CN112769661B - 一种高速时分复用通信总线时隙分配与控制方法 - Google Patents

Abstract

一种高速时分复用通信总线时隙分配与控制方法，通过总线控制器进行时隙分配及管理，实现总线控制器与远程终端间的数据传输，分配方法灵活，能够对总线上各种非正常情况能够做出及时有效的处理，避免数据丢失，实现了合理有效的时隙管理、控制，所有数据传输均在总线控制器的命令下进行传输，可靠性高，为不同的数据传输请求设置了优先级，确保对实时性要求高的数据请求能够及时发送，传输延迟小。

Description

一种高速时分复用通信总线时隙分配与控制方法

技术领域

本发明涉及一种高速时分复用通信总线时隙分配与控制方法，属于计算机通信领域。

背景技术

数据总线技术是航天设备电子综合化的核心技术，它解决了航天电子系统中各子系统设备的信息传输与信息共享问题。其中，命令/响应式通信总线主要由一个总线控制器和多个远程终端组成，总线控制器控制信息的传输模式，发布相应的命令，查看整个总线的工作情况并参与所有的信息传输。远程终端响应总线控制器发出的命令，完成相应的数据交换任务。同一时刻总线上只有一组传输数据，不同数据交换对总线资源分时复用，节点在自己的时隙中以相同的频率发送数据，其他节点通过对比数据流中的地址和自身地址是否一致判断是否接收数据，这种通信方法即时分多址接入技术(TDMA)。由此可见，时隙的分配方案很大程度上决定了整个数据总线中数据的传输延时、吞吐量、可靠性和传递率。上述命令/响应式通信总线中没有引入时隙管理的概念，用户通过总线控制器调度不同时刻的数据交换请求，资源消耗较大，数据传输顺序完全依赖于用户的控制，远程终端不能主动发起数据传输，整个总线的实时性较差，操作稍有失误就可能丢失数据。

随着光纤传输技术的发展，TDMA技术在小区宽带接入网中已广泛应用，数据上行方向各用户向网络中发送的数据就是通过时分复用实现的，主要包括静态时隙分配和动态时隙分配两种方式。静态时隙分配方法为网络中的所有用户分配了相同的时隙，这种方法易于实现且带宽分配公平，但是如果用户缓存的数据包不能恰好装满整个时隙，将导致一些用户的时延增大，一些用户带宽浪费，造成系统整体吞吐量减小。动态时隙分配方法在所有用户的轮询过程中为用户开辟合理大小的时隙，依次满足每个用户的数据传输需求，但也存在用户长时间占用通道、轮询周期变化大、用户不分级对待、传输请求不分级对待等诸多问题，一些动态时隙分配算法致力于对这些问题进行改进但面对复杂的应用场景常常顾此失彼。此外采用TDMA技术的首要条件是保持网络中所有节点的时钟同步，否则传输信息会发生冲突，并且接入网中所有数据交换都必须经过交换机，不同用户之间不能直接进行数据传输，数据传输效率低。

随着应用任务领域的不断扩展，航天电子系统日趋庞大，特别是有效载荷规模越来越大，工作模式越来越复杂，传输数据的速率越来越快，对数据网络的传输带宽、实时性和可靠性提出了更高要求。在大数据量高实时性的需求下，上述方案存在着以下几个问题：

(1)命令/响应式总线中节点之间的数据交换分时进行传输，但没有引入有效的时隙管理方法，依赖终端用户对不同数据传输需求进行处理，占用资源多，增加了用户工作量和数据传输延时，实用性差；

(2)现有的固定时隙分配方法灵活性较差，每个时隙的时间长度和间隔时间不可以单独设置，不便于不同数据量大小的交换需求，当通信总线数据传输过程中出现的数据传输延迟或信号传输质量差的情况，时隙分配流程滞后于预定的分配时间，分配超时进而导致丢失数据；

(3)现有的动态时隙分配方法轮询周期长度差异性较大，没有对不同用户和数据传输请求分级，带宽分配公平性不足，无法保证服务质量和系统延时；

(4)对于周期性的时隙分配，通信总线的时钟和外部周期信号的时钟由于跨时钟域的原因不能同步，出现时隙分配起点随机的情况。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，时隙分配方法灵活性差、传输可靠性低的问题，提出了一种面向命令/响应式的高速时分复用通信总线时隙分配与控制方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种高速时分复用通信总线时隙分配与控制方法，步骤如下：

(1)设置总线控制器作为通信总线主控设备，进行时隙分配及管理，并通过远程终端按照时隙分配进行数据传输；

(2)对时隙分配方法进行初始化，并于同一周期的时隙分配时间窗口内按预设顺序启动远程终端进行数据传输。

所述步骤(2)中，当时隙分配时间窗口的触发时间点时刻，通信总线上正进行数据传输时，暂停时隙分配直至当前数据传输完毕后，于通信总线进行空闲状态再开始时隙分配并进行数据传输。

所述数据传输为远程终端向远程终端或总线控制器传输数据。

所述时隙分配时间窗口包括n个长度不同的时隙，分别与不同的远程终端一一对应。

所述时隙分配时间窗口的触发方式包括：定时器触发、软件触发、特定数据传输结束触发；

所述时隙分配时间窗口的关闭方式包括：定时器关闭、软件关闭、时隙分配结束自动关闭。

所述时隙分配时间窗口内若存在未完成或未结束的时隙分配，则等待当前处于运行状态的时隙分配结束后关闭当前时隙分配时间窗口，相邻时隙分配时间窗口间的切换间隙大于当前时隙分配时间窗口内最大时隙长度。

所述时隙分配的模式包括单次分配模式、自动循环分配模式。

所述单次分配模式中，总线控制器根据预设时隙数进行时隙分配，时隙分配时间窗口结束后终止；

所述自动循环分配模式中，上一个时隙分配时间窗口内未分配完成的时隙将在下一个时隙分配时间窗口继续分配。

所述时隙分配过程中，若存在优先级高于当前时隙分配的数据传输请求，则停止当前时隙分配并根据新的数据传输请求进行数据传输。

所述对时隙分配方法进行初始化的具体步骤为：

(S1)设定时隙分配流程的触发方式；

(S2)设定时隙分配流程的关闭方式；

(S3)选择时隙分配功能。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种高速时分复用通信总线时隙分配与控制方法，能实现高速时分复用通信总线上不同节点之间高效可靠的数据传输，分配方法灵活，对总线上各种非正常情况能够做出及时有效的处理，避免数据丢失，实现了合理有效的时隙管理；

(2)本发明结合时隙分配与管理方法后解决了TDMA技术中时钟不同步而引起的数据冲突问题，所有数据传输均在总线控制器的命令下进行传输，可靠性高；远程终端在分配的时隙内享有总线控制权，可主动向其他节点发起数据传输而不需要经过总线控制器；

(3)本发明时隙分配时间窗口启用灵活，通过预先配置时隙分配方式，总线控制器能够自动开始时隙分配流程，自动时隙分配模式可以方便的实现不同设备间周期性的数据交换，时隙分配流程与外部信号自动同步；

(4)本发明时隙长度和间隔时间根据预计传输的数据量设置为不同的值，提高通信总线中数据传输的效率，时隙分配与管理方法通过预先配置时隙分配顺序，指定了不同网络终端的优先级，同时为不同的数据传输请求设置了优先级，确保对实时性要求高的数据请求能够及时发送，传输延迟小。

附图说明

图1为发明提供的通信总线时隙分配与管理流程示意图；

图2为发明提供的单次分配模式下的时隙分配流程示意图；

图3为发明提供的自动循环分配模式下的时隙分配流程示意图；

具体实施方式

一种高速时分复用通信总线时隙分配与控制方法，通过总线控制器完成命令/响应式通信总线上不同时间段中可靠有效的数据交换，解决时隙分配方法灵活性差、传输可靠性低的问题，具体步骤如下：

(1)设置总线控制器作为通信总线主控设备，进行时隙分配及管理，并通过远程终端按照时隙分配进行数据传输；

(2)对时隙分配方法进行初始化，并于同一周期的时隙分配时间窗口内按预设顺序启动远程终端进行数据传输。

其中，时隙分配时间窗口内包含多个时隙分配流程，具体为：

当时隙分配时间窗口的触发时间点时刻，通信总线上正进行数据传输时，暂停时隙分配直至当前数据传输完毕后，于通信总线进行空闲状态再开始时隙分配并进行数据传输；

数据传输为远程终端向远程终端或总线控制器传输数据，时隙分配时间窗口包括n个长度不同的时隙，分别与不同的远程终端一一对应；

时隙分配时间窗口的触发方式包括：定时器触发、软件触发、特定数据传输结束触发；时隙分配时间窗口的关闭方式包括：定时器关闭、软件关闭、时隙分配结束自动关闭；

时隙分配时间窗口内若存在未完成或未结束的时隙分配，则等待当前处于运行状态的时隙分配结束后关闭当前时隙分配时间窗口，相邻时隙分配时间窗口间的切换间隙大于当前时隙分配时间窗口内最大时隙长度；

时隙分配的模式包括单次分配模式、自动循环分配模式，其中：

单次分配模式中，总线控制器根据预设时隙数进行时隙分配，时隙分配时间窗口结束后终止；

自动循环分配模式中，上一个时隙分配时间窗口内未分配完成的时隙将在下一个时隙分配时间窗口继续分配；

时隙分配过程中，若存在优先级高于当前时隙分配的数据传输请求，则停止当前时隙分配并根据新的数据传输请求进行数据传输。

对时隙分配方法进行初始化的具体步骤为：

(S1)设定时隙分配流程的触发方式；

(S2)设定时隙分配流程的关闭方式；

(S3)选择时隙分配功能。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

在本实施例中，总线控制器作为整个通信总线的主控设备，负责时隙分配与管理，远程终端按照分配的时隙进行数据传输；

在一个周期性的时隙分配时间窗口内顺序启动各远程终端的数据传输操作，时间窗口的触发时间点总线上有数据正在传输时，等待总线空闲时再开始时隙分配，数据传输可以是远程终端到总线控制器的，也可以是远程终端到其他远程终端的；

每个时隙分配时间窗口划分为多个长度不同的时隙，供不同的远程终端使用；

时隙分配时间窗口有三种触发方式：定时器触发、软件触发和特定数据传输结束触发；时隙分配时间窗口有三种关闭方式：定时器关闭、软件关闭和时隙分配结束自动关闭；

时隙分配时间窗口内未完成所有时隙分配或存在未结束的时隙，当前处于运行状态的时隙结束后关闭当前时隙窗口，相邻时隙分配时间窗口之间的切换间隙大于当前时隙分配时间窗口内最大时隙长度；

时隙分配模式分为两种：单次分配模式和自动循环分配模式，时隙单次分配模式下，总线控制器根据设定的时隙数发起时隙分配流程，时间窗口耗尽后终止时隙分配；时隙自动循环分配模式下，上一个时间窗口内未分配完的时隙在下一个时间窗口内继续分配；

时隙分配过程中出现优先级更高的数据传输请求时，时隙分配时间窗口被打断，优先级高的请求占用总线，该请求的数据传输结束后时隙分配流程可以恢复。

根据本发明中提及的时隙分配与管理方法，在开始时隙分配流程之前先要对时隙分配方法进行初始化。时隙分配方法初始化的具体步骤为：

设定时隙分配的基本信息：时隙个数、所有时隙的间隔时间、占用时间长度、使用该时隙的节点和数据传输方向。其中时隙个数是指一个时隙分配时间窗口内预计需要分配的时隙个数；用时间长度是指单个时隙预计要占用的时间长度；间隔时间是指相邻两个时隙开始时刻的间隔，根据需要传输的数据量大小设置时隙的时间长度和间隔时间；数据传输方向可以是远程终端到总线控制器的，也可以是不同远程终端之间的。

设定时隙分配流程的触发方式，包括时隙分配定时器触发、软件触发和特定数据传输结束触发。其中时隙分配定时器触发是指通过时隙分配定时器产生周期性的时隙分配时间窗口，并指定在此时间窗口内开始和关闭时隙分配的时间点，时隙分配定时器可以由外部信号进行清零和同步，实现时隙分配与数据周期同步；软件触发是指处理器控制总线控制器开始时隙分配流程；特定数据传输结束触发是指在一些有特定意义的数据传输结束后立刻开始时隙分配流程。

设定时隙分配流程的关闭方式，包括定时器关闭、软件关闭和时隙分配结束自动关闭。其中定时器关闭是指在时隙分配定时器的关闭时间点结束时隙分配流程；软件关闭是指处理器控制总线控制器结束时隙分配流程，这两种时隙关闭方式下的时隙关闭时间点有数据正在传输，则等待当前时隙分配结束后关闭时间窗口；时隙分配结束自动关闭是指在时隙分配定时器设定的关闭时间点到来之前，已分配完预定的时隙个数，马上关闭当前时间窗口，多种时隙分配流程的关闭方式可以一起使用。

选择时隙分配功能，可选的时隙分配功能包括自动循环功能、自动续传功能、时隙传输失败中断。自动循环功能即在时隙传输时间窗口内完成当前时隙组的处理，自动开始下一个时隙组的处理；自动续传功能即在上一个时隙分配时间窗口内未分配完的时隙组将在下一个时间分配窗口内继续分配；时隙传输失败中断即在某个时隙分配过程中出现错误时产生一个中断。

在对时隙分配方法进行初始化的过程中需要注意，相邻时隙分配时间窗口之间的切换间隙大于最大时隙值，即一个时间窗口内所有时隙间隔的总和与时隙分配时间窗口的时间长度之差大于可以分配的最大时隙长度。保证在时隙分配滞后导致时间窗口结束时间点有正在分配的时隙的情况下，下一个时间窗口触发时间点之前，一定可以结束当前时隙分配流程。

时隙分配过程中出现优先级更高的数据传输请求时，时隙分配时间窗口被打断，优先级高的请求占用总线，该请求的数据传输结束后时隙分配流程可以恢复。

本发明中提及的一种高速时分复用通信总线时隙分配与管理方法通过总线控制器实现，具体实现方法如图1所示。

节点BC(1)为总线控制器，节点RT(2)、RT(3)为同一总线上的两个远程终端，时隙轮流分配给节点RT(2)和节点RT(3)。在时隙分配时间窗口开始时间点后，开始时隙分配流程，第一个时隙是分配给节点RT(2)的远程终端。总线控制器发出授权总线使用握手命令，节点RT(2)收到命令后没有待发送的数据，立刻发出结束总线占用握手，提前结束时隙1。第二个时隙中总线控制器BC(1)发出授权总线使用握手命令，节点RT(3)对该命令做出响应，发出接收总线使用握手信号，此时节点RT(3)拥有总线控制权，并按照设定向节点RT(2)发出命令序列，节点RT(2)对该命令做出响应，发出状态序列和后续数据序列，数据传输完毕后节点RT(3)向总线控制器BC(1)发出结束总线占用握手信号，结束当前时隙2。第三个时隙中，总线控制器BC(1)将总线的使用权交给节点RT(2)，节点RT(2)向总线控制器BC(1)发送一定量的数据后返还总线使用权。

总线控制器按照设定的分配方法将时隙依次分配需要传输数据的节点，占用时隙的节点对命令做出响应并进行数据传输，所有的数据传输都是由总线控制器发起和控制的，由此实现面向命令/响应式高速时分复用通讯总线时隙分配与控制方法。

通过对时隙分配与管理方法中各项功能的合理选择，在时隙分配时间窗口内实现两种典型的时隙分配流程：单次分配模式和自动循环分配模式。

单次分配模式下的时隙分配流程如图2所示。时隙分配时间窗口内拟分配的时隙个数为m，使用每个时隙的节点和数据传输方式设置完成后，开始时隙分配流程，总线控制器按照设定的时隙分配方法控制各个节点之间的数据传输，每个时隙的间隔时间根据需要传输的数据量分别设置为a、b、c。时隙分配时间窗口内实际分配的时隙个数为n，取决于时隙窗口的时间宽度。若n<m即在时隙窗口耗尽时没有分配完预定的时隙数，时隙分配流程终止且剩余时隙不再分配；若n>m即时隙窗口关闭时间点之前完成所有的时隙分配，提前结束当前时隙窗口。

自动循环模式下的时隙分配流程如图3所示。时隙分配时间窗口内拟分配的时隙个数为q，使用每个时隙的节点和数据传输方式设置完成后，在周期性外部信号的上升沿复位并启动时隙分配定时器，实现时隙分配定时器起点与外部周期性信号的自动同步。定时器计数到时隙分配触发时间点时开始时隙分配流程。由于数据传输延迟与信号传输质量差等因素的影响，时隙内的数据传输时间超过分配的时隙宽度时，继续当前时隙分配直到数据传输完毕。时隙组分配滞后于时隙窗口时结束当前时隙窗口，并在下一个时隙窗口内继续未完成的时隙传输，直到完成所有拟分配的时隙数。紧接着开始下一时隙组的分配。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种高速时分复用通信总线时隙分配与控制方法，其特征在于步骤如下：

(1)设置总线控制器作为通信总线主控设备，进行时隙分配及管理，并通过远程终端按照时隙分配进行数据传输；

(2)对时隙分配方法进行初始化，并于同一周期的时隙分配时间窗口内按预设顺序启动远程终端进行数据传输；

设定时隙分配的基本信息：时隙个数、所有时隙的间隔时间、占用时间长度、使用该时隙的节点和数据传输方向；

所述步骤(2)中，当时隙分配时间窗口的触发时间点时刻，通信总线上正进行数据传输时，暂停时隙分配直至当前数据传输完毕后，于通信总线处于空闲状态时再开始时隙分配并进行数据传输；

所述数据传输为远程终端向远程终端或总线控制器传输数据；

所述时隙分配时间窗口包括n个长度不同的时隙，分别与不同的远程终端一一对应；

所述时隙分配时间窗口的触发方式包括：定时器触发、软件触发、特定数据传输结束触发；

所述时隙分配时间窗口的关闭方式包括：定时器关闭、软件关闭、时隙分配结束自动关闭；

所述时隙分配时间窗口内若存在未完成或未结束的时隙分配，则等待当前处于运行状态的时隙分配结束后关闭当前时隙分配时间窗口，相邻时隙分配时间窗口间的切换间隙大于当前时隙分配时间窗口内最大时隙长度；

所述时隙分配的模式包括单次分配模式、自动循环分配模式；

单次分配模式中，总线控制器根据预设时隙数进行时隙分配，时隙分配时间窗口结束后终止；

自动循环分配模式中，上一个时隙分配时间窗口内未分配完成的时隙将在下一个时隙分配时间窗口继续分配；

所述时隙分配过程中，若存在优先级高于当前时隙分配的数据传输请求，则停止当前时隙分配并根据新的数据传输请求进行数据传输；

所述对时隙分配方法进行初始化的具体步骤为：

(S1)设定时隙分配流程的触发方式；

(S2)设定时隙分配流程的关闭方式；

(S3)选择时隙分配功能，其中：

可选的时隙分配功能包括自动循环功能、自动续传功能、时隙传输失败中断；自动循环功能即在时隙传输时间窗口内完成当前时隙组的处理，自动开始下一个时隙组的处理；自动续传功能即在上一个时隙分配时间窗口内未分配完的时隙组将在下一个时间分配窗口内继续分配；时隙传输失败中断即在某个时隙分配过程中出现错误时产生一个中断。

Images