CN115037706A - 一种lrm型时间触发以太网交换模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种LRM型时间触发以太网交换模块，属于云计算领域。本发明由FPGA交换逻辑模块、嵌入式网络配置模块、嵌入式状态监控模块、板卡管理模块、器件状态监测模块、LRM接口模块、调试模块组成；FPGA交换逻辑模块构建了时间触发以太网与以太网交换逻辑，完成数据交换任务，嵌入式网络配置模块对FPGA交换逻辑模块下发配置信息，嵌入式网络状态监控模块对系统状态进行监控并上报，板卡管理模块完成模块健康管理功能，器件状态监测模块采集模块状态信息并将信息传送至板卡管理模块，LRM接口模提供供电、9路时间触发以太网接口、调试接口等对外接口。本发明可用于为异构化边端协同计算系统提供高带宽的确定性网络交换功能。

Description

一种LRM型时间触发以太网交换模块
技术领域
本发明属于云计算领域，具体涉及一种LRM型时间触发以太网交换模块。
背景技术
随着云边端协同计算体系的不断发展，边缘计算机将部分云计算的任务移动至端计算设备附近，就近为端设备提供了强大的算力，有效提高了云边端协同体系的执行效率。边缘计算机通常直接面临多种不同计算任务，同时又受到体积、功耗等诸多方面的限制，同时具备CPU、NPU、GPU、DSP模块边缘计算机架构有效的解决了边缘计算在以上几方面的问题：丰富的专用计算模块提供了强大的计算能力，同时，专用模块又良好的解决了体积与功耗方面的问题。然而，边缘计算平台专用功能模块增多使得不同业务之间的调度面临巨大挑战：一方面，大量的计算数据需要在计算单元与终端之间进行持续交互；另一方面，在有限通信带宽下，不同优先级的传输任务需要同步协调调度以提高整个系统计算效率。因此，模块化的边缘计算单元亟需一种具有大带宽、具备任务分级、时间同步特征的数据交换单元解决在边端计算任务中的数据交互问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种LRM型时间触发以太网交换模块，以解决边端计算任务中的数据交互问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种LRM型时间触发以太网交换模块，该交换模块，包括FPGA交换逻辑模块、嵌入式网络配置模块、嵌入式状态监控模块、板卡管理模块、器件状态监测模块、调试模块和LRM接口模块；
FPGA交换逻辑模块通过LRM接口模块对外实现8路数据通信口，FPGA交换逻辑模块通过嵌入式网络配置模块读取交换配置文件，FPGA交换逻辑模块通过调试模块连接LRM接口模块实现调试功能；所述FPGA交换逻辑模块支持以太网与时间触发以太网两种通信模式，其工作模式通过与嵌入式网络配置模块交互配置信息定义；
嵌入式网络配置模块采用两种不同接口形式通过LRM接口模块对外提供两种不同的网络配置口和配置模式；
板卡管理模块通过器件状态监测模块获取交换模块的温度与电压信息，板卡管理模块通过LRM接口模块实现对外直连，板卡管理模块通过嵌入式状态监控模块实现交换模块健康状态信息交互；
嵌入式状态监控模块采用两种不同接口形式通过LRM接口模块对外提供两种不同的交换模块状态信息交互通道和方式。
进一步地，所述FPGA交换逻辑模块在每次上电启动时，通过向嵌入式网络配置模块发送指令获取网络配置信息。
进一步地，所述嵌入式状态监控模块为板卡管理模块提供了网络接口功能以传输交换设备状态信息，通信功能采用Linux软件实现，所述板卡管理模块的以太网状态信息交互通道通过嵌入式状态监控模块构建。
进一步地，所述LRM接口模块的物理接口形式为LRM型，LRM接口模块信号定义如下：8路通信网络接口位于A列至I列中的20至2行，数据通信网络端口共使用99位端子；备份通信接口位于第22-23行；每一路网络接口采用PWM信号指示网络通信状态，网络通信状态信号位于第28至29行；配置网络接口位于第26至27行；网络状态监控信号位于第24至25行；外部风扇控制信号位于第29至30行为，低速总线位于第32行。
进一步地，该交换模块在电源供电正常时自行启动，启动顺序为：板卡管理模块，器件状态监测模块，嵌入式状态监控模块，嵌入式网络配置模块，FPGA交换逻辑模块。
进一步地，板卡管理模块在通电之后首先启动引导程序进入操作系统，进而启动健康状态监控程序，健康状态监控程序通过获取到器件状态监测模块测量的电压、温度信息，同时通过LRM接口模块风扇控制通道获取外部风扇信息，之后将信息分别发送至所述LRM接口模块的低速总线与嵌入式状态监控模块，至此，时间触发以太网交换模块状态监控功能启动完成；
嵌入式状态监控模块启动略晚于板卡管理模块，启动顺序为：引导程序、操作系统程序、状态监控业务程序，状态监控业务程序在收到板卡管理模块发送的信息之后，通过状态监控口以以太网数据帧的形式与外部终端交互交换模块状态信息，至此，网络化状态管理功能启动完成。
进一步地，嵌入式网络配置模块的启动顺序为：引导程序，操作系统程序，网络配置程序，网络配置程序启动后首先检查上次网络配置信息，如存在网络配置文件，则将文件放至缓冲区内，等待FPGA交换逻辑模块读取配置数据；如果不存在配置文件，则使用默认配置；网络配置程序在运行中通过网络配置口与外部进行配置信息交互，在接收到新的配置模式之后，会将配置文件放置于缓冲区，并通知FPGA交换逻辑模块在空闲时更新网络配置信息；
在其他模块启动完成之后，最后启动的为FPGA交换逻辑模块，当模块上电复位流程完成之后，通过嵌入式网络配置模块的缓冲区读取配置信息，根据配置信息对8路数据通信口进行工作模式配置，随后进入交换工作状态，工作过程中，在收到网络配置更新信息之后，FPGA交换逻辑模块会读取新的配置信息，并在空闲的时候更新网络配置。
进一步地，FPGA交换逻辑模块支持时间触发以太网交换功能，传输模式包括：时间触发模式TT，速率受限模式RC与尽力而为模式BE，三种流量调度优先级依次降低，在传输过程中硬实时信息通过TT模式进行传输，软实时信息通过RC模式进行传输，无实时性要求的信息通过BE模式进行传输。
进一步地，交换模块的状态监控包括：首先是板卡管理模块监控的各个部件的健康状态信息，包括核心供电、外围设备供电、器件温度、风扇状态控制信息，确保交换模块中各个功能模块工作于正常状态，同时报告异常的健康状态信息；第二是网络状态监控，FPGA交换逻辑模块在在8路数据通信口与1路备份通信口中选择一个口作为网络状态监控口，在交换过程中实时统计各个通道的带宽占用情况、流量优先级、时间同步情况；每一路数据通信口有一个对应状态监控信号输出PWM信号，通过PWM信号宽度指示当前通道的通信状态。
进一步地，该交换模块业务结束包括两种方式，第一种为硬关闭，即直接切断交换模块电源，所有功能模块停止工作；第二种为软件关闭，通过数据通信口或者网络配置口向FPGA交换逻辑模块发送业务结束命令，停止交换业务。
(三)有益效果
本发明提出一种LRM型时间触发以太网交换模块，本发明针对异构边缘计算平台数据交换的需求，提供一种LRM型的时间触发以太网(TTE)交换模块，完成边端融合计算系统中数据可靠传输任务，实现多种数据流按照不同优先级同步传输，其中时间敏感数据的传输不受普通数据传输的影响，提高异构边缘计算平台的计算效率。
本发明的优点在于：
首先，FPGA交换管理逻辑模块具有配置灵活，通信模式多样的特点，通过对时间触发以太网的支持使得网络具备实时传输能力，适用于实时/非实时业务混合传输的应用场合；
第二、嵌入式状态监控模块为板卡管理提供了以太网接口，实现网络化远程健康管理；
第三、每个数据通信口具有状态监控信号，在物理层对交换状态进行监控。
附图说明
图1为本发明的LRM型时间触发以太网交换模块结构图；
图2为本发明的LRM接口模块信号定义图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明解决的技术问题是：针对异构边缘计算平台数据交换的需求，提供一种LRM型的时间触发以太网(TTE)交换模块，完成边端融合计算系统中数据可靠传输任务，实现多种数据流按照不同优先级同步传输，其中时间敏感数据的传输不受普通数据传输的影响，提高异构边缘计算平台的计算效率。
本发明涉及一种LRM型时间触发以太网交换模块，由FPGA交换逻辑模块、嵌入式网络配置模块、嵌入式状态监控模块、板卡管理模块、器件状态监测模块、LRM接口模块、调试模块组成；FPGA交换逻辑模块构建了时间触发以太网与以太网交换逻辑，完成数据交换任务，嵌入式网络配置模块通过利用基于嵌入式硬件的Linux通过PCIe对FPGA交换逻辑模块下发配置信息，嵌入式网络状态监控模块利用基于嵌入式微处理器的Linux系统程序对系统状态进行监控并通过以太网接口上报，板卡管理模块基于嵌入式微处理器完成模块健康管理功能，器件状态监测模块利用温度监测与电压监测模块采集模块状态信息并将信息传送至板卡管理模块，LRM接口模为整个时间触发以太网交换模块的提供了供电、9路时间触发以太网接口、调试接口等对外接口。本发明所涉及的LRM型时间触发以太网交换模块具有时间触发以太网端口数量多、网络监控状态丰富、模式配置多样，系统可控性好等优点，可用于为异构化边端协同计算系统提供高带宽的确定性网络交换功能。
本发明的技术解决方案为：一种LRM型时间触发以太网交换模块，包括FPGA交换逻辑模块、嵌入式网络配置模块、嵌入式状态监控模块、板卡管理模块、器件状态监测模块、调试模块和LRM接口模块；
FPGA交换逻辑模块通过LRM接口模块对外实现8路数据通信口，FPGA交换逻辑模块通过嵌入式网络配置模块读取交换配置文件，FPGA交换逻辑模块通过调试模块连接LRM接口模块实现调试功能；
嵌入式网络配置模块采用两种不同接口形式通过LRM接口模块对外提供两种不同的网络配置口和配置模式；
板卡管理模块通过器件状态监测模块获取交换模块的温度与电压信息，板卡管理模块通过LRM接口模块实现对外直连，板卡管理模块通过嵌入式状态监控模块实现交换模块健康状态信息交互；
嵌入式状态监控模块采用两种不同接口形式通过LRM接口模块对外提供两种不同的交换模块状态信息交互通道和方式。
所述FPGA交换逻辑模块对外提供8路通信端口，同时支持以太网与时间触发以太网两种通信模式，其工作模式通过与嵌入式网络配置模块交互配置信息定义。
所述FPGA交换逻辑模块在每次上电启动时，通过向嵌入式网络配置模块发送指令获取网络配置信息。
所述嵌入式状态监控模块为板卡管理模块提供了网络接口功能以传输交换设备状态信息，通信功能采用Linux软件实现。
所述板卡管理模块的以太网状态信息交互通道通过嵌入式状态监控模块构建。
所述LRM接口模块的物理接口形式为LRM型，LRM接口模块信号定义如下：8路通信网络接口位于A列至I列中的20至2行，数据通信网络端口共使用99位端子；备份通信接口位于第22-23行；每一路网络接口采用PWM信号指示网络通信状态，网络通信状态信号位于第28至29行；配置网络接口位于第26至27行；网络状态监控信号位于第24至25行；外部风扇控制信号位于第29至30行为，低速总线位于第32行。LRM接口模块信号定义如图2所示。
所述各模块启动顺序为：板卡管理模块，器件状态监测模块，嵌入式状态监控模块，嵌入式网络配置模块，FPGA交换逻辑模块。
实施例1：
一种LRM型的时间触发以太网交换模块，包括FPGA交换逻辑模块(1)、嵌入式网络配置模块(2)、嵌入式状态监控模块(3)、板卡管理模块(4)、器件状态监测模块(5)、调试模块(6)、LRM接口模块(7)；
FPGA交换逻辑模块(1)通过LRM接口模块(7)对外实现8路交换，FPGA交换逻辑模块(1)通过嵌入式网络配置模块(2)读取交换配置文件，FPGA交换逻辑模块(1)通过调试模块(6)连接LRM接口模块(7)实现调试功能；
嵌入式网络配置模块(2)采用两种不同接口形式通过LRM接口模块(7)对外提供两种不同的配置模式；
板卡管理模块(4)通过器件状态监测模块(5)获取交换模块的温度与电压信息，板卡管理模块(4)通过LRM接口模块(7)实现对外直连，板卡管理模块(4)通过嵌入式状态监控模块(5)实现交换模块健康状态信息交互；
嵌入式状态监控模块(3)采用两种不同接口形式通过LRM接口模块(7)对外提供两种不同的交换模块状态信息交互方式。
进一步地，所述FPGA交换逻辑模块(1)对外提供8路通信端口，同时支持以太网与时间触发以太网两种通信模式，其工作模式通过与嵌入式网络配置模块(2)交互配置数据定义。
进一步地，所述FPGA交换逻辑模块(1)在每次上电启动时，通过向嵌入式网络配置模块发送指令获取网络配置信息。
进一步地，所述嵌入式状态监控模块(3)为板卡管理模块(4)提供了网络接口功能以传输交换设备状态信息，通信功能采用Linux软件实现。
进一步地，所述板卡管理模块(4)对外功能接口包括8路风扇控制信号监测、槽位检测、以及低速通信总线，板卡管理模块(4)的以太网状态信息交互通道通过嵌入式状态监控模块(3)构建。
进一步地，所述LRM接口模块(7)的物理接口形式为LRM型，8路通信网络接口位于A列至I列中的20至2行，数据通信网络端口共使用99位端子；每一路网络接口采用PWM信号指示网络通信状态，网络通信状态信号位于连接器第28至29行；配置网络接口位于连接器第26至27行；状态监控信号位于连接器第24至25行；连接器第29至30行为外部风扇控制信号。
进一步地，所述各模块启动顺序为：板卡管理模块(4)，器件状态监测模块(5)，嵌入式状态监控模块(3)，嵌入式网络配置模块(2)，FPGA交换逻辑模块(1)。
实施例2：
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明包括：FPGA交换逻辑模块1、嵌入式网络配置模块2、嵌入式状态监控模块3、板卡管理模块4、器件状态监测模块5、调试模块6、LRM接口模块7。
(一)时间触发以太网交换模块启动
LRM型时间触发以太网交换模块在电源供电正常时自行启动，启动顺序为：板卡管理模块，器件状态监测模块，嵌入式状态监控模块，嵌入式网络配置模块，FPGA交换逻辑模块。
板卡管理模块在通电之后首先启动引导程序进入操作系统，进而启动健康状态监控程序，健康状态监控程序通过获取到器件状态监测模块测量的电压、温度等信息，同时通过LRM接口模块风扇控制通道获取外部风扇信息，之后将信息分别发送至所述LRM接口模块的低速总线与嵌入式状态监控模块，至此，时间触发以太网交换模块状态监控功能启动完成。
嵌入式状态监控模块启动略晚于板卡管理模块，启动顺序为：引导程序，操作系统程序，状态监控业务程序。状态监控业务程序在收到板卡管理模块发送的信息之后，通过状态监控口以以太网数据帧的形式与外部终端交互交换模块状态信息，至此，网络化状态管理功能启动完成。
嵌入式网络配置模块的启动顺序为：引导程序，操作系统程序，网络配置程序。网络配置程序启动后首先检查上次网络配置信息，如存在网络配置文件，则将文件放至缓冲区内，等待FPGA交换逻辑模块读取配置数据；如果不存在配置文件，则使用默认配置；进一步，网络配置程序在运行中通过网络配置口与外部进行配置信息交互，在接收到新的配置模式之后，会将配置文件放置于缓冲区，并通知FPGA交换逻辑模块在空闲时更新网络配置信息。
在其他模块启动完成之后，最后启动的为FPGA交换逻辑模块，当模块上电复位流程完成之后，通过嵌入式网络配置模块的缓冲区读取配置信息，根据配置信息对8路数据通信口进行工作模式配置，随后进入交换工作状态，工作过程中，在收到网络配置更新信息之后，FPGA交换逻辑模块会读取新的配置信息，并在空闲的时候更新网络配置。
(二)交换业务
本发明所述FPGA交换逻辑模块支持时间触发以太网交换功能，传输模式包括：时间触发模式TT，速率受限模式RC与尽力而为模式BE，三种流量调度优先级依次降低，在传输过程中硬实时信息通过TT模式进行传输，软实时信息通过RC模式进行传输，无实时性要求的信息通过BE模式进行传输。
(三)状态监控
交换模块的状态监控包括两方面内容，首先是板卡管理模块监控的各个部件的健康状态信息，包括核心供电、外围设备供电、器件温度、风扇状态控制等信息，主要为了确保交换模块中各个功能模块工作于正常状态，同时报告异常的健康状态信息；第二是网络状态监控，FPGA交换逻辑模块在可在8路数据通信口与1路备份通信口中选择一个口作为网络状态监控口，在交换过程中实时统计各个通道的带宽占用情况、流量优先级、时间同步情况等网络状态信息；此外，每一路数据通信口有一个对应状态监控信号输出PWM信号，通过PWM信号宽度指示当前通道的通信状态。
(四)业务结束
本发明所述业务结束包括两种方式，第一种为硬关闭，即直接切断交换模块电源，所有功能模块停止工作；第二种为软件关闭，通过数据通信口或者网络配置口向FPGA交换逻辑模块发送业务结束命令，停止交换业务。
本发明的优点在于：
首先，FPGA交换管理逻辑模块具有配置灵活，通信模式多样的特点，通过对时间触发以太网的支持使得网络具备实时传输能力，适用于实时/非实时业务混合传输的应用场合；
第二、嵌入式状态监控模块为板卡管理提供了以太网接口，实现网络化远程健康管理；
第三、每个数据通信口具有状态监控信号，在物理层对交换状态进行监控。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种LRM型时间触发以太网交换模块，其特征在于，该交换模块，包括FPGA交换逻辑模块、嵌入式网络配置模块、嵌入式状态监控模块、板卡管理模块、器件状态监测模块、调试模块和LRM接口模块；
FPGA交换逻辑模块通过LRM接口模块对外实现8路数据通信口，FPGA交换逻辑模块通过嵌入式网络配置模块读取交换配置文件，FPGA交换逻辑模块通过调试模块连接LRM接口模块实现调试功能；所述FPGA交换逻辑模块支持以太网与时间触发以太网两种通信模式，其工作模式通过与嵌入式网络配置模块交互配置信息定义；
嵌入式网络配置模块采用两种不同接口形式通过LRM接口模块对外提供两种不同的网络配置口和配置模式；
板卡管理模块通过器件状态监测模块获取交换模块的温度与电压信息，板卡管理模块通过LRM接口模块实现对外直连，板卡管理模块通过嵌入式状态监控模块实现交换模块健康状态信息交互；
嵌入式状态监控模块采用两种不同接口形式通过LRM接口模块对外提供两种不同的交换模块状态信息交互通道和方式。
2.如权利要求1所述的LRM型时间触发以太网交换模块，其特征在于，所述FPGA交换逻辑模块在每次上电启动时，通过向嵌入式网络配置模块发送指令获取网络配置信息。
3.如权利要求1所述的LRM型时间触发以太网交换模块，其特征在于，所述嵌入式状态监控模块为板卡管理模块提供了网络接口功能以传输交换设备状态信息，通信功能采用Linux软件实现，所述板卡管理模块的以太网状态信息交互通道通过嵌入式状态监控模块构建。
4.如权利要求1所述的LRM型时间触发以太网交换模块，其特征在于，所述LRM接口模块的物理接口形式为LRM型，LRM接口模块信号定义如下：8路通信网络接口位于A列至I列中的20至2行，数据通信网络端口共使用99位端子；备份通信接口位于第22-23行；每一路网络接口采用PWM信号指示网络通信状态，网络通信状态信号位于第28至29行；配置网络接口位于第26至27行；网络状态监控信号位于第24至25行；外部风扇控制信号位于第29至30行为，低速总线位于第32行。
5.如权利要求1-4任一项所述的LRM型时间触发以太网交换模块，其特征在于，该交换模块在电源供电正常时自行启动，启动顺序为：板卡管理模块，器件状态监测模块，嵌入式状态监控模块，嵌入式网络配置模块，FPGA交换逻辑模块。
6.如权利要求5所述的LRM型时间触发以太网交换模块，其特征在于，
板卡管理模块在通电之后首先启动引导程序进入操作系统，进而启动健康状态监控程序，健康状态监控程序通过获取到器件状态监测模块测量的电压、温度信息，同时通过LRM接口模块风扇控制通道获取外部风扇信息，之后将信息分别发送至所述LRM接口模块的低速总线与嵌入式状态监控模块，至此，时间触发以太网交换模块状态监控功能启动完成；
嵌入式状态监控模块启动略晚于板卡管理模块，启动顺序为：引导程序、操作系统程序、状态监控业务程序，状态监控业务程序在收到板卡管理模块发送的信息之后，通过状态监控口以以太网数据帧的形式与外部终端交互交换模块状态信息，至此，网络化状态管理功能启动完成。
7.如权利要求6所述的LRM型时间触发以太网交换模块，其特征在于，
嵌入式网络配置模块的启动顺序为：引导程序，操作系统程序，网络配置程序，网络配置程序启动后首先检查上次网络配置信息，如存在网络配置文件，则将文件放至缓冲区内，等待FPGA交换逻辑模块读取配置数据；如果不存在配置文件，则使用默认配置；网络配置程序在运行中通过网络配置口与外部进行配置信息交互，在接收到新的配置模式之后，会将配置文件放置于缓冲区，并通知FPGA交换逻辑模块在空闲时更新网络配置信息；
在其他模块启动完成之后，最后启动的为FPGA交换逻辑模块，当模块上电复位流程完成之后，通过嵌入式网络配置模块的缓冲区读取配置信息，根据配置信息对8路数据通信口进行工作模式配置，随后进入交换工作状态，工作过程中，在收到网络配置更新信息之后，FPGA交换逻辑模块会读取新的配置信息，并在空闲的时候更新网络配置。
8.如权利要求7所述的LRM型时间触发以太网交换模块，其特征在于，FPGA交换逻辑模块支持时间触发以太网交换功能，传输模式包括：时间触发模式TT，速率受限模式RC与尽力而为模式BE，三种流量调度优先级依次降低，在传输过程中硬实时信息通过TT模式进行传输，软实时信息通过RC模式进行传输，无实时性要求的信息通过BE模式进行传输。
9.如权利要求8所述的LRM型时间触发以太网交换模块，其特征在于，交换模块的状态监控包括：首先是板卡管理模块监控的各个部件的健康状态信息，包括核心供电、外围设备供电、器件温度、风扇状态控制信息，确保交换模块中各个功能模块工作于正常状态，同时报告异常的健康状态信息；第二是网络状态监控，FPGA交换逻辑模块在在8路数据通信口与1路备份通信口中选择一个口作为网络状态监控口，在交换过程中实时统计各个通道的带宽占用情况、流量优先级、时间同步情况；每一路数据通信口有一个对应状态监控信号输出PWM信号，通过PWM信号宽度指示当前通道的通信状态。
10.如权利要求9所述的LRM型时间触发以太网交换模块，其特征在于，该交换模块业务结束包括两种方式，第一种为硬关闭，即直接切断交换模块电源，所有功能模块停止工作；第二种为软件关闭，通过数据通信口或者网络配置口向FPGA交换逻辑模块发送业务结束命令，停止交换业务。
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