CN112436948B - 基于tsn的列车以太网卡及数据收发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于TSN的列车以太网卡及数据收发方法，所述基于TSN的列车以太网卡包括：可编程SoC，以太网通信接口，背板总线接口以及外围电路，其中：所述可编程SoC通过背板总线与所述背板总线接口连接；所述可编程SoC与所述以太网通信接口、所述外围电路分别连接；所述可编程SoC用于负责TRDP协议以太网通信及TSN网络功能。本发明利用TSN技术特点解决了传统列车以太网通信存在的以太网传输时延具有不确定性等问题。能够作为列车关键设备的以太网接口，将其接入整车以太网，与其他设备完成控制信息和状态信息的交互。

Description

基于TSN的列车以太网卡及数据收发方法
技术领域
本发明涉及轨道车辆的通信技术领域，具体涉及一种基于TSN的列车以太网卡及数据收发方法。
背景技术
近年来，由于基于以太网的车辆网络控制系统相比于传统现场总线其传输速率大大提高，能够很好的应对未来多样化和高带宽的传输需求，而且网络拓扑灵活，系统的可扩展性好，国内外对列车以太网的研究逐渐成为热点，例如：2008 年加拿大庞巴迪公司首次在德国和荷兰的区域性列车上配备了车载以太网系统。德国西门子于2017年在ICE 4高铁列车配备了基于PROFINET实时工业以太网的 Sibas PN控制系统。美国西蒙公司开发了基于Ethernet IP的列车实时以太网控制系统。在日本，日立、三菱等公司采用的是基于以太网改进的ARCNET总线列车网络。杜根、阿密特等公司也相继推出TRDP(Train Real-timeData Protocol，列车实时数据协议)以太网卡产品。国内企业研制的TRDP网卡也已在时速250公里中国标准动车组上装车应用。
但现有技术中，以太网在列车中的应用存在通信实时性方面缺陷。以太网采用串行通信，每一段数据流在单位时间内在线路上传输。由于多个设备共享带宽，在数据流量较大时，不同设备发送的数据流会在时间上重叠，发生冲突，使得以太网传输时延具有不确定性。
目前，企业研制的以太网网卡产品均基于传统全双工以太网标准。全双工以太网依靠交换机并引入基于优先级的QoS调度策略，改善了通信时延，但对数据发送终端缺乏约束，不能从根本上解决数据帧冲突问题。也有部分国外公司产品采用改进的实时以太网标准，如PROFINET等，属于私有协议，不与传统以太网兼容，很难在大范围内推广，从而难以得到其他厂商设备的支持。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供的基于TSN的列车以太网卡及数据收发方法，利用TSN技术特点解决了传统列车以太网通信存在的以太网传输时延具有不确定性等问题。能够作为列车关键设备的以太网接口，将其接入整车以太网，与其他设备完成控制信息和状态信息的交互。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于TSN的列车以太网卡，包括：可编程SoC，以太网通信接口，背板总线接口以及外围电路，其中：
所述可编程SoC通过背板总线与所述背板总线接口连接；
所述可编程SoC与所述以太网通信接口、所述外围电路分别连接；
所述可编程SoC用于负责TRDP协议以太网通信及TSN网络功能。
一实施例中，所述可编程SoC包括处理器系统模块以及可编程逻辑模块；
所述处理器系统模块包括ARM架构应用处理器，所述ARM架构应用处理器用于运行操作系统和应用软件；
所述可编程逻辑模块用于收发双路以太网数据以及支持TSN网络功能。
一实施例中，所述以太网通信接口包括PHY芯片、网络变压器以及M12网络接口；
所述PHY芯片的数据链路层信号端通过RGMII接口与所述可编程逻辑模块连接。
一实施例中，所述外围电路包括EMMC存储芯片以及DDR4缓存；
所述EMMC存储芯片用于挂载应用程序以及保存运行日志
所述DDR4缓存用于支持软件运行。
第二方面，本发明还提供一种利用基于TSN的列车以太网卡进行数据收发的方法，该方法包括：
通过背板总线接口对列车以太网卡中的可编程SoC进行配置；
基于配置后的可编程SoC，对PTP报文信息进行发送以及接收，进行时钟同步；
基于配置后的可编程SoC，对以太网帧数据进行发送以及接收，通过背板总线接口与外部设备交互数据。
一实施例中，所述通过背板总线接口对列车以太网卡中的可编程SoC进行配置包括：
将TRDP以太网通信的配置信息写入双口BRAM；
所述处理器系统模块从双口BRAM读取通信配置信息，并将所述配置信息保存在内存中；
通信应用将所述配置信息转换成对应的硬件配置信息；
所述处理器系统模块将所述硬件配置信息发送至多个硬件模块。
一实施例中，所述基于配置后的可编程SoC，通过处理器系统模块以及TSN 功能模块对PTP报文信息进行发送，包括：
通过PTP报文交互所述处理器系统模块进行时钟同步；
所述处理器系统模块生成PTP报文信息；
所述处理器系统模块按照配置路径将所述PTP报文信息发送至所述TSN功能模块，并写入到预设寄存器；
所述TSN功能模块通过所述预设寄存器将所述PTP报文信息发送至RGMII 接口。
一实施例中，所述基于配置后的可编程SoC，通过处理器系统模块以及TSN 功能模块对PTP报文信息进行接收，包括：
TSN功能模块通过所述RGMII接口接收所述PTP报文信息，并写入对应的寄存器；
所述处理器系统模块通过所述寄存器读取所述PTP报文信息，以进行所述时钟同步。
一实施例中，所述以太网帧数据包括所述TRDP流量数据以及普通流量数据，
所述基于配置后的可编程SoC，对以太网帧数据进行发送，通过背板总线接口与外部设备交互数据，包括：
外部CPU通过背板总线接口，将所述TRDP流量数据写入双口BRAM；
所述处理器系统模块从所述双口BRAM读取所述TRDP流量数据，并发送至所述通信应用；
所述通信应用根据所述TRDP流量数据生成TRDP以太网帧数据；
实时DMA功能模块按照硬件配置周期性地读取所述TRDP以太网帧数据，并发送到所述TSN功能模块；
所述TSN功能模块根据数据交换设置以及端口冗余设置，将所述TRDP以太网帧数据发送至所述RGMII接口。
一实施例中，所述基于配置后的可编程SoC，对以太网帧数据进行接收，通过背板总线接口与外部设备交互数据，包括：
所述TSN功能模块从所述RGMII接口接收所述TRDP以太网帧数据，并发送至多通道DMA；
所述多通道DMA将所述以太网帧数据写入到指定内存中；
所述处理器系统模块从所述指定内存空间中读取所述TRDP以太网帧数据，根据端口冗余设置进行数据比对，以生成有效数据；
所述处理器系统模块将所述有效数据写入至所述双口BRAM中；
所述外部CPU从所述双口BRAM中读取所述有效数据。
第三方面，本发明还提供一种基于列车以太网卡的数据收发装置，该装置包括：
SoC配置单元，用于通过背板总线接口对列车以太网卡中的可编程SoC进行配置；
报文信息收发单元，用于基于配置后的可编程SoC，对PTP报文信息进行发送以及接收，进行时钟同步；
帧数据收发单元，用于基于配置后的可编程SoC，对以太网帧数据进行发送以及接收，通过背板总线接口与外部设备交互数据。
一实施例中，所述SoC配置单元包括：
配置信息写入模块，用于将TRDP以太网通信的配置信息写入双口BRAM；
配置信息读取模块，用于所述处理器系统模块从双口BRAM读取通信配置信息，并将所述配置信息保存在内存中；
配置信息转换模块，用于通信应用将所述配置信息转换成对应的硬件配置信息；
配置信息发送模块，用于所述处理器系统模块将所述硬件配置信息发送至多个硬件模块。
一实施例中，所述报文信息收发单元包括：
时钟同步模块，用于通过PTP报文交互所述处理器系统模块进行时钟同步；
报文信息生成模块，用于所述处理器系统模块生成PTP报文信息；
报文信息写入模块，用于所述处理器系统模块按照配置路径将所述PTP报文信息发送至所述TSN功能模块，并写入到预设寄存器；
报文信息发送模块，用于所述TSN功能模块通过所述预设寄存器将所述PTP 报文信息发送至RGMII接口。
一实施例中，所述报文信息收发单元20还包括：
报文信息接收模块，用于TSN功能模块通过所述RGMII接口接收所述PTP 报文信息，并写入对应的寄存器；
报文信息读取模块，用于所述处理器系统模块通过所述寄存器读取所述PTP 报文信息，以进行所述时钟同步。
一实施例中，所述以太网帧数据包括所述TRDP流量数据以及普通流量数据，
所述帧数据收发单元包括：
流量数据写入模块，用于外部CPU通过背板总线接口，将所述TRDP流量数据写入双口BRAM；
流量数据发送模块，用于所述处理器系统模块从所述双口BRAM读取所述 TRDP流量数据，并发送至所述通信应用
帧数据生成模块，用于所述通信应用根据所述TRDP流量数据生成TRDP以太网帧数据；
帧数据读取模块，用于实时DMA功能模块按照硬件配置周期性地读取所述TRDP以太网帧数据，并发送到所述TSN功能模块；
帧数据发送模块，用于所述TSN功能模块根据数据交换设置以及端口冗余设置，将所述TRDP以太网帧数据发送至所述RGMII接口。
一实施例中，所述帧数据收发单元还包括：
帧数据接收模块，用于所述TSN功能模块从所述RGMII接口接收所述TRDP 以太网帧数据，并发送至多通道DMA；
帧数据写入模块，用于所述多通道DMA将所述以太网帧数据写入到指定内存中；
有效数据生成模块，用于所述处理器系统模块从所述指定内存空间中读取所述TRDP以太网帧数据，根据端口冗余设置进行数据比对，以生成有效数据；
有效数据写入模块，用于所述处理器系统模块将所述有效数据写入至所述双口BRAM中；
有效数据读取模块，用于所述外部CPU从所述双口BRAM中读取所述有效数据。
第四方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现基于列车以太网卡的数据收发方法的步骤。
第五方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现基于列车以太网卡的数据收发方法的步骤。
从上述描述可知，本发明实施例提供的基于TSN的列车以太网卡，包括：可编程SoC，以太网通信接口，背板总线接口以及外围电路，其中：可编程SoC通过背板总线与背板总线接口连接；可编程SoC与以太网通信接口、外围电路分别连接；可编程SoC用于负责TRDP协议以太网通信及TSN网络功能。另外，本发明实施例还提供一种利用上述列车以太网卡进行数据收发方法，该方法包括：通过背板总线接口对列车以太网卡中的可编程SoC进行配置；基于配置后的可编程 SoC，对PTP报文信息进行发送以及接收，进行时钟同步；基于配置后的可编程 SoC，对以太网帧数据进行发送以及接收，通过背板总线接口与外部设备交互数据。本发明提供的基于TSN的列车以太网卡及数据收发方法，利用TSN技术特点解决了传统列车以太网通信存在的以太网传输时延具有不确定性等问题。能够作为列车关键设备的以太网接口，将其接入整车以太网，与其他设备完成控制信息和状态信息的交互。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例中的基于TSN的列车以太网卡的结构示意图；
图2为本发明的实施例中基于列车以太网卡的数据收发方法流程示意图；
图3为本发明的实施例中步骤100的流程示意图；
图4为本发明的实施例中可编程SoC通信流程示意图；
图5为本发明的实施例中步骤200的流程示意图一；
图6为本发明的实施例中步骤200的流程示意图二；
图7为本发明的实施例中步骤300的流程示意图一；
图8为本发明的实施例中步骤300的流程示意图二；
图9为本发明的实施例中SoC芯片可编程逻辑系统结构示意图；
图10为本发明的实施例中基于列车以太网卡的数据收发装置的结构框图；
图11为本发明的实施例中SoC配置单元的结构框图；
图12为本发明的实施例中报文信息收发单元的结构框图一；
图13为本发明的实施例中报文信息收发单元的结构框图二；
图14为本发明的实施例中帧数据收发单元的结构框图一；
图15为本发明的实施例中帧数据收发单元的结构框图二；
图16为本发明的实施例中的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例提供一种基于TSN的列车以太网卡的具体实施方式，参见图 1，该装置具体包括如下内容：可编程SoC 1，以太网通信接口2，背板总线接口3 以及外围电路4，其中：
所述可编程SoC 1通过背板总线与所述背板总线接口3连接；
所述可编程SoC 1与所述以太网通信接口2、所述外围电路4分别连接；
所述可编程SoC 1用于负责TRDP协议以太网通信及TSN网络功能。
可以理解的是，可编程SoC(System-On-Chip)是指片上系统，其是以太网卡通信功能的核心，负责TRDP协议及TSN网络功能的实现。可编程SoC选用Xilinx 公司的ZynqUltraScale MPSoC系列芯片。该芯片可分成处理器系统模块和可编程逻辑模块。另外需要说明的是，图1中的实线是线路图，虚线代表由多个部件所组成的单一部件的框线图，并无实际意义。
以太网通信接口2包括PHY芯片，网络变压器和M12网络接口。PHY芯片的数据链路层信号端通过RGMII接口与SoC芯片的可编程逻辑模块连接，物理层信号端连接网络变压器一端，经电气隔离，另一端通过M12网络接口接入到列车以太网的物理介质。
背板总线接口3包括驱动电路和物理接口。SoC芯片的背板总线信号连接驱动电路，驱动后信号通过背板物理接口与外部关键设备连接。驱动电路和物理接口根据选取的总线类型有区别，不作限制。
外围电路4包括EMMC存储芯片用于挂载应用程序和保存运行日志；DDR4 缓存用于支持软件运行；QSPI flash烧录网卡的启动程序，硬件逻辑和操作系统内核文件；UART接口和以太网接口用于板卡的监控与调试；RTC模块用于掉电后系统时间保持功能。外围电路通过各模块对应接口与SoC芯片的处理器系统模块连接。
从上述描述可知，本发明实施例提供的基于TSN的列车以太网卡，包括：可编程SoC，以太网通信接口，背板总线接口以及外围电路，其中：可编程SoC通过背板总线与背板总线接口连接；可编程SoC与以太网通信接口、外围电路分别连接；可编程SoC用于负责TRDP协议以太网通信及TSN网络功能。本发明提供的基于TSN的列车以太网卡利用TSN技术特点解决了传统列车以太网通信存在的以太网传输时延具有不确定性等问题。能够作为列车关键设备的以太网接口，将其接入整车以太网，与其他设备完成控制信息和状态信息的交互。
一实施例中，所述可编程SoC包括处理器系统模块以及可编程逻辑模块；所述处理器系统模块包括ARM架构应用处理器，所述ARM架构应用处理器用于运行操作系统和应用软件；所述可编程逻辑模块用于收发双路以太网数据以及支持 TSN网络功能。
处理器系统模块集成ARM架构应用处理器，运行操作系统和各类应用软件，软件中添加了支持TSN功能的驱动和应用，与传统产品有区别；处理器系统模块提供各类存储接口和调试用通信接口与外围电路连接。
可编程逻辑模块基于FPGA，实现双路以太网数据收发并支持TSN网络相关功能。可编程逻辑模块集成了实时DMA和TSN功能模块，从硬件层面支持TSN 功能的实现，为该产品的必要组成部分，与传统产品单纯使用DMA的结构有所区别。可编程逻辑模块提供双路以太网通道用于以太网通信，以RGMII形式与外部以太网接口连接。可编程逻辑模块提供AXI总线与背板总线的转换用于和外部设备通信，与背板总线接口连接，总线类型可根据外部关键设备通信接口的需要，选择ISA并行总线或SPI,CAN,PCIe等串行总线中的一种，不作限制。
一实施例中，所述以太网通信接口包括PHY芯片、网络变压器以及M12网络接口；所述PHY芯片的数据链路层信号端通过RGMII接口与所述可编程逻辑模块连接。
一实施例中，所述外围电路包括EMMC存储芯片以及DDR4缓存；所述EMMC 存储芯片用于挂载应用程序以及保存运行日志；所述DDR4缓存用于支持软件运行。
参见图2，本发明的实施例提供一种基于列车以太网卡的数据收发方法的具体实施方式，该方法包括：
步骤100：通过背板总线接口对列车以太网卡中的可编程SoC进行配置；
可以理解的是，可编程SoC将处理器、FPGA和存储器(或片外存储控制接口) 集成在单一芯片上，构建成一个可编程的片上系统。可编程系统具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。可编程器件内，还具有小容量高速RAM资源。
步骤200：基于配置后的可编程SoC，基于配置后的可编程SoC，对PTP报文信息进行发送以及接收，进行时钟同步；
PTP报文信息遵循IEEE1588协议，通过BMCA算法确认最精确时钟，完成主时钟选举。PTP采用硬件时间戳，可完成亚微秒级同步。
步骤300：基于配置后的可编程SoC，基于配置后的可编程SoC，对以太网帧数据进行发送以及接收，通过背板总线接口与外部设备交互数据。
从上述描述可知，本发明实施例提供的基于列车以太网卡的数据收发方法，包括：通过背板总线接口对列车以太网卡中的可编程SoC进行配置；基于配置后的可编程SoC，对PTP报文信息进行发送以及接收，进行时钟同步；基于配置后的可编程SoC，对以太网帧数据进行发送以及接收，通过背板总线接口与外部设备交互数据。本发明支持双通道冗余以保证通信的可靠性。支持双通道收发从属不同VLAN的业务流量，通道之间不互相影响。符合IEEE 802.1CB标准，网卡在发送端和接收端成对部署时，支持对特定业务流量进行双通道帧复制和合并。另外，支持使用交换机的星型拓扑式组网和不使用交换机的总线拓扑式自组网。
整体上，以太网卡板卡启动后工作阶段分为配置阶段，时间同步阶段和通信阶段。
一实施例中，参见图3，步骤100具体包括：
步骤101：将TRDP以太网通信的配置信息写入双口BRAM；
步骤102：所述处理器系统模块从双口BRAM读取通信配置信息，并将所述配置信息保存在内存中；
步骤103：通信应用将所述配置信息转换成对应的硬件配置信息；
步骤104：所述处理器系统模块将所述硬件配置信息发送至多个硬件模块。
参见图4，处理器系统模块通过路径1连接到外围电路接口，外围电路包括 DDR,EMMC等内存器件，软件运行时持续读写内存，所以流经处理器系统模块的信息也通过路径1。
处理器系统模块通过AXI总线互联和路径14连接各个硬件模块的配置接口，与各个硬件模块交互配置信息和其他硬件寄存器信息，实际路径较多在图中以虚线简略表示，该路径简称配置路径。
在步骤101至步骤104中，整个配置阶段过程如下：外部CPU通过背板总线接口，经过总线桥接模块，将TRDP以太网通信的配置信息写入双口BRAM，信息流向5→4。处理器系统模块从双口BRAM读取通信配置信息，保存在内存中，供通信应用配置使用，信息流向3→2。
通信应用将通信配置信息转换成对应硬件配置信息，处理器系统模块将硬件配置信息通过配置路径发送到各个硬件模块，写入各个硬件模块的寄存器，包括多通道DMA，实时DMA和TSN功能模块，信息流向2→14。各个功能模块接收硬件配置信息，应用配置，准备进行通信阶段工作。TSN功能模块可以生成周期控制信号，信号通过路径11控制实时DMA。TSN功能模块应用数据交换，数据调度和端口冗余设置。数据交换设置，指定流量的发送端口。数据调度设置，划分流量的优先级和通信时间片，例如802.1Qbv。端口冗余设置，对帧进行复制或消除，例如802.1CB。
一实施例中，参见图5，步骤200中的基于配置后的可编程SoC，对PTP报文信息进行发送，进行时钟同步，具体包括：
步骤201：通过PTP报文交互所述处理器系统模块进行时钟同步；
步骤202：所述处理器系统模块生成PTP报文信息；
步骤203：所述处理器系统模块按照配置路径将所述PTP报文信息发送至所述TSN功能模块，并写入到预设寄存器；
步骤204：所述TSN功能模块通过所述预设寄存器将所述PTP报文信息发送至RGMII接口。
参见图4，在步骤201至步骤204中，处理器系统模块生成需要发送的PTP 报文信息，通过配置路径直接发送给TSN功能模块，写入到指定寄存器，信息流向2→14。
TSN功能模块接收PTP报文信息，根据所写入的寄存器，从路径12或13其一或全部发送到RGMII接口。
一实施例中，参见图6，步骤200中的基于配置后的可编程SoC，对PTP报文信息进行接收，进行时钟同步，具体包括：
步骤201a：TSN功能模块通过所述RGMII接口接收所述PTP报文信息，并写入对应的寄存器；
步骤201b：所述处理器系统模块通过所述寄存器读取所述PTP报文信息，以进行所述时钟同步。
参见图4，在步骤201a以及步骤201b中，TSN功能模块从路径12和13的 RGMII接口处接收PTP报文信息，写入对应的寄存器。处理器系统模块通过配置路径从TSN功能模块指定寄存器中读取PTP报文信息，完成时钟同步，信息流向 14→2。
一实施例中，参见图7，步骤300中的基于配置后的可编程SoC，对以太网帧数据进行发送，通过背板总线接口与外部设备交互数据，具体包括：
步骤301：外部CPU通过背板总线接口，将所述TRDP流量数据写入双口 BRAM；
步骤302：所述处理器系统模块从所述双口BRAM读取所述TRDP流量数据，并发送至所述通信应用；
步骤303：所述通信应用根据所述TRDP流量数据生成TRDP以太网帧数据；
步骤304：实时DMA功能模块按照硬件配置周期性地读取所述TRDP以太网帧数据，并发送到所述TSN功能模块；
步骤305：所述TSN功能模块根据数据交换设置以及端口冗余设置，将所述 TRDP以太网帧数据发送至所述RGMII接口。
首先需要说明的是，太网数据帧的发送和接收，按流量类型分为TRDP流量和普通流量。
同样地参见图4，在步骤301至步骤305中，外部CPU通过背板总线接口，经过总线桥接模块，将需要发送的TRDP数据信息写入双口BRAM，信息流向5 →4。
处理器系统模块从双口BRAM读取发送TRDP数据信息，保存在指定内存空间中，供通信应用封装成TRDP以太网帧，信息流向3→2→1。在路径11信号控制下，实时DMA按照硬件配置周期性地从指定内存空间中读取TRDP数据并发送到TSN功能模块，信息流向1→2→8→10。TSN功能模块完成数据调度等功能，根据数据交换设置和端口冗余设置将数据从路径12或13其一或全部发送到 RGMII接口。
一实施例中，参见图8，步骤300中的所述基于配置后的可编程SoC，对以太网帧数据进行接收，通过背板总线接口与外部设备交互数据，具体包括：
步骤301a：所述TSN功能模块从所述RGMII接口接收所述TRDP以太网帧数据，并发送至多通道DMA；
步骤302b：所述多通道DMA将所述以太网帧数据写入到指定内存中；
步骤303c：所述处理器系统模块从所述指定内存空间中读取所述TRDP以太网帧数据，根据端口冗余设置进行数据比对，以生成有效数据；
步骤304d：所述处理器系统模块将所述有效数据写入至所述双口BRAM中；
步骤305e：所述外部CPU从所述双口BRAM中读取所述有效数据。
参见图4，在步骤301a至步骤305e中，TSN功能模块从路径12和13的RGMII 接口处接收TRDP以太网帧，根据端口冗余设置可只保留一路或全部保留由处理器系统模块进行比对，经过数据调度发送给多通道DMA。
多通道DMA将接收到的TRDP以太网帧，根据硬件配置优先从路径7写入到指定内存空间中，信息流向9→7→2→1。处理器系统模块从指定内存空间中读取接收到的TRDP以太网帧，供通信应用解包和冗余比对，将有效数据信息写入到双口BRAM中，信息流向1→2→3。外部CPU通过背板总线接口，经过总线桥接模块，从双口BRAM中读取接收的数据信息，信息流向4→5。
对于普通流量数据，一般由网卡自身发送和接收，不和外部CPU交互，同时也不需要端口冗余，具体地：
普通流量的发送过程：处理器系统模块的通信应用由路径1将发送的数据包写入到指定内存空间，并控制多通道DMA发送。多通道DMA由路径6从指定内存空间中读取普通数据并发送到TSN功能模块，信息流向1→2→6→9。TSN功能模块完成数据调度等功能，根据数据交换设置将数据从路径12或13其一发送到 RGMII接口。
普通流量的接收过程：TSN功能模块从路径12和13的RGMII接口处接收普通数据，经过数据调度发送给多通道DMA。多通道DMA将接收到的普通数据，根据硬件配置从路径6写入到指定内存空间中，信息流向9→6→2→1。处理器系统模块由路径1从指定内存空间中读取接收到的普通数据，供通信应用使用。
为进一步地说明本方案，本发明还提供基于TSN的列车以太网卡具体应用实例。
2012年IEEE开发出新的IEEE 802.1标准，并命名为TSN(Time-SensitiveNetwork，时间敏感网络)。TSN作为一种严格确定性网络，网络内设备均支持时间同步，通过基于时间的数据调度机制，有效解决了流量互相冲突的问题，使端到端的传输时延可以预测。同时提供了冗余机制确保以太网数据传输的可靠性。本具体应用实例所提供的基于TSN的列车以太网卡正是利用TSN技术特点解决传统列车中以太网通信存在的问题。
参见图1，基于TSN的列车以太网卡主要由四部分组成：可编程SoC (System-On-Chip，片上系统)，以太网通信接口，背板总线接口及其他外围电路。可编程SoC作为系统的核心芯片通过对应接口与其他功能模块连接。
可编程SoC是以太网卡通信功能的核心，负责TRDP协议及TSN网络功能的实现。可编程SoC选用Xilinx公司的Zynq UltraScale M处理器系统oC系列芯片，芯片型号为XCZU3EG。该芯片可分成处理器系统部分和可编程逻辑部分。也可选择其他满足性能要求的SoC芯片，不作限制。
处理器系统部分内部集成四核ARM Cortex-A53的64位应用处理器，保证高速率以太网通信下的处理性能；使用定制操作系统Linux，提高系统的实时性和可靠性；运行驱动程序和通信应用程序。处理器系统部分还对外扩展各类存储接口和调试用通信接口，连接到外围电路。
可编程逻辑部分基于FPGA，系统结构如图9所示，其负责实现双路以太网数据收发并支持TSN网络相关功能。硬件IP主要包括多通道DMA，实时DMA， TSN功能模块，双口BRAM和总线桥接模块，模块之间通过高速AXI总线连接。
处理器系统端处理器将需要发送的业务流量进行流量类型匹配，匹配标准可按报文内容自定义，匹配类型为TRDP业务的以太网帧写入内存指定区域待实时DMA读取，匹配类型为普通业务流量的以太网帧通过写入内存指定区域待多通道 DMA读取，并从内存指定区域中读取多通道DMA接收的所有以太网帧。
实时DMA为本具体应用实例中的必要组成部分，可接收TSN功能模块的周期控制信号，收到周期开始信号后，根据发送列表定时定量地从内存中读取TRDP 业务流量的以太网帧并发送到TSN功能模块。
多通道DMA在通用DMA基础上扩展了多个内存读写通道，便于多种业务流量的收发。从内存中读取普通业务流量的以太网帧并发送到TSN功能模块，从TSN 功能模块接收所有以太网帧并写入内存。
TSN功能模块为发明必要组成部分，内部集成了交换模块和MAC控制器。交换模块连接DMA收发以太网帧，可实现二层交换功能，扩展出双以太网通路，连接到两个MAC控制器；按照业务流量的目的MAC地址和VLAN标签进行类型匹配，对匹配成功的业务流量按照TSN功能协议进行相应的数据调度操作，包括 IEEE 802.1Qbv定义的周期门控调度，IEEE802.1Qbu定义的帧抢占以及IEEE 802.1CB定义的帧复制和合并；生成周期控制信号，控制实时DMA周期性地从处理器系统端读取需要发送的以太网帧。MAC控制器进行帧报文的封装与解包、帧的校验以及对PHY芯片进行配置和控制，通过RGMII接口与外部PHY芯片连接；支持二层PTP报文收发，硬件层添加时间戳，以支持符合IEEE 802.1AS定义的时间同步。
双口BRAM储存外部关键设备和以太网卡的交互信息，一端通过AXI总线连接处理器系统端，另一端通过总线桥接模块连接到背板总线接口。
总线桥接模块可以完成两种总线的协议转换，可根据外部关键设备接口需求，利用FPGA的可扩展性，实现AXI总线与ISA并行总线或SPI,CAN,PCIe等串行总线中的一种的协议转换。
以太网通信接口包括PHY芯片，网络变压器和M12网络接口。PHY芯片通过RGMII接口将SoC的可编程逻辑部分中集成的MAC控制器连接到以太网的物理介质，完成以太网数据链路层和物理层之间的信号转换，支持十兆/百兆/千兆多种以太网通信速率。网络变压器提供PHY与外部接口的电气隔离，提高了抗干扰性。
背板总线接口包括总线驱动电路和总线物理接口。总线驱动电路通过背板总线和SoC芯片的可编程逻辑部分连接，驱动电路完成信号的电平转换等功能，驱动后信号通过总线物理接口输出到背板，与列车关键设备连接。背板总线接口具体形式由总线类型决定，不作统一规定。
外围电路包括EMMC存储芯片用于挂载应用程序和保存运行日志；DDR4缓存用于支持软件运行；QSPI flash烧录网卡的启动程序，硬件逻辑和操作系统内核文件；UART接口和以太网接口用于板卡的监控与调试；RTC模块用于掉电后系统时间保持功能。外围电路通过各模块对应接口与SoC芯片的处理器系统部分连接。
另外，本具体应用实例所提供的以太网卡软件结构可以分为两大部分：底层驱动部分和上层应用部分。两部分之间独立设计，上层应用可调用符合POSIX规范的标准Linux系统API来传递指令，使系统内核调用底层驱动完成对硬件的控制。
底层驱动包括基于Linux的底层板级支持包BSP，通信接口驱动，定制模块驱动等，通信接口驱动可包括以太网口驱动及背板总线驱动等，功能包括接口初始化和通信功能实现等。定制模块驱动可包括实时DMA和TSN功能模块驱动等，功能包括：流量类型匹配及DMA选择；业务流量转发；功能配置接口等。
上层应用部分包括时间同步应用和TRDP应用。时间同步应用通过双网口与外部设备交互PTP报文，确定时钟主从关系，完成时钟同步。TRDP应用读取同步时钟，在分配的时间片内发送业务流量，确保了周期的稳定和时延的可预测性。采用多线程设计，并行进行流量收发，提高了通信效率。TRDP应用启动后配置 TSN网络功能，产生周期控制信号启动实时DMA，之后开启网卡的TRDP收发线程和外部设备的CPU交互线程。TRDP应用提供多个指令接口给外部设备的CPU，包括TRDP协议栈的初始化，TRDP通信的发布与订阅，缓存数据更新与读取等。在发送数据时，外部设备的CPU通过背板总线将数据写入板卡双口BRAM，TRDP 应用读取指令将发送周期、COMID等相关信息进行发布，并根据该信息配置实时 DMA的发送列表，发送线程按照发送周期，调用系统函数将数据包传递给硬件进行实时发送。同样，当接收数据时，外部设备的CPU发布指令对指定COMID进行订阅，接收线程按照订阅列表持续接收新的以太网数据，并将最新数据放入双口BRAM，外部设备的CPU通过背板总线周期性读取。
双网口双通道的设计可以满足以太网控车系统中的冗余功能，支持普通冗余和符合IEEE 802.1CB标准的冗余。普通冗余为两个以太网接口可以发送不同VLAN相同数据内容的冗余帧，接收时应用软件取信其中一路数据，待取信路出现异常时，切换取信另一路。符合IEEE 802.1CB标准的冗余包括帧复制和合并。帧复制为发送端对匹配成功的特定业务流量的以太网帧进行复制，在两个以太网接口发送完全相同的冗余帧，帧合并为接收端接收到两路相同的冗余帧时可按接收时间顺序取信一路，由于同时使用两条冗余线路，而非取信单一线路，一条线路故障时不会对通信造成影响。
双网口支持桥接功能，除包括交换机的传统星型拓扑外也可支持多个以太网卡串联的总线拓扑。从处理器系统端扩展的调试用以太网接口可用于对该以太网卡的维护，也支持与其他以太网通信接口桥接，实现控制网与维护网的融合。
综上所述，本具体应用实例所提供的基于TSN的列车以太网卡是一种符合 TRDP协议列车以太网卡，且符合IEC61375标准，能够作为列车关键设备的以太网接口，接入到整车以太网网络中，与其他设备完成状态信息和控制信息的交互。同时符合IEEE 802.1AS，802.1Qbv，802.1Qbu，802.1CB标准，支持其定义的相关TSN网络功能，有效提高以太网通信的实时性和可靠性。具体地：
1.本申请研制的以太网卡，符合IEC61375标准，能够作为列车关键设备的以太网接口，将其接入整车以太网，与其他设备完成控制信息和状态信息的交互。
2.本申请研制的以太网卡，支持TSN网络功能以减少通信时延并保证通信时延的可预测性。符合IEEE 802.1AS标准，基于IEEE 1588定义的PTP报文交互，与其他网络设备进行时钟同步，同步精度为百纳秒级。符合IEEE 802.1Qbv标准，为不同业务流量划分时间片，通过门控进行带宽隔离，使时延敏感业务流量不受其他流量的影响。符合IEEE 802.1Qbu标准，支持时延敏感业务流量对普通流量的帧抢占。
3.本申请研制的以太网卡，支持双通道冗余以保证通信的可靠性。支持双通道收发从属不同VLAN的业务流量，通道之间不互相影响。符合IEEE 802.1CB标准，网卡在发送端和接收端成对部署时，支持对特定业务流量进行双通道帧复制和合并。
4.本申请研制的以太网卡，支持使用交换机的星型拓扑式组网和不使用交换机的总线拓扑式自组网。
5.本申请硬件结构中包含实时DMA模块，可通过硬件根据同步时钟控制 TRDP业务流量的周期性发送，替代了传统处理器依靠软件定时的方式，减少了发送周期抖动，抖动从原先的毫秒级降低到百纳秒级。
6.本申请硬件结构中包含TSN功能模块，可通过硬件逻辑支持2.3.所述的各类TSN网络功能，同时为实时DMA提供精确周期控制信号，相比于使用软件逻辑实现，降低了处理器负载，提高了系统的实时性。
7.本申请核心芯片采用先进的Xilinx Zynq UltraScale系列SoC芯片，系统集成度高，支持片上高速时钟，处理性能强，硬件资源丰富，可扩展性强。
8.本申请软件部分使用了操作系统Linux，内核经过定制并包含5.6.所述模块专用的驱动程序。结合时钟同步和TRDP通信，用同步时钟代替原来的系统时钟，提高了系统的实时性，稳定性和可扩展性。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了基于列车以太网卡的数据收发装置，可以用于实现上述实施例所描述的方法，如下面的实施例。由于基于列车以太网卡的数据收发装置解决问题的原理与基于列车以太网卡的数据收发方法相似，因此基于列车以太网卡的数据收发装置的实施可以参见基于列车以太网卡的数据收发方法实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
本发明的实施例提供一种能够实现基于列车以太网卡的数据收发方法的基于列车以太网卡的数据收发装置的具体实施方式，参见图10，基于列车以太网卡的数据收发装置具体包括如下内容：
SoC配置单元10，通过背板总线接口对列车以太网卡中的可编程SoC进行配置；
报文信息收发单元20，用于基于配置后的可编程SoC，对PTP报文信息进行发送以及接收，进行时钟同步；
帧数据收发单元30，用于基于配置后的可编程SoC，对以太网帧数据进行发送以及接收，通过背板总线接口与外部设备交互数据。
一实施例中，参见图11，所述SoC配置单元10包括：
配置信息写入模块101，用于将TRDP以太网通信的配置信息写入双口BRAM；
配置信息读取模块102，用于所述处理器系统模块从双口BRAM读取通信配置信息，并将所述配置信息保存在内存中；
配置信息转换模块103，用于通信应用将所述配置信息转换成对应的硬件配置信息；
配置信息发送模块104，用于所述处理器系统模块将所述硬件配置信息发送至多个硬件模块。
一实施例中，参见图12，所述报文信息收发单元20包括：
时钟同步模块201，用于通过PTP报文交互所述处理器系统模块进行时钟同步；
报文信息生成模块202，用于所述处理器系统模块生成PTP报文信息；
报文信息写入模块203，用于所述处理器系统模块按照配置路径将所述PTP 报文信息发送至所述TSN功能模块，并写入到预设寄存器；
报文信息写发送模块204，用于所述TSN功能模块通过所述预设寄存器将所述PTP报文信息发送至RGMII接口。
一实施例中，参见图13，所述报文信息收发单元20还包括：
报文信息接收模块201a，用于TSN功能模块通过所述RGMII接口接收所述 PTP报文信息，并写入对应的寄存器；
报文信息读取模块202b，用于所述处理器系统模块通过所述寄存器读取所述 PTP报文信息，以进行所述时钟同步。
一实施例中，参见图14，所述以太网帧数据包括所述TRDP流量数据以及普通流量数据，
所述帧数据收发单元30包括：
流量数据写入模块301，用于外部CPU通过背板总线接口，将所述TRDP流量数据写入双口BRAM；
流量数据发送模块302，用于所述处理器系统模块从所述双口BRAM读取所述TRDP流量数据，并发送至所述通信应用；
帧数据生成模块303，用于所述通信应用根据所述TRDP流量数据生成TRDP 以太网帧数据；
帧数据读取模块304，用于实时DMA功能模块按照硬件配置周期性地读取所述TRDP以太网帧数据，并发送到所述TSN功能模块；
帧数据发送模块305，用于所述TSN功能模块根据数据交换设置以及端口冗余设置，将所述TRDP以太网帧数据发送至所述RGMII接口。
一实施例中，参见图15，所述帧数据收发单元30还包括：
帧数据收发模块301a，用于所述TSN功能模块从所述RGMII接口接收所述 TRDP以太网帧数据，并发送至多通道DMA；
帧数据写入模块302b，用于所述多通道DMA将所述以太网帧数据写入到指定内存中；
有效数据生成模块303c，用于所述处理器系统模块从所述指定内存空间中读取所述TRDP以太网帧数据，根据端口冗余设置进行数据比对，以生成有效数据；
有效数据写入模块304d，用于所述处理器系统模块将所述有效数据写入至所述双口BRAM中；
有效数据读取模块305e，用于所述外部CPU从所述双口BRAM中读取所述有效数据。
从上述描述可知，本发明实施例提供的基于列车以太网卡的数据收发装置，首先对通过背板总线接口对列车以太网卡中的可编程SoC进行配置；基于配置后的可编程SoC，对PTP报文信息进行发送以及接收，进行时钟同步；基于配置后的可编程SoC，对以太网帧数据进行发送以及接收，通过背板总线接口与外部设备交互数据。本发明提供的基于列车以太网卡的数据收发装置，利用TSN技术特点解决了传统列车以太网通信存在的以太网传输时延具有不确定性等问题。能够作为列车关键设备的以太网接口，将其接入整车以太网，与其他设备完成控制信息和状态信息的交互。
上述实施例阐明的装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为电子设备，具体的，电子设备例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
在一个典型的实例中电子设备具体包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该程序时实现上述基于列车以太网卡的数据收发方法的步骤，该步骤包括：
步骤100：通过背板总线接口对列车以太网卡中的可编程SoC进行配置；
步骤200：基于配置后的可编程SoC，对PTP报文信息进行发送以及接收，进行时钟同步；
步骤300：基于配置后的可编程SoC，对以太网帧数据进行发送以及接收，通过背板总线接口与外部设备交互数据。
下面参考图16，其示出了适于用来实现本申请实施例的电子设备600的结构示意图。
如图16所示，电子设备600包括中央处理单元(CPU)601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(RAM))603中的程序而执行各种适当的工作和处理。在RAM603中，还存储有系统600操作所需的各种程序和数据。CPU601、ROM602、以及RAM603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O)接口605也连接至总线604。
以下部件连接至I/O接口605：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如LAN卡，调制解调器等的网络接口卡的通信部分609。通信部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至I/O接口605。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装如存储部分608。
特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述基于列车以太网卡的数据收发方法的步骤，该步骤包括：
步骤100：通过背板总线接口对列车以太网卡中的可编程SoC进行配置；
步骤200：基于配置后的可编程SoC，对PTP报文信息进行发送以及接收，进行时钟同步；
步骤300：基于配置后的可编程SoC，对以太网帧数据进行发送以及接收，通过背板总线接口与外部设备交互数据。
在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/ 或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上该仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于列车以太网卡的数据收发方法，其特征在于：
通过背板总线接口对列车以太网卡中的可编程SoC进行配置；
基于配置后的可编程SoC，对PTP报文信息进行发送以及接收，进行时钟同步；
基于配置后的可编程SoC，对以太网帧数据进行发送以及接收，通过背板总线接口与外部设备交互数据；
所述以太网帧数据包括TRDP流量数据以及普通流量数据，
所述基于配置后的可编程SoC，以太网帧数据进行发送，通过背板总线接口与外部设备交互数据，包括：
外部CPU通过背板总线接口，将所述TRDP流量数据写入双口BRAM；
处理器系统模块从所述双口BRAM读取所述TRDP流量数据，并发送至通信应用；
所述通信应用根据所述TRDP流量数据生成TRDP以太网帧数据；
实时DMA功能模块按照硬件配置周期性地读取所述TRDP以太网帧数据，并发送到TSN功能模块；
所述TSN功能模块根据数据交换设置以及端口冗余设置，将所述TRDP以太网帧数据发送至RGMII接口；
所述通过背板总线接口对列车以太网卡中的可编程SoC进行配置，包括：
将TRDP以太网通信的配置信息通过背板总线接口写入双口BRAM；
处理器系统模块从双口BRAM读取通信配置信息，并将所述配置信息保存在内存中；
通信应用将所述配置信息转换成对应的硬件配置信息；
所述处理器系统模块将所述硬件配置信息发送至多个硬件模块，包括：
外部CPU通过背板总线接口，经过总线桥接模块，将TRDP以太网通信的配置信息写入双口BRAM，信息流向为背板纵向接口至总线桥接模块，然后由总线桥接模块至双口BRAM，处理器系统模块从双口BRAM读取通信配置信息，保存在内存中，供通信应用配置使用，信息流向为双口BRAM至AXI总线互联，然后由AXI总线互联至处理器系统模块；
通信应用将通信配置信息转换成对应硬件配置信息，处理器系统模块将硬件配置信息通过配置路径发送到多个硬件模块，写入各个硬件模块的寄存器，包括多通道DMA，实时DMA和TSN功能模块，信息流向为处理器系统模块至AXI总线互联，然后由AXI总线互联至TSN功能模块，多个功能模块接收硬件配置信息，应用配置，准备进行通信阶段工作，TSN功能模块生成周期控制信号，信号通过由TSN功能模块至实时DMA的路径控制实时DMA，TSN功能模块应用数据交换，数据调度和端口冗余设置；
数据交换设置用于指定流量的发送端口；数据调度设置用于划分流量的优先级和通信时间片；端口冗余设置用于对帧进行复制或消除。
2.如权利要求1所述的基于列车以太网卡的数据收发方法，其特征在于，所述基于配置后的可编程SoC，对PTP报文信息进行发送，进行时钟同步，包括：
通过PTP报文交互所述处理器系统模块进行时钟同步；
所述处理器系统模块生成PTP报文信息；
所述处理器系统模块按照配置路径将所述PTP报文信息发送至TSN功能模块，并写入到预设寄存器；
所述TSN功能模块通过所述预设寄存器将所述PTP报文信息发送至RGMII接口。
3.如权利要求2所述的基于列车以太网卡的数据收发方法，其特征在于，所述基于配置后的可编程SoC，对PTP报文信息进行接收，进行时钟同步，包括：
TSN功能模块通过所述RGMII接口接收所述PTP报文信息，并写入对应的寄存器；
所述处理器系统模块通过所述寄存器读取所述PTP报文信息，以进行所述时钟同步。
4.如权利要求1所述的基于列车以太网卡的数据收发方法，其特征在于，所述基于配置后的可编程SoC，以太网帧数据进接收，通过背板总线接口与外部设备交互数据，包括：
所述TSN功能模块从所述RGMII接口接收所述TRDP以太网帧数据，并发送至多通道DMA；
所述多通道DMA将所述以太网帧数据写入到指定内存中；
所述处理器系统模块从所述指定内存中读取所述TRDP以太网帧数据，根据端口冗余设置进行数据比对，以生成有效数据；
所述处理器系统模块将所述有效数据写入至所述双口BRAM中；
所述外部CPU从所述双口BRAM中读取所述有效数据。
5.一种基于列车以太网卡的数据收发装置，其特征在于，包括：
SoC配置单元，用于通过背板总线接口对列车以太网卡中的可编程SoC进行配置；
报文信息收发单元，用于基于配置后的可编程SoC，对PTP报文信息进行发送以及接收，进行时钟同步；
帧数据收发单元，用于基于配置后的可编程SoC，对以太网帧数据进行发送以及接收，通过背板总线接口与外部设备交互数据；
所述以太网帧数据包括TRDP流量数据以及普通流量数据，
所述帧数据收发单元包括：
流量数据写入模块，用于外部CPU通过背板总线接口，将所述TRDP流量数据写入双口BRAM；
流量数据发送模块，用于处理器系统模块从所述双口BRAM读取所述TRDP流量数据，并发送至通信应用；
帧数据生成模块，用于所述通信应用根据所述TRDP流量数据生成TRDP以太网帧数据；
帧数据读取模块，用于实时DMA功能模块按照硬件配置周期性地读取所述TRDP以太网帧数据，并发送到TSN功能模块；
帧数据发送模块，用于所述TSN功能模块根据数据交换设置以及端口冗余设置，将所述TRDP以太网帧数据发送至RGMII接口；
所述SoC配置单元包括：
配置信息写入模块，用于将TRDP以太网通信的配置信息写入双口BRAM；
配置信息读取模块，用于处理器系统模块从双口BRAM读取通信配置信息，并将所述配置信息保存在内存中；
配置信息转换模块，用于通信应用将所述配置信息转换成对应的硬件配置信息；
配置信息发送模块，用于所述处理器系统模块将所述硬件配置信息发送至多个硬件模块；
所述SoC配置单元具体用于外部CPU通过背板总线接口，经过总线桥接模块，将TRDP以太网通信的配置信息写入双口BRAM，信息流向为背板纵向接口至总线桥接模块，然后由总线桥接模块至双口BRAM，处理器系统模块从双口BRAM读取通信配置信息，保存在内存中，供通信应用配置使用，信息流向为双口BRAM至AXI总线互联，然后由AXI总线互联至处理器系统模块；
通信应用将通信配置信息转换成对应硬件配置信息，处理器系统模块将硬件配置信息通过配置路径发送到多个硬件模块，写入各个硬件模块的寄存器，包括多通道DMA，实时DMA和TSN功能模块，信息流向为处理器系统模块至AXI总线互联，然后由AXI总线互联至TSN功能模块，多个功能模块接收硬件配置信息，应用配置，准备进行通信阶段工作，TSN功能模块生成周期控制信号，信号通过由TSN功能模块至实时DMA的路径控制实时DMA，TSN功能模块应用数据交换，数据调度和端口冗余设置；
数据交换设置用于指定流量的发送端口；数据调度设置用于划分流量的优先级和通信时间片；端口冗余设置用于对帧进行复制或消除。
6.如权利要求5所述的基于列车以太网卡的数据收发装置，其特征在于，所述报文信息收发单元包括：
时钟同步模块，用于通过PTP报文交互所述处理器系统模块进行时钟同步；
报文信息生成模块，用于所述处理器系统模块生成PTP报文信息；
报文信息写入模块，用于所述处理器系统模块按照配置路径将所述PTP报文信发送至所述TSN功能模块，并写入到预设寄存器；
报文信息发送模块，用于所述TSN功能模块通过所述预设寄存器将所述PTP报文信息发送至RGMII接口。
7.如权利要求6所述的基于列车以太网卡的数据收发装置，其特征在于，所述报文信息收发单元还包括：
报文信息接收模块，用于TSN功能模块通过所述RGMII接口接收所述PTP报文信息，并写入对应的寄存器；
报文信息读取模块，用于所述处理器系统模块通过所述寄存器读取所述PTP报文信息，以进行所述时钟同步。
8.如权利要求7所述的基于列车以太网卡的数据收发装置，其特征在于，所述帧数据收发单元还包括：
帧数据接收模块，用于所述TSN功能模块从所述RGMII接口接收所述TRDP以太网帧数据，并发送至多通道DMA；
帧数据写入模块，用于所述多通道DMA将所述以太网帧数据写入到指定内存中；
有效数据生成模块，用于所述处理器系统模块从所述指定内存中读取所述TRDP以太网帧数据，根据端口冗余设置进行数据比对，以生成有效数据；
有效数据写入模块，用于所述处理器系统模块将所述有效数据写入至所述双口BRAM中；
有效数据读取模块，用于所述外部CPU从所述双口BRAM中读取所述有效数据。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至4任一项所述基于列车以太网卡的数据收发方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4任一项所述基于列车以太网卡的数据收发方法的步骤。
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