CN113014465A - 一种基于服务质量特性的总线传输接口系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于服务质量特性的总线传输接口系统及设计方法，总线接口领域。本发明解决了虚拟通道的数据发送冲突问题，进而可以实现不同业务数据的及时和确定性传输，以及带宽的优化利用，链路带宽利用率可以达到90％以上，数据处理等待延时为2个系统周期，同时支持时隙系统同步功能，可以快速实现与系统时隙的同步更新。本发明的总线传输服务质量特性设计在总线接口电路设计中具有普适性，可以通过不同的服务质量特性配置适用于不同特性的总线接口设计，具有广泛的使用范围，能够产生较大的经济效益。

Description

一种基于服务质量特性的总线传输接口系统及设计方法

技术领域

本发明属于总线接口领域，尤其是一种基于服务质量特性的总线传输接口系统及设计方法。

背景技术

随着航天型号、武器装备应用领域的不断拓展、任务也日益复杂化和多样化，这对总线数据网络提出了高速、支持多业务数据及时和确定性传输的要求；系统要求传输总线能够满足航天、航空和军用武器装备系统中多用户、多任务、大数据量信息传输、交互和处理需求。

在现有的总线接口数据传输中，总线支持的可配置服务特性比较单一，难以满足系统中控制信息、时间信息、音视频数据等多样化、复杂化业务数据的大容量传输。因此如何支持和解决多类型数据发送冲突问题，实现数据流量控制和带宽利用是总线接口的关键环节。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的总线接口数据传输中多类型数据发送存在冲突的缺点，提供一种基于服务质量特性的总线传输接口系统及设计方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于总线传输的服务质量特性设计方法，

每个总线接口链路包括多个虚拟通道，利用虚拟通道号方式来标识接口链路中的各个虚拟通道，根据应用需求设置每个输出虚拟通道缓存空间；

配置每个虚拟通道的优先级、带宽预留和时隙调度的服务质量属性；

根据总线链路所支持的虚拟通道数量设置优先级的个数；

根据每个虚拟通道所允许占用的链路总带宽的比例设置虚拟通道的带宽预留属性；

每个虚拟通道最多支持64个时隙，时隙长度可配，同时具有系统时隙同步功能。

一种基于服务质量特性的总线传输接口系统，包括时隙配置模块、时隙号更新模块、带宽配置模块、带宽权重更新模块、优先级配置模块、优先级权重计算模块、通道总权重更新模块、服务质量逻辑仲裁模块、RAM缓存模块、数据帧发送控制模块；

所述总线的链路支持n个虚拟通道，每个虚拟通道用于传输一种类型的业务数据；

时隙配置模块用于对各个虚拟通道发送数据占用的时隙进行配置；

时隙号更新模块用于根据主机系统需求更新当前总线链路中的当前时隙；

带宽配置模块用于对各个虚拟通道占用的链路总带宽比例进行配置；

带宽权重更新模块用于根据各个虚拟通道的数据发送数量、配置的虚拟通道占用带宽比例进行带宽权重值更新；

优先级配置模块用于对各个虚拟通道占用的优先级进行配置，若链路支持n个虚拟通道，则支持n个优先级，其中优先级为0的级别最高；

优先级权重计算模块用于根据各个虚拟通道的数据发送数量、配置的虚拟通道优先级进行优先级权重值更新；

通道总权重更新模块用于根据更新的带宽权重和优先级权重进行求和操作，计算各个虚拟通道的通道总权重值；

服务质量逻辑仲裁模块用于根据各个虚拟通道的通道总权重值和虚拟通道占用的允许发送数据的时隙进行仲裁判断，配置确定虚拟通道的数据发送权；

数据帧发送控制模块用于就虚拟通道的待发送数据向服务质量逻辑仲裁模块发送数据发送请求，并在授权后进行虚拟通道的数据发送，同时输出数据有效信号，当前的虚拟通道使用状态；

RAM缓存模块用于存储数据。

进一步的，所述时隙配置模块的配置范围为100us～16ms。

进一步的，时隙配置模块的配制方式为：

若虚拟通道n能够在时隙n中发送，则在时隙表对应时隙n的位置置1；

若允许在多个时隙中发送，则在时隙表多个对应位置置1。

进一步的，带宽权重更新模块的更新机制如下：

其中，BA为带宽容量，即链路所能发送的数据总量；UB为已使用带宽，即上次数据发送中，链路所发送的数据量，对于发送数据的虚拟通道其UB为其发送数据量，对于未发送数据的虚拟通道其UB为0；EB为期望带宽，即各虚拟通道期望占用的链路总带宽的比例。

进一步的，优先级权重计算模块的更新机制如下：

虚拟通道的优先权计算公式如下：

2P×(T-N)-P

其中，N为虚拟通道的优先级，P为带宽信用限额值，T为支持的总优先级个数；优先级取值为0～(T-1)，优先级为(T-1)时的优先权为P；

或者：

(2×N+1)×P

其中，N为虚拟通道的优先级，P为带宽信用限额值，优先级取值为0～N，优先级为0时的优先权为P。

进一步的，RAM缓存模块采用双端口RAM或单端口RAM。

进一步的，服务质量逻辑仲裁模块进行仲裁判断的原则为：

若高优先权虚拟通道在请求数据发送时，低优先权的虚拟通道正在进行数据发送，则高优先权通道在低优先级通道完成当前数据帧传输完成后进行数据发送；

在高优先权通道发送完数据后，低优先权通道继续发送剩余数据帧。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的基于服务质量特性的总线传输接口系统及设计方法，解决了虚拟通道的数据发送冲突问题，进而可以实现不同业务数据的及时和确定性传输，以及带宽的优化利用，链路带宽利用率可以达到90％以上，数据处理等待延时为2个系统周期，同时支持时隙系统同步功能，可以快速实现与系统时隙的同步更新。本发明的总线传输服务质量特性设计在总线接口电路设计中具有普适性，可以通过不同的服务质量特性配置适用于不同特性的总线接口设计，具有广泛的使用范围，能够产生较大的经济效益。

附图说明

图1为基于服务质量特性的总线传输接口系统框图；

图2为用于总线传输的服务质量特性设计方法逻辑框图；

图3为时隙表示例。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明公开了一种基于服务质量特性的总线传输接口系统及设计方法，用于解决多类型业务数据发送冲突问题，实现业务及时和确定性传输和链路带宽优化利用。本发明的总线传输服务质量特性设计在总线接口电路设计中具有普适性，以通可过不同的服务质量特性配置适用于不同特性的总线接口设计，具有广泛的使用范围，能够产生较大的经济效益。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种用于总线传输的服务质量特性设计方法，参见图2，图2为用于总线传输的服务质量特性设计方法逻辑框图，具体过程为：

每个总线接口链路可以包含多个虚拟通道，利用虚拟通道号方式来标识接口链路中的各个虚拟通道，每个输出虚拟通道缓存空间根据实际应用需求可以灵活设置；每个虚拟通道可以配置优先级、带宽预留和时隙调度的服务质量属性；优先级的个数根据总线链路所支持的虚拟通道数量设置；根据每个虚拟通道所允许占用的链路总带宽的比例可以设置虚拟通道的带宽预留属性；每个虚拟通道最多支持64个时隙，且时隙长度可配，且同时具有系统时隙同步功能，实现总线接口与系统时隙的快速更新，在系统层面保证业务数据传输的确定性。

参见图1，图1为基于服务质量特性的总线传输接口系统框图，一个总线链路支持n个虚拟通道，每个虚拟通道用于传输一种类型的业务数据；本发明的基于服务质量特性的总线传输接口系统包括时隙配置模块、时隙号更新模块、带宽配置模块、带宽权重更新模块、优先级配置模块、优先级权重计算模块、通道总权重更新模块、服务质量逻辑仲裁模块、RAM缓存模块、数据帧发送控制模块；

时隙配置模块用于对各个虚拟通道发送数据占用的时隙进行配置，即虚拟通道n可以在时隙n中发送，则在时隙表对应时隙n的位置置1；如果允许在多个时隙中发送，则在时隙表多个对应位置置1；时隙持续时间在100us～16ms范围内可配。

时隙号更新模块用于根据主机系统需求更新当前总线链路中的当前时隙；

带宽配置模块用于对各个虚拟通道占用的链路总带宽比例进行配置，如设置虚拟通道n占用链路总带宽的比例为25％；

优先级配置模块用于对各个虚拟通道占用的优先级进行配置，若链路支持n个虚拟通道，则支持n个优先级；

RAM缓存模块用于存储数据，可以根据应用需求进行配置，可以采用双端口RAM、单端口RAM等；

数据帧发送控制模块用于控制上游数据在RAM缓存中的组织管理；当一个输出虚拟通道中有数据需要发送时，且对端接收虚拟通道缓存具有足够的缓存空间接收数据，则发送端输出虚拟通道缓存控制逻辑向仲裁逻辑发出数据发送请求；根据仲裁逻辑的授权信号进行数据帧的发送；

带宽权重更新模块用于根据各个虚拟通道的数据发送数量、配置的虚拟通道占用带宽比例进行带宽权重值更新，更新机制如下：

其中，BA为带宽容量，即链路所能发送的数据总量；UB为已使用带宽，即上次数据发送中，链路所发送的数据量，对于发送数据的虚拟通道其UB为其发送数据量，对于未发送数据的虚拟通道其UB为0；EB为期望带宽，即各虚拟通道期望占用的链路总带宽的比例。

优先级权重计算模块用于根据各个虚拟通道的数据发送数量、配置的虚拟通道优先级进行优先级权重值更新，更新机制如下：

虚拟通道的优先权计算公式如下：

2P×(T-N)-P

其中，N为虚拟通道的优先级，P为带宽信用限额值，T为支持的总优先级个数，优先级取值为0～(T-1)，优先级为(T-1)的优先权为P。

或者：

(2×N+1)×P

其中，N为虚拟通道的优先级，P为带宽信用限额值，优先级取值为0～N，优先级为0时的优先权为P。

通道总权重更新模块用于根据更新的带宽权重和优先级权重进行求和操作，计算各个虚拟通道的通道总权重值；

服务质量逻辑仲裁模块用于根据各个虚拟通道的通道总权重值和虚拟通道占用的允许发送数据的时隙进行仲裁判断，配置确定虚拟通道的数据发送权，得到授权的虚拟通道进行数据发送，同时输出数据有效信号，当前的虚拟通道使用状态。若高优先权虚拟通道在请求数据发送时，低优先权的虚拟通道正在进行数据发送，则高优先权通道必须在低优先级通道完成当前数据帧传输完成后进行数据发送；且在高优先权通道发送完数据后，低优先权通道继续发送剩余数据帧。

本发明公开了一种用于总线传输的服务质量特性设计方法，用于解决多类型业务数据发送冲突问题，实现业务及时和确定性传输和链路带宽优化利用。本发明的总线传输服务质量特性设计在总线接口电路设计中具有普适性，可以通过不同的服务质量特性配置适用于不同特性的总线接口设计，具有广泛的使用范围，能够产生较大的经济效益。

本发明的实施例如图3所示，为一种具有四个虚拟通道，支持四个优先级的服务质量特性的SpaceFibre总线接口。

在SpaceFibre网络中，数据以帧的形式在SpaceFibre链路上传输。本发明的总线接口设计中一个SpaceFibre链路支持四个虚拟通道，每个输出虚拟通道缓存空间为4K×32bit，最多可以缓存64个数据帧。每个虚拟通道支持优先级、带宽预留和时隙调度机制的服务质量属性，设计支持64个时隙，且时隙长度可配；同时具有系统时隙同步功能，可以实现SpaceFibre接口与系统时隙的快速更新，在系统层面保证业务数据传输的确定性。

当一个输出虚拟通道中有数据需要发送时，且对端接收虚拟通道缓存具有足够的缓存空间接收数据，则发送端输出虚拟通道缓存控制逻辑向服务质量仲裁逻辑模块发出数据发送请求，服务质量仲裁逻辑模块根据各虚拟通道的优先级、带宽配置及时隙配置确定虚拟通道的数据发送权。数据链路在完成一帧数据发送后，每个虚拟通道根据上述带宽信用更新机制进行带宽信用值更新，以确定下次链路中虚拟通道数据发送次序。

如果某一虚拟通道长时间没有使用链路带宽，则它将具有较高的数据发送优先权，当这个虚拟通道发送完成一帧数据时，其优先权将降低；在一段空闲时间后其优先权将再次累计。如果一个虚拟通道频繁使用链路带宽，则其数据发送优先权将明显降低。

本发明中为减少带宽信用计算所需硬件资源，设置了带宽信用最大和最小限额值，并设置最小带宽信用阈值(设为最小限额值的90％)，以保证虚拟通道带宽占用的可靠性。若某个虚拟通道的带宽信用小于最小带宽信用阈值时，将在带宽占用状态寄存器中标记该状态，则此虚拟通道实际使用带宽接近其期望带宽极限，需降低其优先权以避免其继续占用带宽。

如果虚拟通道带宽权重稳定在最大限额值时间超过虚拟通道空闲时间后，则说明该虚拟通道的带宽占用出现占用不足的状态。即虚拟通道在实际工作中数据传输所需要的链路带宽比预期带宽设置要小，为避免链路带宽浪费，主机需重新调整此虚拟通道占用带宽，以实现链路带宽的优化利用。

SpaceFibre协议为链路的虚拟通道各分配一个优先级值，本实施例支持四个优先级(优先级0-3，其中0为最高优先级)，优先级最高的虚拟通道具有较高的链路使用优先权。在SpaceFibre接口使用过程中，如果四个虚拟通道的优先级设置为同一优先级，则QoS按带宽预留机制进行仲裁；如果四个虚拟通道的优先级设置的均不相同，则QoS首先按优先级机制进行仲裁；其余则优先级和带宽预留机制同时有效。

如果一个虚拟通道在某个时隙内允许发送数据，则将基于优先级和带宽信用机制与其它在该时隙内允许发送的虚拟通道进行竞争。如果系统不希望使用时隙调度机制，则可以将虚拟通道配置为在时隙调度表内每个时隙都允许数据发送，即在任一时隙内允许所有虚拟通道发送数据，则虚拟通道将基于优先级和带宽信用机制进行数据发送仲裁。

如果一个时隙只允许一个虚拟通道发送，但其无数据发送，则会造成链路带宽浪费。为了避免这种情况，在一个时隙内将关键虚拟通道给予高优先级，其余虚拟通道配置为低优先级。这样当时隙到达时，高优先级的虚拟通道将首先被允许发送数据，如果其数据没有准备好，则低优先级的虚拟通道可以先占用该时隙，以避免带宽闲置。

在一个复杂的网络系统中，可以用时隙调度机制进行确定性数据传输，而使用带宽预和优先级留机制进行非确定性传输，SpaceFibre接口设计共支持64个时隙，时隙表示例如图3所示，VC1和VC2代表确定性流量，例如姿态和轨道控制系统和内控系统。确定性虚拟通道只允许在分配的时隙中发送数据，从而确保数据的确定性传输。当分配的时隙出现时，确定性虚拟通道可以首先发送所有数据，当它不再有任何数据发送时，其它虚拟通道可以基于带宽和优先级机制占用链路。

一种用于总线传输的服务质量特性设计方法可以解决虚拟通道的数据发送冲突问题，进而可以实现不同业务数据的及时和确定性传输，以及带宽的优化利用，链路带宽利用率可以达到90％以上，数据处理等待延时为2个系统周期，同时支持时隙系统同步功能，可以快速实现与系统时隙的同步更新。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于总线传输的服务质量特性设计方法，其特征在于，

每个总线接口链路包括多个虚拟通道，利用虚拟通道号方式来标识接口链路中的各个虚拟通道，根据应用需求设置每个输出虚拟通道缓存空间；

配置每个虚拟通道的优先级、带宽预留和时隙调度的服务质量属性；

根据总线链路所支持的虚拟通道数量设置优先级的个数；

根据每个虚拟通道所允许占用的链路总带宽的比例设置虚拟通道的带宽预留属性；

每个虚拟通道最多支持64个时隙，时隙长度可配，同时具有系统时隙同步功能。

2.一种基于服务质量特性的总线传输接口系统，其特征在于，包括时隙配置模块、时隙号更新模块、带宽配置模块、带宽权重更新模块、优先级配置模块、优先级权重计算模块、通道总权重更新模块、服务质量逻辑仲裁模块、RAM缓存模块、数据帧发送控制模块；

所述总线的链路支持n个虚拟通道，每个虚拟通道用于传输一种类型的业务数据；

时隙配置模块用于对各个虚拟通道发送数据占用的时隙进行配置；

时隙号更新模块用于根据主机系统需求更新当前总线链路中的当前时隙；

带宽配置模块用于对各个虚拟通道占用的链路总带宽比例进行配置；

带宽权重更新模块用于根据各个虚拟通道的数据发送数量、配置的虚拟通道占用带宽比例进行带宽权重值更新；

优先级配置模块用于对各个虚拟通道占用的优先级进行配置，若链路支持n个虚拟通道，则支持n个优先级，其中优先级为0的级别最高；

优先级权重计算模块用于根据各个虚拟通道的数据发送数量、配置的虚拟通道优先级进行优先级权重值更新；

通道总权重更新模块用于根据更新的带宽权重和优先级权重进行求和操作，计算各个虚拟通道的通道总权重值；

服务质量逻辑仲裁模块用于根据各个虚拟通道的通道总权重值和虚拟通道占用的允许发送数据的时隙进行仲裁判断，配置确定虚拟通道的数据发送权；

数据帧发送控制模块用于就虚拟通道的待发送数据向服务质量逻辑仲裁模块发送数据发送请求，并在授权后进行虚拟通道的数据发送，同时输出数据有效信号，当前的虚拟通道使用状态；

RAM缓存模块用于存储数据。

3.根据权利要求2所述的基于服务质量特性的总线传输接口系统，其特征在于，所述时隙配置模块的配置范围为100us～16ms。

4.根据权利要求2所述的基于服务质量特性的总线传输接口系统，其特征在于，时隙配置模块的配制方式为：

若虚拟通道n能够在时隙n中发送，则在时隙表对应时隙n的位置置1；

若允许在多个时隙中发送，则在时隙表多个对应位置置1。

5.根据权利要求2所述的基于服务质量特性的总线传输接口系统，其特征在于，带宽权重更新模块的更新机制如下：

其中，BA为带宽容量，即链路所能发送的数据总量；UB为已使用带宽，即上次数据发送中，链路所发送的数据量，对于发送数据的虚拟通道其UB为其发送数据量，对于未发送数据的虚拟通道其UB为0；EB为期望带宽，即各虚拟通道期望占用的链路总带宽的比例。

6.根据权利要求2所述的基于服务质量特性的总线传输接口系统，其特征在于，优先级权重计算模块的更新机制如下：

虚拟通道的优先权计算公式如下：

2P×(T-N)-P

其中，N为虚拟通道的优先级，P为带宽信用限额值，T为支持的总优先级个数；优先级取值为0～(T-1)，优先级为(T-1)时的优先权为P；

或者：

(2×N+1)×P

其中，N为虚拟通道的优先级，P为带宽信用限额值，优先级取值为0～N，优先级为0时的优先权为P。

7.根据权利要求2所述的基于服务质量特性的总线传输接口系统，其特征在于，RAM缓存模块采用双端口RAM或单端口RAM。

8.根据权利要求2所述的基于服务质量特性的总线传输接口系统，其特征在于，服务质量逻辑仲裁模块进行仲裁判断的原则为：

若高优先权虚拟通道在请求数据发送时，低优先权的虚拟通道正在进行数据发送，则高优先权通道在低优先级通道完成当前数据帧传输完成后进行数据发送；

在高优先权通道发送完数据后，低优先权通道继续发送剩余数据帧。

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