太网PHY设备处被成功接收。

Description

使用OAM控制以太网链路伙伴GPIO
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年4月19日提交的美国临时专利申请62/836,536的权益，其公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开大体上涉及以太网通信，具体涉及用于使用诸如以太网操作、监管和维护(OAM)帧之类的管理帧来操作通用输入输出(GPIO)接口的方法和系统。
背景技术
诸如汽车车内通信系统、某些工业通信系统和智能家居系统之类的各种应用需要在相对较短的距离上以高数据速率进行通信。已经针对这种应用提出了几种类型的协议和通信介质。例如，在2016年6月的题为“IEEE以太网标准；修订4：通过单个双绞铜缆进行的1Gb/s操作的物理层规范和管理参数(IEEE Standard for Ethernet；Amendment 4:Physical Layer Specifications and Management Parameters for 1Gb/s Operationover a Single Twisted-Pair Copper Cable)”的IEEE标准802.3bpTM-2016中指定汽车应用的通过双绞铜线介质进行的以太网通信”。为了简便起见，该标准在本文中称为“IEEE802.3bp”。IEEE 802.3bp标准的第97.3.8节指定了1000BASE-T1操作、监管和维护(OAM)。
以上描述作为本领域中相关技术的一般概述呈现，并且不应被解释为承认其包含的任何信息构成针对本专利申请的现有技术。
发明内容
本文中所描述的实施例提供了一种以太网物理层(PHY)设备，其操作为控制远程对等以太网PHY设备。以太网PHY设备包括PHY接口和PHY电路。PHY接口被配置为连接到物理链路。PHY电路配置为生成承载用于到对等以太网PHY设备的传输的数据的层-1帧；在层-1帧之间插入一个或多个管理帧，该一个或多个管理帧与层-1帧分开并且被配置为控制与对等以太网PHY设备相关联的通用输入输出(GPIO)端口；经由PHY接口通过物理链路向对等以太网PHY设备传输层-1帧和插入的管理帧，用于控制与对等以太网PHY设备相关联的GPIO端口的一个或多个操作；以及经由PHY接口接收一个或多个验证，该一个或多个验证确认一个或多个管理帧在对等以太网PHY设备处被成功接收。
在一些实施例中，PHY电路被配置为通过插入一个或多个操作、监管和维护(OAM)帧来插入管理帧。在一个实施例中，在管理帧中的至少一个管理帧中，PHY电路被配置为指示对等以太网PHY设备将GPIO端口设置为指定输出逻辑电平。在另一实施例中，在管理帧中的至少一个管理帧中，PHY电路被配置为指示对等以太网PHY设备读取GPIO端口的输入逻辑电平。在公开的实施例中，在管理帧中的至少一个管理帧中，PHY电路被配置为指示对等以太网PHY设备控制微控制器以在车辆中执行安全控制操作。
在一些实施例中，PHY电路被配置为从主机接收一个或多个管理帧。在其他实施例中，PHY电路被配置为经由寄存器接收用于控制GPIO端口的参数，并且基于该参数来构成一个或多个管理帧。
根据本文中所描述的实施例，附加地提供了一种由远程对等以太网PHY设备控制的以太网物理层(PHY)设备。以太网PHY设备包括PHY接口和PHY电路。PHY接口被配置为连接到物理链路。PHY电路被配置为经由PHY接口接收承载通过物理链路从对等以太网PHY设备发送的数据的层-1帧；在层-1帧之间接收一个或多个管理帧，该一个或多个管理帧从对等PHY设备发送以控制与以太网PHY设备相关联的通用输入输出(GPIO)端口；响应一个或多个管理帧中包括的指示而控制GPIO端口；并且经由PHY接口向对等以太网PHY设备传输一个或多个验证，该一个或多个验证确认一个或多个管理帧被成功接收。
在一些实施例中，PHY电路被配置为通过接收一个或多个操作、监管和维护(OAM)帧来接收管理帧。在一个示例实施例中，响应于管理帧中的至少一个管理帧，PHY电路被配置为将GPIO端口设置为指定的输出逻辑电平。在另一实施例中，响应于管理帧中的至少一个管理帧，PHY电路被配置为读取GPIO端口的输入逻辑电平；并且将GPIO的输入逻辑电平报告给对等以太网PHY设备。在一些实施例中，响应于管理帧中的至少一个管理帧，PHY电路被配置为控制微控制器以在车辆中执行安全控制操作。
根据本文中所描述的实施例，进一步提供了一种以太网通信系统，其包括微控制器、第一以太网PHY设备和第二以太网PHY设备。第一以太网PHY设备通过通用输入输出(GPIO)端口连接到微控制器。第二以太网PHY设备经由物理链路连接到第一以太网PHY设备。第二以太网PHY设备被配置为与第一以太网PHY设备交换承载数据的层-1帧；在层-1帧之间向第一以太网PHY设备传输一个或多个管理帧，该一个或多个管理帧与该层-1帧分开并且被配置为经由第一以太网PHY设备的GPIO端口控制微控制器；以及经由PHY接口从第一以太网PHY设备接收一个或多个验证，该一个或多个验证确认一个或多个管理帧在第一以太网PHY设备处被成功接收。
在一个实施例中，在管理帧中的至少一个管理帧中，第二以太网PHY设备被配置为在车辆中发起安全控制操作，第一以太网PHY设备被配置为经由GPIO端口控制微控制器以执行安全控制操作，以及微控制器被配置为响应于GPIO端口的控制而执行安全控制操作。
在另一实施例中，响应于管理帧中的至少一个管理帧，第一以太网PHY设备被配置为经由GPIO端口重置微控制器。在又一实施例中，响应于管理帧中的至少一个管理帧，第一以太网PHY设备被配置为经由GPIO端口读取微控制器的状态。在又一实施例中，第一以太网PHY设备被配置为控制GPIO端口，而与微控制器是工作还是故障无关。
根据本文中所描述的实施例，还提供一种用于控制远程对等以太网物理层(PHY)设备的方法。该方法包括：在通过物理链路连接到对等以太网PHY设备的以太网PHY设备中，生成承载用于到对等以太网PHY设备的传输的数据的层-1帧。在以太网PHY设备的层-1帧之间插入一个或多个管理帧。一个或多个管理帧与层-1帧分开，并且被配置为控制与对等以太网PHY设备相关联的通用输入输出(GPIO)端口。通过物理链路将层-1帧和插入的管理帧从以太网PHY设备传输到对等以太网PHY设备，用于控制与对等以太网PHY设备相关联的GPIO端口的一个或多个操作。在以太网PHY设备中从对等以太网PHY设备接收确认一个或多个管理帧在对等以太网PHY设备处得以成功接收的一个或多个验证。
根据本文中所描述的实施例，附加地提供了一种用于控制与以太网物理层(PHY)设备相关联的通用输入输出(GPIO)端口的方法。该方法包括：在以太网PHY设备中接收层-1帧，该层-1帧承载通过物理链路从对等以太网PHY设备发送的数据。在层-1帧之间接收从对等PHY设备发送以控制与以太网PHY设备相关联的GPIO端口的一个或多个管理帧。响应于一个或多个管理帧中包括的指示，控制与以太网PHY设备相关联的GPIO端口。从以太网PHY设备向对等以太网PHY设备传输确认一个或多个管理帧被成功接收的一个或多个验证。
根据结合附图对实施例的详细描述，可以更全面地理解本公开，其中
附图说明
图1是示意性地图示了根据本文中所描述的实施例的汽车通信系统的框图；
图2是示意性地图示了根据本文中所描述的实施例的图1的系统中的以太网物理层(PHY)设备的框图；
图3是示出了根据本文中所描述的实施例的承载GPIO命令的以太网操作、监管和维护(OAM)帧的图；
图4是示意性地图示了根据本文中所描述的实施例的用于控制对等以太网PHY设备中的通用输入输出(GPIO)端口的方法的流程图；
图5是示意性地图示了根据本文中所描述的实施例的航空通信系统的框图；以及
图6是示意性地图示了根据本文中所描述的另一实施例的通信系统的框图。
具体实施方式
本文中所描述的实施例提供了用于以太网通信的改进方法和系统，其中以太网PHY设备经由交换管理帧(例如，操作、监管和维护(OAM))帧来控制对等以太网PHY设备中的GPIO端口。
在一些实施例中，以太网PHY设备通过物理链路(例如，双绞链路)与对等PHY设备通信。在其他功能中，PHY设备被配置为以适合于通过物理链路(物理介质)传输到对等PHY设备的方式生成对层-2以太网帧进行编码的层-1帧。对等PHY设备(也称为“链路伙伴”)与通用输入输出(GPIO)端口(例如，其包括集成GPIO端口或本地连接到包括GPIO端口的主机)相关联。通常，对层-2帧进行编码以产生层-1帧的流不是一对一转换过程。编码过程通常根据针对可适用链路层技术指定的合适算法执行。
在组装层-1帧的流时，PHY设备被配置为在层-2以太网帧中对一个或多个以太网OAM帧进行编码，该一个或多个以太网OAM帧被配置为控制与对等PHY设备(有时也称为链路伙伴)相关联的GPIO端口。PHY设备被配置为通过物理链路向对等PHY设备传输层-1帧，该层-1帧包括层-2帧和OAM帧。
例如，如上文所引用的IEEE 802.3bp标准中所指定的，以太网OAM支持在相反方向上使用OAM帧的内置确认机制。在一些实施例中，PHY设备被配置为从对等PHY设备接收一个或多个OAM验证，该一个或多个OAM验证确认一个或多个OAM帧在对等以太网PHY设备处被成功接收。这样，用于控制远程GPIO端口的高度可靠机制完全在PHY链路层内(即，在OSI层-1内)实现。
原则上可以使用专用于GPIO控制的传统以太网帧来控制远程GPIO端口。然而，该解决方案影响媒体访问控制(MAC)层以及可能的上层，实现起来很复杂，并且会导致大延迟。另一方面，所公开的技术完全在PHY设备内实现而没有牵涉到上层，更易于实现，并且会导致最小的等待时间开销。
而且，使用专用以太网帧控制远程GPIO端口通常需要使用附加微控制器和软件堆栈，以及在其他数据帧中对这些以太网帧进行附加调度和交织。这种增加的复杂性带来了不可靠性和错过传递的风险。更进一步地，所公开的技术提供了对控制器区域网络(CAN)的适当替换，该控制器区域网络在一些传统汽车网络中用作电子控制单元(ECU)之间安全消息的冗余通信手段。如下文所要解释和说明的，所公开的技术的可靠性不依赖于其他系统或控制器。在一些典型实现方式中，所公开的解决方案在单个集成电路(IC)中完全独立。
在汽车应用(例如，其中各种汽车外围设备与电子控制单元(ECU)通信并且ECU彼此通信的系统)的上下文中对本文中所公开的实施例中的一些实施例进行描述。在航空通信系统的上下文中对其他示例实施例进行描述。一些示例用例涉及汽车和航空电子通信系统中的安全控制功能。然而，这些实施例和用例仅作为示例提供。所公开的技术同样适用于其他应用，例如，适用于工业和/或智能家庭网络。
为了清楚起见，本文中所描述的实施例主要是指以太网OAM帧。然而，通常，所公开的技术决不限于OAM帧，并且可以使用任何适当类型的管理帧来实现。
在一些实施例中，OAM帧由耦合到PHY设备的主机构成。在这些实施例中，PHY设备从主机接收OAM帧，并且将它们编码为层-1帧的流的一部分。在备选实施例中，OAM帧在PHY设备内部构成。在示例实施例中，PHY设备例如经由寄存器接收用于控制远程GPIO的参数，并且基于所接收的参数来构成OAM帧。
图1是示意性地图示了根据本文中所描述的实施例的汽车通信系统20的框图。系统20通常安装在车辆(例如，乘用车)中。系统20包括一个或多个汽车电子控制单元(ECU)24和主汽车ECU 28，其使用以太网通信来控制多个汽车外围设备32。
在其他任务中，ECU 24和主ECU 28通过发送嵌入在以太网OAM帧中的安全状态消息并且基于嵌入的安全状态消息来控制远程GPIO端口来验证各个系统部件的安全状态，如下文所解释详细的。在本示例中，系统20根据上文所引用的IEEE 802.3bp标准进行操作。然而，可替代地，可以使用任何其他合适的以太网标准或其他合适的网络通信协议。所公开的技术可以用于修改任何合适的物理层以承载用于远程GPIO控制目的的额外信息。
在各种实施例中，汽车外围设备32可以包括例如激光雷达、雷达、相机、立体声放大器、远程信息处理无线电、车身ECU、动力总成和/或任何其他合适类型的外围设备。为了通信和控制的目的，每个外围设备32包括主机控制器(也称为片上系统(SoC)36)和PHY设备40。每个外围设备32通过相应物理链路连接到ECU 24中的一个ECU 24。
每个ECU 24包括与外围设备32通信的多个PHY设备44。每个PHY设备44包括执行PHY设备的PCS功能的物理编码子层(PCS)电路48和执行PHY设备的PMA功能的物理媒体附件子层(PMA)电路52。
在一个实施例中，每个ECU 24还包括汽车以太网网络交换机56，其将外围设备32连接到主ECU 28。交换机56包括多个端口57。每个PHY设备48连接到交换机56的相应端口57。每个ECU 24还包括安全微控制器(μC)68，其验证ECU 24和/或相关联的外围设备32的安全状态，并且向主ECU 28发送对应安全消息。安全μC 68包括状态输出电路72，该状态输出电路72输出安全状态消息作为一个或多个逻辑信号(在图中表示为“状态”)。
在本示例中，每个ECU 24包括PHY设备58，该PHY设备58负责与主ECU 28通信。PHY设备58连接到交换机56的端口57中的一个端口，并且连接到将ECU 24与主ECU 28连接的物理链路62。在本示例中，该链路62包括符合IEEE 802.3bp的双绞链路。
作为与主ECU 28的通信的一部分，PHY设备58传输传统层-2以太网帧，并且还传输由嵌入在以太网OAM帧中的安全μC 68生成的安全状态消息。通常，PHY设备58根据可适用链路层算法将层-2以太网帧与OAM帧组合，以形成层-1帧以通过物理介质传输。在IEEE802.3bp的情况下，物理介质包括非屏蔽双绞线(UTP)。
ECU 24的PHY设备58包括PCS电路系统48、PMA电路系统60和GPIO控制电路系统64。GPIO控制电路系统64使用(一个或多个)相应GPIO输入端口从安全μC 68接收承载安全状态消息的(一个或多个)逻辑信号。PHY设备58将安全状态消息嵌入以太网OAM帧中，并且将OAM帧插入通过链路62传输到主ECU 28的以太网层1帧的流中。在下文的图2中对该功能以及PHY设备58的内部结构进行更详细的解析。
主ECU 28包括网络交换机56、连接到网络交换机56的端口57的多个PHY设备58、以及主安全μC 76。每个PHY设备58通过相应物理链路62连接到相应ECU 24。
在主ECU 28的每个PHY设备58中，PMA电路60和PCS电路48在ECU 24和主ECU 28的交换机56之间传送传统以太网业务。另外，在主ECU 28的每个PHY设备58中，PCS电路48从层-1帧的流中提取OAM帧，该层-1帧的流从ECU 24接收；从OAM帧中提取安全状态消息；并且将安全状态消息发送到GPIO控制电路64。GPIO控制电路64根据安全状态消息设置一个或多个GPIO输出。主安全μC 76包括状态输入电路80，该状态输入电路80从PHY设备58接收GPIO输出。主安全μC 76可以响应于从ECU 24的各种安全μC 68接收的安全状态消息来发起任何适当的安全相关动作。
图2是示意性地图示了根据本文中所描述的实施例的系统20的以太网PHY设备58的内部结构的框图。通常，ECU 24和主ECU 28中的PHY设备58具有类似内部结构。在本示例中，PCS电路48包括PCS传输(TX)电路100、PCS接收(RX)电路104、以及PCS OAM电路108。
PCS TX电路100接收用于传输(例如，从交换机56)的以太网层-2帧，对其进行编码以产生层-1帧的流，并且将层-1帧提供给PMA电路60。PMA电路60(本文中也称为PHY接口)通过物理链路62传输层-1帧。在相反方向上，PMA电路60通过物理链路62接收层-1帧，并且将其传递到PCS RX电路104。PCS RX电路104对层-1帧进行解码以产生层-2帧，并且输出层-2帧(例如，到交换机56)。
在一些实施例中，PHY设备58还包括PHY控制器112、链路监测器116和GPIO控制电路64。PHY控制器112通过串行管理接口(SMI)连接到交换机56(例如，交换机56中的媒体访问控制(MAC)设备)，例如，用于从交换机接收控制命令和配置命令。交换机56可以例如经由SMI初始化和监测PHY设备58。链路监测器116被配置为监测通过物理链路62进行的通信的质量。
在一些实施例中，PHY控制器112还负责传输和接收安全状态消息。当PHY设备58在ECU 24中的一个ECU中操作时，PHY控制器112(经由GPIO控制电路64从安全μC 68)接收指示要报告给主ECU 28的安全状态消息的逻辑值。PHY控制器112将逻辑值发送到PCS OAM电路108。PCS OAM电路108构造承载安全状态消息的一个或多个OAM帧，并且将OAM帧包括在PCSTX电路100产生的层-1帧的流中。PMA电路60通过链路62传输已经从层-2以太网帧和OAM帧编码的层-1帧。
当PHY设备58在主ECU 28中操作时，PMA电路60通过链路62从ECU 24中的一个ECU接收层-1帧的流，该层-1帧对层-2以太网帧以及承载安全状态消息的一个或多个OAM帧进行编码。PMA电路60将层-1帧的流传递到PCS RX电路104。PCS OAM电路108从该流中提取OAM帧，从OAM帧中提取安全状态消息，并且将对应逻辑值发送到PHY控制器112。PHY控制器112将逻辑值发送到GPIO控制电路64，该GPIO控制电路64继而设置适当的GPIO输出。以这种方式提供GPIO输出，作为对主安全μC 76的状态输入电路80的输入。
在本文中所描述的实施例中，逻辑值(其在安全μC 68和主安全μC 76之间交换并且指示安全状态消息)是静态离散逻辑值。然而，所公开的技术不限于这种实现方式。在备选实施例中，逻辑值中的任一逻辑值都可以随时间改变，因此例如形成承载多位信息的逻辑值的时间模式。通过随时间变化某个GPIO端口(引脚)上的逻辑值，可以实现串行数据链路，该串行数据链路可以根据任何合适的协议在PHY设备之间传送数据。通过变化与多个相应GPIO端口(引脚)相对应的多个逻辑值，所公开的技术可以用于实现PHY设备之间的并行数据链路。附加地或可替代地，逻辑值不一定是离散数字值，并且可以包括以任何适当方式承载信息的模拟波形。
在本上下文中，PCS电路48(包括PCS TX电路100、PCS RX电路104和PCS OAM电路108)、PHY控制器112、GPIO控制电路64和链路监测器116共同称为“PHY电路”。在备选实施例中，可以以任何其他合适的方式来实现PHY电路。
图3是示出了根据本文中所描述的实施例的承载GPIO命令(例如，安全状态消息)的OAM帧的图。在一个实施例中，PHY设备(例如，图1和图2的PHY设备58)使用这种OAM帧来控制链路伙伴(例如，远程PHY设备58)的远程GPIO端口。图3的示例OAM帧的结构符合上文所引用的IEEE 802.3bp标准的第97.3.8节。然而，所公开的技术绝不限于任何特定格式和任何其他合适的格式。而且，如上文所指出的，可以使用其他合适种类的管理帧而不一定使用OAM帧来实现所公开的技术。
从图中看出，OAM帧包括十二个符号(其表示为符号_0至符号_11)，每个符号包括九个位(其表示为D0至D8)。符号_0、符号_1的位D4-D7、符号_10和符号_11、以及每个符号的位D8的定义如IEEE 802.3bp所示。
在一些实施例中，占据符号_1的位D0-D3的“消息编号(Message number)”字段120设置为专用于指示GPIO消息的四位值。在各种实施例中，符号_2到符号_10中的任一个或全部可以用作用于一个或多个实际GPIO命令的空间124。在一个实施例中，每个符号用于指定远程PHY设备的相应不同的GPIO端口(输入或输出)的GPIO命令。
在一个实施例中，尽管可以使用任何其他合适的值，但是OAM帧的符号_1中的“消息编号”字段120被设置为4b'1111。GPIO命令嵌入在OAM帧的符号_8和符号_9中，如下所示：
Figure BDA0002458858280000111
表1：示例GPIO命令格式(在OAM帧中)
可以看出，符号_9被设置为0x01以指示OAM帧承载远程GPIO命令。符号_8中的GPIO命令包括以下字段：
■GPIO命令代码(0x00指示GPIO读取请求，0x01指示GPIO写入请求，0x02指示GPIO读取响应(即，确认)，而0x03指示预留值)。
■GPIO方向位(“1”＝输出，“0”＝输入)。
■GPIO值(“1”＝高，“0”＝低)。
可替代地，可以使用任何其他合适的格式和/或任何其他合适的数值来将GPIO命令嵌入OAM帧中。
在一个实施例中，当在两个链路伙伴(PHY设备)中启用了所公开的远程GPIO功能时，该功能在链接后就开始工作。在操作期间，每个GPIO端口(引脚)的引脚状态和值通常都镜像到(远程PHY设备的)GPIO控制电路64和远程GPIO寄存器两者。在一个实施例中，按照上述表1的示例，远程PHY设备处的GPIO寄存器具有以下格式：
Figure BDA0002458858280000121
表2：示例GPIO寄存器格式
在该示例中，GPIO寄存器的位定义如下：
■位<15>：启用远程GPIO控制特征。
■位<14:8>：预留并且设置为全0。
■位<7>：设置为1以执行GPIO读取/写入。当位6(如下文所定义的)指示GPIO写入时，PHY设备自动将“GPIO写入请求”与GPIO方向和位<5:0>中的值一起发送到链路伙伴。当位6指示GPIO读取时，PHY设备自动发送“GPIO读取请求”，并且使用接收的GPIO方向以及随后接收的“GPIO读取响应”OAM帧中的值更新位<5:0>。当链路伙伴确认GPIO写入或接收到GPIO读取请求的GPIO读取响应时，该位自动清除。
■位<6>：0＝读取，1＝写入
■位<5:3>：GPIO方向<2:0>
■位<2:0>：GPIO值<2:0>
在一个实施例中，GPIO信息的更新速率被设置为匹配OAM周期(3.6μs*12＝43.2μs)。当启用所公开的远程GPIO特征时，在接收到承载GPIO命令的新OAM帧后，远程PHY设备就会解释“GPIO命令”字段以确定适当操作。
如果GPIO命令是“GPIO写入请求”，则远程PHY设备根据OAM帧中指示的方向和值更新其本地GPIO寄存器和GPIO引脚，并且将OAM帧标记为读取。在服务GPIO命令时，(IEEE802.3bp中指定的)mr_rx_lp_valid状态变量清除为“0”，以指示PHY设备已准备好下一OAM帧。
当GPIO命令是“GPIO读取请求”时，远程PHY设备将“远程GPIO OAM”帧发送回到请求PHY设备。在该“远程GPIO OAM”帧中，GPIO命令被设置为“GPIO读取响应”，并且“GPIO方向”和“GPIO值”字段反映本地GPIO寄存器的当前状态。在服务GPIO命令时，mr_rx_lp_valid被清除为“0”以指示PHY设备已准备好下一OAM帧。
当GPIO命令为“GPIO读取响应”时，接收方PHY设备将接收的远程GPIO方向和值存储在其远程GPIO寄存器中。在服务该命令时，如果读取请求源自远程GPIO寄存器，则mr_rx_lp_valid被清除为“0”，以准备下一OAM帧。否则，mr_rx_lp_valid保持在“1”，以供管理实体通过OAM消息寄存器进行处理。
在一些实际场景中，可能发生现有OAM帧正在进行中(即，已传输但尚未确认)，同时另一用户OAM帧正在等待传输。在这种情况下，PHY设备通常在确认现有OAM传输之后但在传输下一用户OAM消息之前，立即传输远程GPIO OAM帧。管理实体通常会对以下场景进行检测和处理：由于链路伙伴的管理实体不像正常的OAM操作中那样处理OAM，所以无法在延长的时间段内传输OAM帧。
在一个实施例中，例如，当使用“开漏”镜像时，单个GPIO端口(引脚)可以用于双向信令，即，既作为输入又作为输出。这种实现方式很有用，例如，双向传送两线串行接口以进行远程系统的初始化、监测或管理。在示例实施例中，在初始化或其他管理任务完成之后，可以执行模式切换以将GPIO引脚用作单向引脚。
图4是根据本文中所描述的实施例的由以太网PHY设备58执行的用于控制对等以太网PHY设备58中的GPIO端口的方法的流程图。该方法开始于PHY设备的主机(例如，网络交换机56中的MAC设备)在OAM帧构成操作130处构成其中嵌入有GPIO命令的OAM帧。主机将OAM帧写入主机的OAM寄存器。在写入操作134处，主机通过SMI将来自OAM寄存器的OAM帧写入PHY设备。
在插入操作138处，PHY设备的PHY控制器112和PCS OAM电路108包括在PCS TX电路100例如在两个连续层-2以太网帧之间从层-2以太网帧产生的层-1帧的流中的OAM帧。在传输操作142处，PHY设备的PMA电路60使用媒体相关接口(MDI)(例如，通过链路62)向对等PHY设备传输层-1帧。层-1帧传达层-2以太网帧和OAM帧。
在对等PHY设备中，PMA电路60接收层-1帧的流，并且PCS OAM电路108在接收和提取操作146处从该流中提取OAM帧。在GPIO命令处理操作150中，PHY控制器112将OAM帧标识为承载GPIO命令，并且相应控制GPIO控制电路64。例如，如果GPIO命令是写入命令，则PHY控制器112将命令中指定的值写入命令中指定的GPIO端口。如果GPIO命令是读取命令，则PHY控制器112从命令中指定的GPIO端口读取值。
在确认操作154处，对等PHY设备的PHY控制器112构成确认消息，并且将其返回到发起GPIO命令的PHY设备。如IEEE 802.3bp的第97.3.8.2.8节所规定的，确认消息本身就是以相反方向发送的OAM帧。
图4的方法是示例方法，仅为了清楚起见对其进行了描绘。在备选实施例中，PHY设备和对等PHY设备可以使用任何其他合适的操作流程来执行所公开的技术。例如，在备选实施例中，PHY设备而非主机构成承载GPIO命令的OAM帧。在该实施例中，主机通常发送命令参数(例如，命令代码、GPIO端口编号、以及在写入命令的情况下要写入的值)，并且PHY控制器112使用这些参数来构成OAM帧。
在各个实施例中，PHY设备可以使用所公开的技术来使用远程PHY设备的一个或多个GPIO端口来应用任何合适动作。在一个示例实施例中，远程PHY设备的GPIO端口连接到远程主机的重置引脚，并且PHY设备使用所公开的技术通过物理以太网链路远程重置远程主机。在另一示例实施例中，远程主机的“状态输出”端口连接到远程PHY设备的GPIO端口，并且PHY设备使用所公开的技术通过物理以太网链路远程查询远程主机的状态。在一个实施例中，使用合适逻辑(例如，“或”或“或非”门)组合两个或更多个远程主机的“状态输出”端口，并且该逻辑的输出连接到远程PHY设备的GPIO端口。这样，PHY设备能够使用单个GPIO端口查询多个远程主机的组合状态(例如，主机中的任一主机是否发生故障)。
上文的描述说明了所公开的远程GPIO控制技术的示例用例，用于在汽车通信系统中的安全微控制器之间交换安全状态消息。下文的描述提供了两个附加示例用例，一个示例用例与简化航空电子系统中的软件验证有关，而另一示例用例与控制器之间的透明的基于GPIO的通信有关。
图5是示意性地图示了根据本文中所描述的实施例的航空电子通信系统的框图。在图5的系统中，主系统微控制器(μC)160耦合到以太网PHY设备168，并且远程μC 164耦合到以太网PHY设备172。PHY设备168和172是链路伙伴，并且通过合适物理链路(例如，双绞链路)使用MDI彼此通信。对于数据传输，主μC 160通过MAC接口向PHY设备168发送层-2帧中的数据，PHY设备168使用MDI向PHY设备172发送层-1帧中的数据，而PHY设备172通过MAC接口向远程μC 164发送层-2帧中的数据。
除了在μC 160和164之间进行数据传送之外，在本示例中，还需要通过同一物理链路(MDI)传送安全消息。重复使用同一物理链路来传送安全消息是有用的，例如用于减少导线的数目并且简化接线过程。
在一个示例用例中，具有四个可能值(其表示为状态_0至状态_3)的安全状态要被传送到飞机娱乐系统，例如，以便在公共广播(PA)期间暂停娱乐系统。为了简化软件验证，希望独立于主μC 160和远程μC 164传送安全消息。
在图5的实施例中，使用安全控制μC 176、4-到-2编码器180和2-到-4解码器184，独立于系统的其余部分来传送安全消息(安全状态值)。附加地，PHY设备168具有表示为GPIO1和GPIO2的两个GPIO输入端口，并且PHY设备172具有表示为GPIO1和GPIO2的两个GPIO输出端口。这两个PHY设备被配置为向PHY设备172传送PHY设备168的GPIO1和GPIO2的输入值，并且将PHY设备172的GPIO1和GPIO2输出设置为这些值。如上所述，PHY设备通过将两个GPIO值作为GPIO命令嵌入OAM帧来传送这两个GPIO值。
在本示例中，通过与状态_0至状态_3相对应的四个输入(在图的左侧上)提供安全状态的值。这些输入中的单个输入被设置为“1”以指示当前安全状态，而其他输入被设置为“0”。4-到-2编码器180将这四个输入转换为两位值，并且将这两个位作为输入提供给PHY设备168的端口GPIO1和GPIO2。PHY设备168使用所公开的技术将GPIO1和GPIO2的值传送到其链路伙伴(也称为“对等PHY设备”)，PHY设备172。PHY设备172将其GPIO1和GPIO2输出设置为这些值。2-到-4解码器184对GPIO1和GPIO2所承载的两位值进行解码，以重构并且输出四个原始值状态_0至状态_3(在图的右侧上)。
在该实施例中，传送安全消息由安全控制μC 176进行管理，独立于系统中的其他微控制器。在本示例中，主系统μC 160和PHY设备168之间的串行管理接口(SMI)通过安全控制μC 176。该配置是有用的，例如，用于确保系统的安全方面稍后不能由主μC 160重新配置(例如，通过已经损害主μC的恶意软件)。然而，并非必须经由安全控制μC 176传递SMI。
在正常操作期间，安全控制μC 176使得SMI业务能够在主系统μC 160和PHY设备168之间透明通过。为了传送安全消息，安全控制μC 176覆盖SMI，即，防止主系统μC 160的SMI业务传递到PHY设备168，并且控制PHY设备168本身。安全控制μC 176通常还会在上电时初始化PHY设备168和172。
通常，安全控制μC 176很小，并且只运行少量的简单软件代码。如此，并且由于安全控制μC 176与μC 160和164分开，所以大大简化了安全相关软件的验证。例如，当在μC160或164中更新软件时，无需重新验证安全相关软件。
图6是示意性地图示了根据本文中所描述的另一实施例的通信系统的框图。图6的实施例演示了其中GPIO端口是主机的一部分而非PHY设备的一部分的配置。在本公开的上下文中并且在权利要求中，GPIO端口被称为与PHY设备相关联。术语“与...相关联”是指其中GPIO端口是PHY设备的一部分的实现方式(如同在图1、图2和图5的示例中一样)，并且是指其中GPIO端口是耦合到PHY设备的主机的一部分的实现方式(如同图6的示例中一样)。
在图6的系统中，主系统μC 160耦合到以太网PHY设备188，而远程系统μC 164耦合到以太网PHY设备192。PHY设备188和192是链路伙伴，并且通过合适物理链路(例如，双绞链路)使用MDI彼此通信。对于从主μC 160到远程μC 164的数据传输，主μC 160通过MAC接口向PHY设备188发送层-2帧中的数据，PHY设备188使用MDI向PHY设备192发送层-1帧中的数据，并且PHY设备192通过MAC接口向远程μC 164发送层-2帧中的数据。
另外，图6的系统包括一对辅助μC 196和200，它们使用同一对PHY设备188和192通过同一MDI彼此通信。在本示例中，μC 196向μC 200发送三个二进制值，这三个二进制值表示为GPIO1，GPIO2和GPIO3。辅助μC 196和200之间的通信独立于μC 160和164之间的通信。
与先前所描述的实施例不同，在本示例中，GPIO输入和输出是主机(在本示例中，为辅助μC)的一部分，而非PHY设备的一部分。
在本实施例中，主系统μC 160和PHY设备188之间的SMI接口通过辅助μC 196。同样，远程系统μC 164和PHY设备192之间的SMI接口通过辅助μC 200。在主系统μC 160和远程系统μC 164之间的通信期间，辅助μC 196使得SMI业务能够在主系统μC 160和PHY设备188之间透明通过，而辅助μC 200使得SMI业务能够在远程系统μC 164和PHY设备192之间透明通过。
为了使辅助μC 196和200彼此通信，辅助μC 196和200中的每个辅助μC都覆盖相应SMI并且控制相应PHY设备本身。覆盖SMI允许辅助μC 196和200控制PHY设备188和192中用于插入或读取OAM帧的寄存器。附加地，覆盖SMI允许辅助μC 196和200以防止主μC 160和远程μC 164中断辅助μC之间的通信信道(例如，由于恶意软件)。
在图6的实施例中，辅助μC 196通过构成承载作为GPIO命令的这些值的OAM帧并且将OAM帧写入PHY设备188来向辅助μC 200传输GPIO1，GPIO2和GPIO3的值。PHY设备188使用所公开的技术向PHY设备192传输OAM帧作为层-1帧的流的一部分。PHY设备192从该流中提取OAM帧，并且将该OAM帧写入辅助μC 200，该辅助μC 200又相应设置其GPIO1，GPIO2和GPIO3输出。
图1、图5和图6所示的通信系统以及它们的部件(诸如图2所示的以太网PHY设备和各种ECU和微控制器)的配置是仅为了清楚起见而描绘的示例配置。在备选实施例中，可以使用任何其他合适的配置。
例如，如上文所指出的，逻辑值(其在PHY设备之间传送以控制GPIO端口)可以是离散值或模拟值、静态值或时变值。逻辑值可以形成承载多位信息的时间模式。通过随着时间变化一个或多个逻辑值，所公开的技术可以用于实现PHY设备之间的串行或并行数据链路。作为另一示例，GPIO端口可以用于双向信令或通信，例如，使用开漏配置。可以使用这些特征的任何组合，并且可以在任何所需时间重新配置任何特征。在示例实施例中，所公开的技术用于实现PHY设备之间的协议接口。这样的接口可以用于例如远程配置PHY设备。为了清楚起见，已经从图中省略了对于理解所公开的技术而言不是必需的元件。
所公开的通信系统的不同元件及其部件可以例如在一个或多个专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)中使用专用硬件或固件(诸如使用硬连线或可编程逻辑)来实现。附加地或可替代地，一些功能(例如，微控制器68和76(图1)、PHY控制器112(图2)、微控制器160，164和176(图5)和/或微控制器196和200(图6)中的任一个的功能)可以以软件和/或使用硬件元件和软件元件的组合来实现。
在一些实施例中，微控制器68和76(图1)、PHY控制器112(图2)、微控制器160，164和176(图5)和/或微控制器196和200(图6)中的任一个可以包括可编程处理器，该可编程处理器以软件编程以执行本文中所描述的功能。该软件可以例如通过网络以电子形式下载到处理器，或者可以可替代地或附加地将其提供和/或存储在诸如磁性存储器、光学存储器或电子存储器之类的非暂态有形介质上。
如上文所指出的，尽管本文中所描述的实施例主要涉及汽车应用和航空电子应用，但是本文中所描述的方法和系统还可以用于牵涉到控制GPIO端口的其他应用中，诸如用于工业或智能家居通信系统中。
应当指出，上文所描述的实施例通过示例引用，并且本发明不限于上文已经具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上述各种特征的组合和子组合两者，以及本领域技术人员在阅读前述描述后将想到的并且现有技术中未公开的其变型和修改。通过引用并入本专利申请的文件应当被认为是本申请的组成部分，除了任何术语以与本说明书中明确或隐含的定义相冲突的方式在这些并入文件中定义的范围之外，应当仅考虑本说明书中的定义。

Claims (21)

1.一种操作以控制远程对等以太网物理层PHY设备的以太网PHY设备，所述以太网PHY设备包括：
PHY接口，被配置为连接到物理链路；以及
PHY电路，被配置为：
生成层-1帧，所述层-1帧承载用于到对等以太网PHY设备的传输的数据；
在所述层-1帧之间插入一个或多个管理帧，所述一个或多个管理帧与所述层-1帧分开并且被配置为控制与所述对等以太网PHY设备相关联的通用输入输出GPIO端口；
经由所述PHY接口通过所述物理链路向所述对等以太网PHY设备传输所述层-1帧和所插入的所述管理帧，用于控制与所述对等以太网PHY设备相关联的所述GPIO端口的一个或多个操作；以及
经由所述PHY接口接收一个或多个验证，所述一个或多个验证确认所述一个或多个管理帧在所述对等以太网PHY设备处被成功接收。
2.根据权利要求1所述的以太网PHY设备，其中所述PHY电路被配置为通过插入一个或多个操作、监管和维护OAM帧来插入所述管理帧。
3.根据权利要求1所述的以太网PHY设备，其中在所述管理帧中的至少一个管理帧中，所述PHY电路被配置为指示所述对等以太网PHY设备将所述GPIO端口设置为指定的输出逻辑电平。
4.根据权利要求1所述的以太网PHY设备，其中在所述管理帧中的至少一个管理帧中，所述PHY电路被配置为指示所述对等以太网PHY设备读取所述GPIO端口的输入逻辑电平。
5.根据权利要求1所述的以太网PHY设备，其中在所述管理帧中的至少一个管理帧中，所述PHY电路被配置为指示所述对等以太网PHY设备控制微控制器以在车辆中执行安全控制操作。
6.根据权利要求1所述的以太网PHY设备，其中所述PHY电路被配置为从主机接收所述一个或多个管理帧。
7.根据权利要求1所述的以太网PHY设备，其中所述PHY电路被配置为经由寄存器接收用于控制所述GPIO端口的参数，并且基于所述参数来构成所述一个或多个管理帧。
8.一种由远程对等以太网物理层PHY设备控制的以太网PHY设备，包括：
PHY接口，被配置为连接到物理链路；以及
PHY电路，被配置为：
经由所述PHY接口接收层-1帧，所述层-1帧承载通过所述物理链路从所述对等以太网PHY设备发送的数据；
在所述层-1帧之间接收一个或多个管理帧，所述一个或多个管理帧从所述对等PHY设备发送以控制与所述以太网PHY设备相关联的通用输入输出GPIO端口；
响应于所述一个或多个管理帧中包括的指示，控制所述GPIO端口；以及
经由所述PHY接口向所述对等以太网PHY设备传输一个或多个验证，所述一个或多个验证确认所述一个或多个管理帧被成功接收。
9.根据权利要求8所述的以太网PHY设备，其中所述PHY电路被配置为通过接收一个或多个操作、监管和维护OAM帧来接收所述管理帧。
10.根据权利要求8所述的以太网PHY设备，其中响应于所述管理帧中的至少一个管理帧，所述PHY电路被配置为将所述GPIO端口设置为指定的输出逻辑电平。
11.根据权利要求8所述的以太网PHY设备，其中响应于所述管理帧中的至少一个管理帧，所述PHY电路被配置为读取所述GPIO端口的输入逻辑电平，并且将所述GPIO的所述输入逻辑电平报告给所述对等以太网PHY设备。
12.根据权利要求8所述的以太网PHY设备，其中响应于所述管理帧中的至少一个管理帧，所述PHY电路被配置为控制微控制器以在车辆中执行安全控制操作。
13.一种以太网通信系统，包括：
微控制器；
第一以太网PHY设备，其通过通用输入输出GPIO端口连接到所述微控制器；以及
第二以太网PHY设备，其经由物理链路连接到所述第一以太网PHY设备，所述第二以太网PHY设备被配置为：
与所述第一以太网PHY设备交换承载数据的层-1帧；
在所述层-1帧之间向所述第一以太网PHY设备传输一个或多个管理帧，所述一个或多个管理帧与所述层-1帧分开并且被配置为经由所述第一以太网PHY设备的所述GPIO端口控制所述微控制器；以及
经由所述PHY接口从所述第一以太网PHY设备接收一个或多个验证，所述一个或多个验证确认所述一个或多个管理帧在所述第一以太网PHY设备处被成功接收。
14.根据权利要求13所述的以太网通信系统，其中：
在所述管理帧中的至少一个管理帧中，所述第二以太网PHY设备被配置为在车辆中发起安全控制操作；
所述第一以太网PHY设备被配置为经由所述GPIO端口控制所述微控制器以执行所述安全控制操作；以及
所述微控制器被配置为响应于所述GPIO端口的控制而执行所述安全控制操作。
15.根据权利要求13所述的以太网通信系统，其中响应于所述管理帧中的至少一个管理帧，所述第一以太网PHY设备被配置为经由所述GPIO端口重置所述微控制器。
16.根据权利要求13所述的以太网通信系统，其中响应于所述管理帧中的至少一个管理帧，所述第一以太网PHY设备被配置为经由所述GPIO端口读取所述微控制器的状态。
17.根据权利要求13所述的以太网通信系统，其中所述第一以太网PHY设备被配置为控制所述GPIO端口，而不管所述微控制器是工作还是故障。
18.一种用于控制远程对等以太网物理层PHY设备的方法，所述方法包括：
在通过物理链路连接到所述对等以太网PHY设备的以太网PHY设备中，生成层-1帧，所述层-1帧承载用于到所述对等以太网PHY设备的传输的数据；
在所述以太网PHY设备中，在所述层-1帧之间插入一个或多个管理帧，所述一个或多个管理帧与所述层-1帧分开并且被配置为控制与所述对等以太网PHY设备相关联的通用输入输出GPIO端口；
通过所述物理链路将所述层-1帧和所插入的所述管理帧从所述以太网PHY设备传输到所述对等以太网PHY设备，用于控制与所述对等以太网PHY设备相关联的所述GPIO端口的一个或多个操作；以及
在所述以太网PHY设备中从所述对等以太网PHY设备接收一个或多个验证，所述一个或多个验证确认所述一个或多个管理帧在所述对等以太网PHY设备处被成功接收。
19.根据权利要求18所述的方法，其中插入所述管理帧包括：插入一个或多个操作、监管和维护OAM帧。
20.一种用于控制与以太网物理层PHY设备相关联的通用输入输出GPIO端口的方法，所述方法包括：
在所述以太网PHY设备中接收层-1帧，所述层-1帧承载通过物理链路从对等以太网PHY设备发送的数据；
在所述层-1帧之间接收一个或多个管理帧，所述一个或多个管理帧从所述对等PHY设备发送以控制与所述以太网PHY设备相关联的所述GPIO端口；
响应于所述一个或多个管理帧中包括的指示，控制与所述以太网PHY设备相关联的所述GPIO端口；以及
从所述以太网PHY设备向所述对等以太网PHY设备传输一个或多个验证，所述一个或多个验证确认所述一个或多个管理帧被成功接收。
21.根据权利要求20所述的方法，其中接收所述管理帧包括：接收一个或多个操作、监管和维护OAM帧。
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