CN111984574A - 一种基于通用串行收发接口背板总线交换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于通用串行收发接口背板总线交换系统，包括数据链路层协议、设备和总线交换芯片，数据链路层协议的帧结构包括帧头、源地址标识、目的地址标识、协议族标识、协议标识、负荷长度、负荷和校验码；设备包括交换设备、全特性节点设备和透明节点设备，交换设备用于接收每个端口上的帧，全特性节点设备指的是完整实现了数据链路层协议的设备，透明节点设备具有通用异步收发接口；透明节点设备通过通用异步收发接口直接发送信息内容。本发明具有通用性强、成本低的特点，基于包交换技术，可以实现任意节点之间通信，也可以实现一对多的广播、组播通信。

Description

一种基于通用串行收发接口背板总线交换系统
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，尤其涉及一种基于通用串行收发接口背板总线交换系统。
背景技术
模块化设计的机架式设备中，通常需要提供一条或多条背板总线，用来连接各个板卡模块，实现模块间的通信、管理等功能。根据设备功能的不同、板卡模块功能的不同等，设计背板时选择的背板总线技术也各不相同。常用的背板总线技术有：背板以太网、IIC总线、PCI/CPCI/CPCIE总线等。
背板以太网基于以太网技术，每个板卡模块上提供一个以太网接口，在背板上提供一个以太网交换机，通过以太网交换机实现各个板卡模块之间的数据通信。以太网技术成熟，支持10M/100M/1000M/10G/40G…等多种数据速率接口，既可以用于成本较低的设备，也可以用于对通信速率有较高要求的场合。其缺点在于，每块板卡模块都需要提供以太网接口，这就需要支持以太网接口的微处理器和相应的以太网物理层芯片，同时背板需要提供10～20路接口的以太网交换机，难以进一步降低成本。
IIC总线是一种电路并联的主从模式时分复用总线。IIC总线成本低，线路简单，支持广泛，常用于板卡模块的信息识别、管理和低速数据传输。但是IIC总线所有设备并联在一组线路上，任何一个节点发生故障，都可能会无限期占用总线，导致总线锁死。同时，IIC总线的主从架构模式下，只能由主节点发起通信请求，从节点向主节点做出相应，而一组总线上只能存在一个主节点，这就导致从节点之间无法直接通信。
PCI/CPCI/CPCIE等并行数据总线是常用于x86_64架构的工业计算机的背板数据总线。此类总线对x86_64架构的CPU支持性好，兼容设备多。其缺点是：PCI/CPCI并行总线需要大量数据/地址线，背板走线密度高，线路受到干扰的概率随走线数量增加而增加；背板生产成本高；随着接入总线的模块数量增加，总线通信数据速率会相应降低。CPCIE基于PCI-E串行接口，数据速率高，但是对背板质量要求高，对非x86_64架构的设备支持性差，接口芯片成本高。
发明内容
1.要解决的技术问题
本发明的目的是为了解决现有技术中背板总线交换技术成本较高、兼容性差和通信方式较为单一的问题，而提出的一种基于通用串行收发接口背板总线交换系统。
2.技术方案
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于通用串行收发接口背板总线交换系统，包括数据链路层协议、设备和总线交换芯片，其特征在于，在通用异步收发接口作为物理层技术的基础上，专门定义了数据链路层协议；
所述数据链路层协议的帧结构包括帧头、源地址标识、目的地址标识、协议族标识、协议标识、负荷长度、负荷、校验码，协议族标识和协议标识也可以用来表示源端口与目的端口，具体含义由通信双方协定；
所述数据链路层协议的节点地址可以由节点主动声明获取，也可以由交换节点静态或动态分配。
优选地，所述设备包括交换设备、全特性节点设备、透明节点设备；所述交换设备用于接收每个端口上的帧，并根据帧的目的地址将其转发给其他节点，交换设备自身也可以持有地址；所述全特性节点设备指的是完整实现了权利要求1所述的数据链路层协议的设备；所述透明节点设备指的是具有通用异步收发接口，但没有实现权利要求1所述的数据链路层协议的设备。
优选地，所述总线交换芯片实现了权利要求2定义的交换设备的功能，所述总线交换芯片可以基于FPGA或CPLD芯片实现，也可以基于微处理器加通用异步收发接口扩展芯片实现，也可以由ASIC实现。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本发明中，具有通用性强、成本低的特点，基于包交换技术，可以实现任意节点之间通信，也可以实现一对多的广播、组播通信。
(2)本发明中，与背板以太网技术相比，主流微处理器均支持通用异步收发接口，不需要专门的网络处理器和以太网PHY接口芯片。
(3)本发明中，与基于IIC总线的背板总线相比，该技术具有容错能力强、通信速率高、通信方式灵活的特点，不会因为一个节点异常导致整个总线锁死，任意节点之间可以直接通信，每个节点的通信速率可以不同。
(4)本发明中，与CPCI等并行总线相比，该技术利用两条串行线路进行通信，减少了大量的并行数据接口，降低了背板成本，提高了抗干扰能力，同时节约了大量的接口供其他信号使用。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于通用串行收发接口背板总线交换系统中交换设备原理图；
图2为本发明提出的一种基于通用串行收发接口背板总线交换系统中数据链路层帧结构图；
图3为本发明提出的一种基于通用串行收发接口背板总线交换系统中数据链路层接收帧的处理流程图；
图4为本发明提出的一种基于通用串行收发接口背板总线交换系统的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是对本发明的限定。
实施例1：
一种基于通用串行收发接口背板总线交换系统，包括数据链路层协议、设备和总线交换芯片。
参照图2，数据链路层协议的帧结构包括帧头、源地址标识、目的地址标识、协议族标识、协议标识、负荷长度、负荷和校验码，数据链路层协议的节点地址可以由节点主动声明获取，也可以由交换节点静态或动态分配；
本实施例中，数据链路层协议中帧头为固定的4字节常数，节点地址为2字节无符号整数，合法的节点地址范围为1～65535，广播地址为0x0000，协议族标识、协议标识分别为2字节枚举类型，具体含义由通信双方自行定义，数据链路层协议中负荷长度为2字节无符号整数，负荷数据可以为任意字节内容，其长度必须与负荷长度相等，校验值紧随负荷数据的尾部，采用CRC16计算方式，从源地址标识的第一个字节开始计算，至负荷数据的最后一个字节为止；
本实施例中，总线交换芯片可基于FPGA芯片实现。多路通用异步收发接口可以用FPGA的UART IP核进行多次例化实现，每一路接收接口都经过数据链路层处理流程。
本实施例中，数据链路层处理流程参照图3。在空闲状态下，节点按照状态转移流程处理对接收到的数据进行接收，若收到错误的帧结构则将其丢弃。
本实施例中，参照图1，若总线交换芯片的某接收端口配置为全特性节点端口，接收到的完整帧被送入接收帧缓冲队列。若总线交换芯片的某接收接口被配置为透明节点设备接口，接收到的数据先进入成帧模块，按照配置参数封装成帧后再进入接收帧缓冲队列；
本实施例中，参照图1，转发处理引擎轮询处理各个接收帧队列，根据每个帧的目的地址将帧送入对应接口的发送帧缓冲队列，若总线交换芯片的某端口配置为透明节点设备接口，则先将帧送入帧解封模块后再输出；
本实施例，具有通用性强、成本低的特点，基于包交换技术，可以实现任意节点之间通信，也可以实现一对多的广播、组播通信。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于通用串行收发接口背板总线交换系统，包括数据链路层协议、设备和总线交换芯片，其特征在于，在通用异步收发接口作为物理层技术的基础上，专门定义了数据链路层协议；
所述数据链路层协议的帧结构包括帧头、源地址标识、目的地址标识、协议族标识、协议标识、负荷长度、负荷、校验码，协议族标识和协议标识也可以用来表示源端口与目的端口，具体含义由通信双方协定；
所述数据链路层协议的节点地址可以由节点主动声明获取，也可以由交换节点静态或动态分配。
2.根据权利要求1的一种基于通用串行收发接口背板总线交换系统，其特征在于，所述设备包括交换设备、全特性节点设备、透明节点设备；所述交换设备用于接收每个端口上的帧，并根据帧的目的地址将其转发给其他节点，交换设备自身也可以持有地址；所述全特性节点设备指的是完整实现了权利要求1所述的数据链路层协议的设备；所述透明节点设备指的是具有通用异步收发接口，但没有实现权利要求1所述的数据链路层协议的设备。
3.根据权利要求1的一种基于通用串行收发接口背板总线交换系统，其特征在于，所述总线交换芯片实现了权利要求2定义的交换设备的功能，所述总线交换芯片可以基于FPGA或CPLD芯片实现，也可以基于微处理器加通用异步收发接口扩展芯片实现，也可以由ASIC实现。
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