CN113766017B - 一种基于请求响应式实时以太网载荷数据传输控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于请求响应式实时以太网载荷数据传输控制系统和方法，包括配置管理模块、DMA传输控制模块、DMA请求模块、时间触发调度表模块、发送DMA描述符表和接收DMA描述符表；配置管理模块配置时间触发调度表模块、发送DMA描述符表和接收DMA描述符表模块；时间触发调度表模块在配置好的时刻点产生通信虚链路时间触发信号，DMA请求模块接收通信虚链路时间触发信号；DMA请求模块向DMA传输控制模块发起DMA传输请求，并接收DMA传输请求响应接口信号；DMA传输控制模块依据DMA传输请求响应接口信号，在发送DMA描述符表或接收DMA描述符表中索引到对应的DMA描述符，依据DMA描述符配合实时以太网节点控制器完成数据高速实时交互。

Description

一种基于请求响应式实时以太网载荷数据传输控制系统和 方法

技术领域

本发明属于数据传输控制技术领域，具体属于一种基于请求响应式实时以太网载荷数据传输控制系统和方法。

背景技术

在电力系统和分布式测发控装备系统中，状态参数的同步采集和控制指令实时传输等操作意义重大，因此，实时以太网在高实时性互联的分布式电子系统中有广泛应用。对于实时以太网终端设备，其有效载荷数据主机接口传输实时性是影响实时以太网数据传输实时性的重要关键环节。为了解决实时以太网中断设备的高速实时传输问题，需要高效实时的传输控制方法来保证主机接口的实时性。

现在常用的DMA数据传输方法有两种：第一种是单次模式的DMA传输，需要主机接口初始化DMA传输过程需要的目标地址、源地址、传输长度等控制信息，然后启动DMA完成数据搬运。第二种是基于描述符的DMA数据传输，主机接口通过构造描述符和数据，并将描述符控制信息配置到DMA控制器中，DMA控制器启动工作后索引描述符，并根据描述符控制状态信息进行DMA数据搬运操作。两种方式都需要在数据传输过程中进行主机接口与网络终端设备的交互操作，一定程度上都会影响数据传输的实时性，尤其是在接收数据传输过程中表现尤为明显。

通过检索审查现有公开的技术，应用于实时以太网网络设备的DMA传输控制技术均属于上述两种方式，本发明提出一种基于时间触发请求响应式实时以太网载荷数据传输控制方法，该方法涉及的DMA传输方式在工作过程中不需要主机接口软件与网络终端设备进行访问交互，能够最大程度的保证数据传输在时间上的实时性、确定性。

综上所述，现有技术在实时以太网终端设备主机接口载荷数据传输过程中，软件接口与终端设备的交互常常会给数据传输过程中增加传输时间延迟，同时造成时间上的抖动，这会严重影响实时以太网实时数据交互性能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于请求响应式实时以太网载荷数据传输控制系统和方法，能够在工作过程中软件接口与网络终端节点设备没有任何访问交互的情况下，最大程度实现载荷数据主机接口传输的实时性、确定性，可有效解决实时以太网在实时性要求很高的应用场景中主机接口载荷数据实时性、确定性无法保证的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于请求响应式实时以太网载荷数据传输控制系统，包括配置管理模块、DMA传输控制模块、DMA请求模块、时间触发调度表模块、发送DMA描述符表和接收DMA描述符表；

所述时间触发调度表模块用于接收网络节点控制器时钟信号，产生通信虚链路时间触发信号；

所述DMA请求模块用于接收通信虚链路时间触发信号，产生和/或接收DMA传输请求响应接口信号；

所述DMA传输控制模块用于产生和/或接收DMA传输请求接口信号，DMA传输控制模块和发送DMA描述符表之间通过发送DMA描述符表索引接口进行连接，DMA传输控制模块和接收DMA描述符表之间通过接收DMA描述符表索引接口进行连接；DMA传输控制模块上设置有DMA数据读写传输AXI主接口，用于完成数据搬运；

所述配置管理模块和发送DMA描述符表之间通过发送DMA描述符表访问接口进行连接，配置管理模块和接收DMA描述符表之间通过接收DMA描述符表访问接口进行连接，所述配置管理模块上设置有配置管理AXI从接口。

优选的，时间触发调度表模块用于存储N条发送虚链路的时间调度表信息和M条接收虚链路的时间调度表信息。

优选的，所述发送DMA描述符表内部存储有若干条发送虚链路描述符信息，包括当前虚链路的软件发送缓存起始地址、当前虚链路在实时以太网控制内部发送缓存队列入口地址、当前虚链路载荷数据长度。

优选的，所述接收DMA描述符表内部存储有若干条接收虚链路描述符信息，包括当前虚链路的软件接收缓存起始地址、当前虚链路在实时以太网控制内部接收缓存队列读取地址、当前虚链路载荷数据长度。

优选的，所述DMA传输控制模块包括发送DMA通道和接收DMA通道，发送DMA通道用于实现软件发送缓存区状态查询、软件发送缓存区数据读取并传输至对应虚链路发送缓存、软件发送缓存区状态清除；接收DMA通道用于实现软件接收缓存区状态查询、实时以太网节点接收虚链路缓存数据读取并传输至对应软件接收缓存区、软件接收缓存区状态设置。

一种基于请求响应式实时以太网载荷数据传输控制方法，包括以下过程，

配置管理模块配置时间触发调度表模块、发送DMA描述符表和接收DMA描述符表模块；时间触发调度表模块在配置好的时刻点产生通信虚链路时间触发信号，DMA请求模块接收通信虚链路时间触发信号；DMA请求模块向DMA传输控制模块发起DMA传输请求，并接收DMA传输请求响应接口信号；

DMA传输控制模块依据DMA传输请求响应接口信号，在发送DMA描述符表或接收DMA描述符表中索引到对应的DMA描述符，依据DMA描述符配合实时以太网节点控制器完成数据高速实时交互。

优选的，在DMA发送数据传输过程中，包括以下过程，

时间触发调度表模块在配置好的时刻点产生通信虚链路时间触发信号，DMA请求模块接收通信虚链路时间触发信号；DMA请求模块向DMA传输控制模块发起DMA发送传输请求，并接收DMA传输请求响应接口信号；DMA传输控制模块依据DMA传输请求响应接口信号，通过发送DMA描述符表索引接口在发送DMA描述符表中索引到对应的DMA描述符，根据DMA描述符从主机内存中读取数据状态信息及数据，若数据状态信息显示当前载荷数据状态有效，则将数据填写至实时以太网控制器发送缓存，实时以太网控制器将数据发送到网络中；若数据状态信息显示当前载荷数据无效，则DMA控制器返回至空闲状态。

优选的，在DMA接收数据传输过程中，包括以下过程，

时间触发调度表模块在配置好的时刻点产生通信虚链路时间触发信号，DMA请求模块接收通信虚链路时间触发信号；DMA请求模块向DMA传输控制模块发起DMA接收传输请求，并接收DMA传输请求响应接口信号；DMA传输控制模块依据DMA传输请求响应接口信号，通过接收DMA描述符表访问接口在接收DMA描述符表中索引到对应的DMA描述符，并查看节点控制器对应虚链路接收缓存数据状态信息；如果接收缓存数据状态有效，则启动DMA将对应接收缓存队列中的数据搬运至主机软件接收缓存；若接收缓存数据状态数据无效，则DMA控制器返回至空闲状态。

优选的，发送DMA描述符表内部存储有若干条发送虚链路描述符信息，包括当前虚链路的软件发送缓存起始地址、当前虚链路在实时以太网控制内部发送缓存队列入口地址、当前虚链路载荷数据长度。

优选的，接收DMA描述符表内部存储有若干条接收虚链路描述符信息，包括当前虚链路的软件接收缓存起始地址、当前虚链路在实时以太网控制内部接收缓存队列读取地址、当前虚链路载荷数据长度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明和现有技术相比所具有的优点及效果：

本发明提出了一种基于请求响应式实时以太网载荷数据传输控制系统，通过配置管理模块、发送DMA描述符表模块、接收DMA描述符表模块、DMA传输控制模块、时间触发DMA请求调度模块的协同工作，将网络终端设备中的DMA传输操作都工作在时间触发的确定性时序下，配合实时以太网节点控制器完成数据高速实时交互，保证实时以太网互联电子系统的实时性、确定性。本发明采用纯硬件电路实现实时以太网载荷数据的传输，数据传输过程不需要软件接口对底层控制器执行任何操作，最大程度简化软件收发控制接口。本系统的控制器电路能够全程无软件接口参与控制的情况下自主完成实时以太网载荷数据传输，可有效保证数据传输的实时性确定性。

本发明设计的控制器电路中设计了时间触发DMA请求调度模块，该模块工作在时间触发机制下，能够与实时以太网节点控制器的时间触发数据传输数据完全匹配，使得软件接口数据发送到实时以太网网络，然后传输至接收节点控制器，最后到接收实时以太网终端设备接收缓存的延迟达到最小，最大化实时以太网的数据传输实时性性能。

附图说明

图1为请求响应式DMA控制电路结构图；

附图中：1为配置管理模块；2为DMA传输控制模块；3为DMA请求模块；4为时间触发调度表模块；5为发送DMA描述符表；6为接收DMA描述符表；7为配置管理AXI从接口；8为DMA数据读写传输AXI主接口；9为网络节点时钟信号；10为发送DMA描述符表访问接口；11为接收DMA描述符表访问接口；12为发送DMA描述符表索引接口；13为接收DMA描述符表索引接口；14为DMA传输请求响应接口信号；15为通信虚链路时间触发信号。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提出了基于时间触发请求响应式实时以太网载荷数据传输控制方法，该方法通过配置管理模块1、发送DMA描述符表5、接收DMA描述符表6、DMA传输控制模块2、时间触发DMA请求调度模块的协同工作，时间触发DMA请求调度模块集成DMA请求模块3和时间触发调度表模块4，将网络终端设备中的DMA传输操作都运行在时间触发的确定性时序下，配合实时以太网节点控制器完成数据高速实时交互，保证实时以太网互联电子系统的实时性、确定性。

本发明提出了基于时间触发请求响应式实时以太网载荷数据传输控制方法，在上电初始化时，通过配置管理模块1通过配置管理AXI从接口7提前将时间触发调度表模块4、发送DMA描述符表5和接收DMA描述符表6提前配置完成。时间触发调度表模块4在配置好的时刻点产生通信虚链路时间触发信号15，DMA请求模块3接收通信虚链路时间触发信号15；DMA请求模块3向DMA传输控制模块2发起DMA传输请求，并接收DMA传输请求响应接口信号14；DMA传输控制模块2依据DMA传输请求响应接口信号14，在发送DMA描述符表5或接收DMA描述符表6中索引到对应的DMA描述符，依据DMA描述符配合实时以太网节点控制器完成数据高速实时交互。在DMA传输控制模块2的控制下完成DMA传输，数据收发传输过程中软件仅维护内存数据结构，完全不需要参与DMA控制器的工作过程。

以一次DMA发送数据传输为例：时间触发调度表模块4在配置好的时刻点产生通信虚链路时间触发信号15，DMA请求模块3接收通信虚链路时间触发信号15；DMA请求模块3向DMA传输控制模块2发起DMA发送传输请求，并接收DMA传输请求响应接口信号14；DMA传输控制模块2依据DMA传输请求响应接口信号14，通过发送DMA描述符表索引接口12在发送DMA描述符表5中索引到对应的DMA描述符，根据描述符从主机内存中读取数据状态信息及数据，如果数据状态信息显示当前载荷数据状态有效，则将数据填写至实时以太网控制器对应虚链路发送缓存，然后实时以太网控制器将数据发送到网络中。若数据状态信息显示当前载荷数据无效则DMA控制器返回至空闲状态。

以一次DMA接收数据传输为例：时间触发调度表模块4在配置好的时刻点产生通信虚链路时间触发信号15，DMA请求模块3接收通信虚链路时间触发信号15；DMA请求模块3向DMA传输控制模块2发起DMA接收传输请求，并接收DMA传输请求响应接口信号14；DMA传输控制模块2依据DMA传输请求响应接口信号14，通过接收DMA描述符表访问接口11在接收DMA描述符表6中索引到对应的DMA描述符，并查看节点控制器对应虚链路接收缓存数据状态信息。如果接收缓存数据状态有效，则启动DMA将对应接收缓存队列中的数据搬运至主机软件接收缓存。若接收缓存数据状态数据无效，则DMA控制器返回至空闲状态。

整个发送数据搬运过程和接收数据搬运过程全部由请求式DMA控制器自动完成，软件接口不需要对请求式DMA控制器执行任何访问控制操作。

实施例

根据本发明的内容设计详细实现方案，请求响应式DMA控制电路结构图如图1所示。本发明设计的请求响应式DMA控制电路包含6个子模块和15个接口。

一种基于请求响应式实时以太网载荷数据传输控制系统，包括配置管理模块1、DMA传输控制模块2、DMA请求模块3、时间触发调度表模块4、发送DMA描述符表5和接收DMA描述符表6。

时间触发调度表模块4用于接收网络节点控制器时钟信号9，产生通信虚链路时间触发信号15；DMA请求模块3用于接收通信虚链路时间触发信号15，产生和/或接收DMA传输请求响应接口信号14。

DMA传输控制模块2用于产生和/或接收DMA传输请求接口信号14，DMA传输控制模块2和发送DMA描述符表5之间通过发送DMA描述符表索引接口12进行连接，DMA传输控制模块2和接收DMA描述符表6之间通过接收DMA描述符表索引接口13进行连接；DMA传输控制模块2上设置有DMA数据读写传输AXI主接口8，用于完成数据搬运。

配置管理模块1和发送DMA描述符表5之间通过发送DMA描述符表访问接口10进行连接，配置管理模块1和接收DMA描述符表6之间通过接收DMA描述符表访问接口11进行连接，配置管理模块1上设置有配置管理AXI从接口7。

配置管理模块1用于实现请求响应式DMA控制电路内部控制状态寄存器和发送DMA描述符表、接收DMA描述符表、DMA传输时间触发调度表。软件初始化程序通过该模块能够实现发送DMA描述符表、接收DMA描述符表和DMA传输时间触发调度表的初始化配置。

DMA传输控制模块2用于完成最终的数据搬运，分为2个通道：发送DMA通道和接收DMA通道。两个DMA通道分别实现6种数据访问操作：发送DMA通道软件发送缓存区状态查询、软件发送缓存区数据读取并传输至对应虚链路发送缓存、软件发送缓存区数据状态清除；接收DMA通道可实现软件接收缓存区状态查询、实时以太网节点接收虚链路缓存数据读取并传输至对应软件接收缓存区、软件发送缓存区数据状态清除。

DMA请求模块3用于发起DMA传输请求。当时间触发调度表模块4的时刻点到达某一虚链路的发送时刻点，则向DMA传输控制模块2发起发送传输请求，DMA控制模块2根据虚链路号从发送DMA描述符表5索引出对应虚链路的发送描述符。然后DMA控制模块2根据描述符读取软件发送缓存区状态，确认当前时间片对应的虚链路软件发送缓存中的数据是否有效，如果数据状态有效，则继续执行DMA操作将数据从软件发送缓存区搬运至实时以太网控制器对应虚链路发送缓存，数据搬运完成后清除本发送虚链路软件发送缓存区状态。如果数据状态无效，则返回空闲状态。当时间触发调度表的时刻点到达某一虚链路的接收时刻点，如果此时对应虚链路的接收缓存状态为有效，则向DMA传输控制模块发起接收传输请求，DMA控制模块将对应接收虚链路的接收载荷数据搬运至对应虚链路的软件接收缓存区，并设置本接收虚链路软件接收缓存区状态。如果接收缓存状态无效，则返回空闲状态。

时间触发调度表模块4用于存储实时以太网通信虚链路的DMA传输时刻点，内部能够存储N条发送虚链路的时间调度表信息，M条接收虚链路的时间调度表信息。调度表控制模块根据实时以太网节点网络同步模块送来的网络同步时钟和时间调度表产生DMA传输触发信号。在发送方向，DMA传输触发时刻点相比网络通信调度表的时间有一定的时间偏移，时间向前偏移T，时间T的大小与当前虚链路的载荷数据长度大小消耗的DMA传输时间对应。网络发送时刻点为Ttx，DMA传输触发时刻点为Ttxdma，则Ttxdma＝Ttx-T。在接收方向，DMA传输触发时刻点相比网络通信调度表的时间有一定的时间偏移，时间向后偏移T，时间T的大小与当前虚链路的载荷数据长度大小从网络中接收到对应接收虚链路缓存的时间对应，网络接收时刻点为Trx，DMA传输触发时刻点为Trxdma，则Trxdma＝Trx+T。

发送DMA描述表5描述了软件发送缓存到实时以太网控制器发送虚链路缓存的地址对应关系和发送虚链路载荷数据的长度信息。发送DMA描述符表中存储了N条发送虚链路描述符信息，其中一条描述符表包括：当前虚链路的软件发送缓存起始地址、当前虚链路在实时以太网控制器内部发送缓存队列入口地址、当前虚链路载荷数据长度。其中，软件发送缓存的前四个字节表示当前缓存数据状态，缓存状态分为有效、无效两种状态。

接收DMA描述表6描述了软件接收缓存到实时以太网控制器接收虚链路缓存的地址对应关系和接收虚链路载荷数据的长度信息。接收DMA描述符表中存储了M条接收虚链路描述符信息，其中一条描述符表包括：当前虚链路的软件接收缓存起始地址、当前虚链路在实时以太网控制器内部接收缓存队列读取地址、当前虚链路载荷数据长度。其中，软件接收缓存的前四个字节表示当前缓存状态，缓存状态分为有效、无效两种状态。

根据上述的功能结构，用Verilog HDL语言对控制器的逻辑设计进行描述，并应用到时间触发以太网节点控制器设备研制中，构建网络系统对节点设备DMA控制器的功能进行测试。测试结果表明本发明具有很好的可实施性，且功能性能满足预期。

Claims (5)

1.一种基于请求响应式实时以太网载荷数据传输控制系统，其特征在于，包括配置管理模块（1）、DMA传输控制模块（2）、DMA请求模块（3）、时间触发调度表模块（4）、发送DMA描述符表（5）和接收DMA描述符表（6）；

所述时间触发调度表模块（4）用于接收网络节点控制器时钟信号（9），产生通信虚链路时间触发信号（15）；

所述DMA请求模块（3）用于接收通信虚链路时间触发信号（15），产生和/或接收DMA传输请求响应接口信号（14）；

所述DMA传输控制模块（2）用于产生和/或接收DMA传输请求响应接口信号（14），DMA传输控制模块（2）和发送DMA描述符表（5）之间通过发送DMA描述符表索引接口（12）进行连接，DMA传输控制模块（2）和接收DMA描述符表（6）之间通过接收DMA描述符表索引接口（13）进行连接；DMA传输控制模块（2）上设置有DMA数据读写传输AXI主接口（8），用于完成数据搬运；

所述配置管理模块（1）和发送DMA描述符表（5）之间通过发送DMA描述符表访问接口（10）进行连接，配置管理模块（1）和接收DMA描述符表（6）之间通过接收DMA描述符表访问接口（11）进行连接，所述配置管理模块（1）上设置有配置管理AXI从接口（7）；

所述发送DMA描述符表（5）内部存储有若干条发送虚链路描述符信息，发送虚链路描述符信息包括当前虚链路的软件发送缓存起始地址、当前虚链路在实时以太网控制内部发送缓存队列入口地址和当前虚链路载荷数据长度；

所述接收DMA描述符表（6）内部存储有若干条接收虚链路描述符信息，接收虚链路描述符信息包括当前虚链路的软件接收缓存起始地址、当前虚链路在实时以太网控制内部接收缓存队列读取地址和当前虚链路载荷数据长度；

所述DMA传输控制模块（2）包括发送DMA通道和接收DMA通道，发送DMA通道用于实现软件发送缓存区状态查询、软件发送缓存区数据读取并传输至对应虚链路发送缓存和软件发送缓存区状态清除；接收DMA通道用于实现软件接收缓存区状态查询、实时以太网节点接收虚链路缓存数据读取并传输至对应软件接收缓存区和软件接收缓存区状态设置。

2.根据权利要求1所述的一种基于请求响应式实时以太网载荷数据传输控制系统，其特征在于，时间触发调度表模块（4）用于存储N条发送虚链路的时间调度表信息和M条接收虚链路的时间调度表信息。

3.一种基于请求响应式实时以太网载荷数据传输控制方法，其特征在于，包括以下过程，

配置管理模块（1）配置时间触发调度表模块（4）、发送DMA描述符表（5）和接收DMA描述符表模块（6）；时间触发调度表模块（4）在配置好的时刻点产生通信虚链路时间触发信号（15），DMA请求模块（3）接收通信虚链路时间触发信号（15）；DMA请求模块（3）向DMA传输控制模块（2）发起DMA传输请求，并接收DMA传输请求响应接口信号（14）；

DMA传输控制模块（2）依据DMA传输请求响应接口信号（14），在发送DMA描述符表（5）或接收DMA描述符表（6）中索引到对应的DMA描述符，依据DMA描述符配合实时以太网节点控制器完成数据高速实时交互；

在DMA发送数据传输过程中，包括以下过程，

时间触发调度表模块（4）在配置好的时刻点产生通信虚链路时间触发信号（15），DMA请求模块（3）接收通信虚链路时间触发信号（15）；DMA请求模块（3）向DMA传输控制模块（2）发起DMA发送传输请求，并接收DMA传输请求响应接口信号（14）；DMA传输控制模块（2）依据DMA传输请求响应接口信号（14），通过发送DMA描述符表索引接口（12）在发送DMA描述符表（5）中索引到对应的DMA描述符，根据DMA描述符从主机内存中读取数据状态信息及数据，若数据状态信息显示当前载荷数据状态有效，则将数据填写至实时以太网控制器发送缓存，实时以太网控制器将数据发送到网络中；若数据状态信息显示当前载荷数据无效，则DMA控制器返回至空闲状态；

在DMA接收数据传输过程中，包括以下过程，

时间触发调度表模块（4）在配置好的时刻点产生通信虚链路时间触发信号（15），DMA请求模块（3）接收通信虚链路时间触发信号（15）；DMA请求模块（3）向DMA传输控制模块（2）发起DMA接收传输请求，并接收DMA传输请求响应接口信号（14）；DMA传输控制模块（2）依据DMA传输请求响应接口信号（14），通过接收DMA描述符表访问接口（11）在接收DMA描述符表（6）中索引到对应的DMA描述符，并查看节点控制器对应虚链路接收缓存数据状态信息；如果接收缓存数据状态有效，则启动DMA将对应接收缓存队列中的数据搬运至主机软件接收缓存；若接收缓存数据状态数据无效，则DMA控制器返回至空闲状态。

4.根据权利要求3所述的一种基于请求响应式实时以太网载荷数据传输控制方法，其特征在于，发送DMA描述符表（5）内部存储有若干条发送虚链路描述符信息，发送虚链路描述符信息包括当前虚链路的软件发送缓存起始地址、当前虚链路在实时以太网控制内部发送缓存队列入口地址和当前虚链路载荷数据长度。

5.根据权利要求3所述的一种基于请求响应式实时以太网载荷数据传输控制方法，其特征在于，接收DMA描述符表（6）内部存储有若干条接收虚链路描述符信息，接收虚链路描述符信息包括当前虚链路的软件接收缓存起始地址、当前虚链路在实时以太网控制内部接收缓存队列读取地址和当前虚链路载荷数据长度。