CN115134187A - 一种灵活扩展接口的分布式通信芯片及通信系统 - Google Patents

Abstract

一种灵活扩展接口的分布式通信芯片及通信系统，涉及通信技术领域，包括对外输入输出端口、通信模块、内部存储空间以及以太网模块，还包括寄存器和独立SPI模块；对外输入输出端口与通信模块和寄存器连接；通信模块与寄存器和内部存储空间连接；内部存储空间与寄存器和以太网模块连接；以太网模块与寄存器和内部存储空间连接；独立SPI模块与寄存器和内部存储空间连接；本发明可以连接控制器，也可以连接远程传感器或受控设备，在控制器外部进行数据的包装与输出，并完成远程设备的控制与数据传输，不需要占用控制器的性能，提高数据传输的安全性与可靠性。

Description

一种灵活扩展接口的分布式通信芯片及通信系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，详细讲是一种可以连接控制器，也可以连接远程传感器或受控设备，在控制器外部进行数据的包装与输出，并完成远程设备的控制与数据传输，不需要占用控制器的性能，提高数据传输的安全性与可靠性的灵活扩展接口的分布式通信芯片及通信系统。

背景技术

我们知道，当前军用装备内部电子设备数量持续增长，整合系统内繁多的数据信号和控制信号，以使设备内部的功能与资源良好地综合是目前的重要需求，分布式控制的方法为军用装备内部离散的设备及其控制器提供了更大的灵活性，更便于保证安全性和可靠性，同时对制造成本也有相当程度的降低。目前在军用装备中，常用的总线有CAN总线，1553B总线和MIC总线。CAN总线通信方式在可以实现节点间的自由通信，并且在理论上其通信网络中的节点个数不受限制；1553B总线主要用于飞机上设备的通信，其实时性和可靠性高，具备双向传输功能；上述的两种总线传输方式都需要接收端接受到主线信号之后，通过微处理器处理报文内容再执行相应的功能，这种处理方法使军用装备内部的结构复杂，系统集成和功能整合的难度较大。这两种通信方式需要微处理器协助执行，对系统开发过程和系统功能的整合有较高的要求，目前军用设备的电子器件数目持续增长，导致系统开发难度越发增大。

MIC总线是专门为解决恶劣的军事环境中的数据分配和管理问题而提出的，可以保证系统获得高度完整和可靠的数据，非常适用于需要可靠负载和数据管理的系统。MIC-320是这种总线的接口控制器，为这种结构系统提供了总线控制器和各种远程模块之间的串行接口。MIC的远程模块不需要微处理器控制通讯或执行输入与输出功能，这使得这种通讯协议的使用非常简单，不需要系统软件执行各种通信管理的任务，但是这种总线方式只能通过其内部的5位地址总线和32位数据总线实现与微处理器或外部设备的交互，只能支持并行的数模转换器或模数转换器，只能实现简单的功能控制，总线最大传输速率为2M/s，既难以适应现在复杂化、自动化的系统开发需求，也无法兼容主流的通讯方式，因此，这种总线的应用难以推广。MIC总线虽然是一种无须微处理器控制的通信方式，但是MIC总线其所能挂载的外部设备数量有限，且只支持其私有的并行通讯方式，无法与现有的SPI、IIC等通信方式适配，因此难以推广应用。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种可以连接控制器，也可以连接远程传感器或受控设备，在控制器外部进行数据的包装与输出，并完成远程设备的控制与数据传输，不需要占用控制器的性能，提高数据传输的安全性与可靠性的灵活扩展接口的分布式通信芯片及通信系统。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种灵活扩展接口的分布式通信芯片，包括对外输入输出端口、通信模块、内部存储空间以及以太网模块，其特征在于还包括寄存器和独立SPI模块；

通信模块包括SPI通信模块、PCIe通信模块和IIC通信模块；

内部存储空间包括SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域和以太网存储区域，SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域与以太网存储区域建立映射关系；

以太网模块包括TCP/IP协议栈、以太网MAC和MII型接口；

对外输入输出端口与通信模块和寄存器连接；对外输入输出端口用于通信模块与外部设备的连接，寄存器用于配置对外输入输出端口中具体引脚的功能；

通信模块与寄存器和内部存储空间连接；通信模块为内部存储空间与外部设备间的数据传输提供通信方式，寄存器用于选择通信模块的工作模式；

内部存储空间与寄存器和以太网模块连接；内部存储空间用于缓冲和存储数据及传输数据，寄存器用于分配SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域和以太网存储区域的大小和地址；

以太网模块与寄存器和内部存储空间连接；以太网模块用于将至少两个灵活扩展接口的分布式通信芯片通过以太网连接，寄存器用于对物理层和媒体访问控制层协议的行为、状态进行管理和控制。

独立SPI模块与寄存器和内部存储空间连接；独立SPI模块通过寄存器对对外输入输出端口、通信模块、内部存储空间进行配置，独立SPI模块为SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域与以太网存储区域配置映射关系。

本发明包括电源模块，电源模块用于为其他模块供电。

本发明包括PLL，PLL为灵活扩展接口的分布式通信芯片提供时钟信号。

本发明所述的以太网模块包括两个MII型接口，MII型接口与以太网MAC连接，两个MII型接口用于使用以太网与其它灵活扩展接口的分布式通信芯片连接。

本发明包括与通信模块和以太网模块连接的编码/译码器，译码器对通信系统内传输的指令进行解译，翻译出指令的含义；编码器用于将传输的信息进行特定的信号形式以进行信息的传输。

一种灵活扩展接口的分布式通信系统，包括至少两个灵活扩展接口的分布式通信芯片，灵活扩展接口的分布式通信芯片通过MII型接口串接；每一个灵活扩展接口的分布式通信芯片与一个外部设备连接；灵活扩展接口的分布式通信系统中包括至少一个控制设备、一个执行设备。

本发明中，当灵活扩展接口的分布式通信芯片与控制设备连接时，根据二者（的通信方式，使用独立SPI模块配置对外输入输出端口的功能、通信模块的工作模式、对应子通信模块所需的配置参数、子通信模块对应的内存区域及对应内存区域与以太网存储区域之间的映射关系。

以上配置除了对端口和通信模块的工作模式需要提前使用独立SPI配置，也可以在使用中通过通信模块进行配置。

本发明中使用独立SPI模块配置对外输入输出端口、通信模块的通信模式、该通信模式所需要的配置参数、该通信方式对应的内存区域及对应内存区域与以太网存储区域之间的映射关系的具体方法为：

对通信模块的配置：

根据灵活扩展接口的分布式通信芯片所连接的外部设备所需的通信方式，使用独立SPI模块选择子通信模块；使用独立SPI模型对子通信模块进行寄存器的配置；

对外输入输出模块配置：

根据选用的子通信模块的通信方式，使用独立SPI模块将对外输入输出端口的引脚配置为该通信方式需要的功能；

内部存储空间的配置：

使用独立SPI 模块根据选用的子通信模块的通信方式选择对应不同的存储地址；

内部存储空间包括SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域与以太网存储区域，SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域与以太网存储区域与以太网存储区域建立映射关系；

以太网模块的配置：

所述芯片内部已经实现了TCP/IP等协议，用户通过独立的SPI模块对以太网模块的MAC和MII接口的寄存器进行控制与管理。

本发明中当需要更换通信芯片连接的执行设备时，通过CPU等控制设备及与其连接的通信芯片远程对与更换执行设备的通信芯片修改内部寄存器，以重新选择通信模块的工作模式、对外输入输出端口的功能、子通信模块的存储区域、不同存储区域之间的映射关系、以太网MII接口和媒体访问控制层协议的控制等。无需再使用独立SPI进行配置，操控简单方便。

本发明的灵活扩展接口的分布式通信系统工作过程中，所述芯片的数据帧主要为三段式结构，首部、数据位和尾部，首部包括6字节目的地址、6字节源地址和2字节的数据类型；数据位长度为46~1500字节，为需要传输的数据；尾部为4字节的帧检验序列。

目的地址和源地址指代芯片内部的MAC地址，用户可自定义或直接使用芯片默认地址。类型头长度为2字节，包含数据流通方向、数据类别与功能命令三个部分。

本发明提供的通信芯片在芯片内部完成了信号的收发和转换，无需微处理器进行操作，与CAN通信、1553B等比较，本发明简化了系统开发难度，降低通信系统对微处理器的需求，减少成本需求；相比于MIC总线，本发明所述芯片支持主流芯片内部或芯片间的通信信号，不局限于32位并行数据总线限制，更适用于现有的复杂通信方式；通信芯片间使用以太网连接，传输速率相比于现有总线技术更快。得益于内部通信模块集成了多种通信协议，所述芯片可以通过SPI通信方式接受串行模数转换器回传的传感器信息，也可以通过IIC通信方式对单个组件状态进行通信，如温度、速度、转速等，接收到传感器或状态信息之后，所述通信芯片可将这些信息由以太网传输至指定地址的其他芯片；所述芯片可以使用SPI通信方式经数模转换通知受控对象；所述芯片可以与外设的MCU连接，进行外设与中央处理器之间的信息交互与控制。

附图说明

图1是本发明中灵活扩展接口的分布式通信芯片内部的功能模块示意图。

图2是本发明中灵活扩展接口的分布式通信系统的拓扑结构示意图。

图3为本发明中SPI通信模块与SPI存储区域（SPI RAM）之间的连接示意图。

图4为本发明中灵活扩展接口的分布式通信芯片所传输的数据的数据格式。

图5为本发明的通信系统中从一个控制设备到一个执行设备的数据传输路径示意图。

图6为本发明的通信系统中从一个执行设备到一个控制设备的数据传输路径示意图。

具体实施方式

如图1所示的灵活扩展接口的分布式通信芯片，包括对外输入输出端口、通信模块、内部存储空间以及以太网模块，其特征在于还包括寄存器和独立SPI模块；

通信模块包括SPI通信模块、PCIe通信模块和IIC通信模块；

内部存储空间包括SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域和以太网存储区域，SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域与以太网存储区域建立内存映射关系；

以太网模块包括TCP/IP协议栈、以太网MAC和MII型接口；

对外输入输出端口与通信模块和寄存器连接；对外输入输出端口用于通信模块与外部设备的连接，寄存器用于配置对外输入输出端口中具体引脚的功能；使对外输入输出端口的引脚功能符合SPI通信模块、PCIe通信模块或IIC通信模块数据传输的要求。

通信模块与寄存器和内部存储空间连接；通信模块为内部存储空间与外部设备间的数据传输提供通信方式，寄存器用于选择通信模块的工作模式；不同子通信模块对应相应的工作模式，SPI通信模块对应SPI工作模式、PCIe通信模块对应PCIe工作模式、IIC通信模块对应IIC工作模式；不同工作模式对应相应的通信方式， SPI工作模式对应SPI通信方式、PCIe工作模式对应PCIe通信方式、IIC工作模式对应IIC通信方式。

内部存储空间与寄存器和以太网模块连接；内部存储空间用于缓冲和存储数据及传输数据，寄存器用于分配SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域和以太网存储区域的大小和地址；

以太网模块与寄存器和内部存储空间连接；以太网模块用于将至少两个灵活扩展接口的分布式通信芯片通过以太网连接，寄存器用于对物理层和媒体访问控制层协议的行为、状态进行管理和控制。

以太网模块的配置：所述芯片内部已经实现了TCP/IP等协议，用户只需要通过独立的SPI模块对以太网模块的媒体访问控制层协议（MAC）和MII接口的寄存器进行配置；IEEE802.3定义了MAC和MII接口的标准寄存器，属于通用技术。

独立SPI模块与寄存器和内部存储空间连接；独立SPI模块通过寄存器对对外输入输出端口、通信模块、内部存储空间进行配置，使对外输入输出端口的引脚功能与通信模块的通信方式以及内部存储空间的SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域相匹配，独立SPI模块通过RAM映射单元为SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域与以太网存储区域配置内存映射关系。

本发明包括电源模块，电源模块用于为其他模块供电。

本发明包括PLL（锁相环），PLL（锁相环）为灵活扩展接口的分布式通信芯片提供时钟信号。

本发明所述的以太网模块包括两个MII型接口，MII型接口与以太网MAC连接，两个MII型接口用于使用以太网与其它灵活扩展接口的分布式通信芯片连接。

本发明包括与通信模块和以太网模块连接的编码/译码器，译码器对通信系统内传输的指令进行解译，翻译出指令的含义；编码器用于将传输的信息进行特定的信号形式以进行信息的传输。

一种灵活扩展接口的分布式通信系统，包括至少两个灵活扩展接口的分布式通信芯片，灵活扩展接口的分布式通信芯片通过MII型接口串接（前一个芯片通过以太网接口与下一个芯片连接，下一个芯片再通过第二个以太网接口与第三个芯片连接）；每一个灵活扩展接口的分布式通信芯片与一个外部设备连接；外部设备可以为CPU、上位机、远程控制设备连接，也可以与传感器、受控对象、外设的MCU、蓝牙等；灵活扩展接口的分布式通信系统中包括至少一个控制设备、一个执行设备；控制设备包括CPU、上位机、远程控制设备；执行设备包括传感器、外设的MCU、蓝牙等受控对象。

本发明中，当灵活扩展接口的分布式通信芯片与控制设备连接时，根据二者（灵活扩展接口的分布式通信芯片与控制设备）的通信方式，使用独立SPI模块配置对外输入输出端口的功能、通信模块的工作模式、对应子通信模块所需的配置参数、子通信模块对应的内存区域及对应内存区域与以太网存储区域之间的映射关系。

以上配置除了对端口和通信模块的工作模式需要提前使用独立SPI配置，也可以在使用中通过通信模块进行配置。

本发明中使用独立SPI模块配置对外输入输出端口、通信模块的通信模式、该通信模式所需要的配置参数、该通信方式对应的内存区域及对应内存区域与以太网存储区域之间的映射关系的具体方法为：

对通信模块的配置：

根据灵活扩展接口的分布式通信芯片所连接的外部设备所需的通信方式，使用独立SPI模块选择子通信模块；使用独立SPI模型对子通信模块进行寄存器的配置。

所述芯片内部的通信模块包含多个子通信模块，通过SPI模块可对内部寄存器进行操作可以选择通信模块的工作模式，以内部存在三个子通信模块为例，假设控制通信模块的状态寄存器内第七位与第八位用于控制工作模式：

表一 寄存器位及工作模式

Bit 7	Bit 8	Mode
			1	0	SPI
0	1	IIC
			1	1	PCIe

如果子通信模块更多，控制模式需要的寄存器位数更多。除了控制通信模块的工作模式外，也需要对子通信模块进行工作参数的配置，以子通信模块SPI模块为例，用户需要通过独立SPI模块操作寄存器，对通信方式、主从选择、数据帧长度、时钟极性、时钟相位、NSS信号控制方式、SPI波特率分频值、数据传输顺序和设置CRC校验多项式9个参数进行配置，用户不使用独立SPI配置时，参数为默认值。对于IIC通信模块、PCIe模块，同样可以通过独立SPI模型对子通信模块的寄存器进行操作。

根据所连接的外部设置的通信接口不同，选择不同的子通信模块进行工作，保证了通信芯片对不同的外设的通用性。

对外输入输出模块配置：

根据选用的子通信模块的通信方式，使用独立SPI模块将对外输入输出端口的引脚配置为该通信方式需要的功能；

所述芯片的通信模块选择不同的工作模式后，需要配置出对应的对外接口以连接外部设备，用户使用独立SPI模块对内部寄存器进行操作，以使引脚实现对应的功能。当用户需要进行SPI通信时，使用独立SPI模块将引脚配置为SCLK、SDI、SDO、CS功能，将其作为SPI通信接口即可使用，当用户需要使用其他通信方式时，将引脚配置为对应通信模块需要的功能即可实现。假设每个引脚的功能由一个四位的寄存器配置，对于引脚A[0]其功能定义如表二所示。当寄存器1的值为0001时，其功能为串行输入功能，则A[0]可用于SPI通信的SDI接口的作用；寄存器值默认为0000，引脚为一个通用接口，用户可使用此功能承担SPI通信的SS接口。

表二 引脚功能配置

通过配置对外输入输出端口，配合子通信模块的选择，实现了所述通信芯片对不同的外部设备的连接和通信。

内部存储空间的配置：

使用独立SPI 模块根据选用的子通信模块的通信方式选择对应不同的存储地址。SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域对应不同的存储地址；SPI通信模块、PCIe通信模块和IIC通信模块为子通信模块。

内部存储空间包括SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域与以太网存储区域，SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域与以太网存储区域与以太网存储区域建立映射关系；

所述通信芯片接受与传出数据主要是通过对内存写入和读取进行的，不同的通信方式对应于不同的内存区域，SPI通信模块对应于SPI RAM；PCIe通信模块对应于PCIe RAM；IIC通信模块对应于IIC RAM ；当以太网模块对应于以太网RAM，用户可以使用独立SPI 模块定义这些上述的内存区域。在定义内存区域后，用户可以通过独立SPI模块在以太网RAM与通信模块的三种RAM区域之间建立映射关系，完成数据的接受与传输，所述芯片在工作时，内存区域的映射是唯一的。

以太网模块的配置：

所述芯片内部已经实现了TCP/IP等协议，用户通过独立的SPI模块对以太网模块的MAC和MII接口的寄存器进行控制与管理。

所述芯片使用以太网实现通讯系统内的数据交互，相比于现有的总线通信技术，拥有更快的信息传输速率。

对外输入输出端口连接控制设备时，芯片处于主模式工作，其外部接口与通信模块的工作模式需要且只能使用独立SPI接口进行配置，其他的配置，如内存分配、内存映射和以太网参数的配置等，既可以通过独立的SPI接口配置，也可以通过通信模块进行配置。对外输入输出端口连接执行设备时，芯片处于从模式工作，它可以由以太网接收主模式芯片的任意命令，因此，其内部的所有配置都可以由控制器远程配置。

当用户需要更换通信芯片连接的执行设备时，可以通过CPU等控制设备及与其连接的通信芯片远程对与更换执行设备的通信芯片修改内部寄存器，以重新选择通信模块的工作模式、对外输入输出端口的功能、子通信模块的存储区域、不同存储区域之间的映射关系、以太网MII接口和媒体访问控制层协议的控制等，无需再使用独立SPI进行配置。

使用CPU等控制设备对与传感器或受控设备连接的芯片进行配置，由CPU向指定芯片地址发出寄存器配置命令，命令信号由以太网进行传输，再由对应地址的芯片接受，芯片接收到寄存器配置命令后，根据命令对内部配置寄存器进行操作，以完成对应的功能配置。可以配置的功能与主模式的芯片相同。

本发明的灵活扩展接口的分布式通信系统工作过程中，所述芯片的数据帧主要为三段式结构，首部、数据位和尾部，首部包括6字节目的地址、6字节源地址和2字节的数据类型；数据位长度为46~1500字节，为需要传输的数据；尾部为4字节的帧检验序列。（数据结构如图4所示。）

目的地址和源地址指代芯片内部的MAC地址，用户可自定义或直接使用芯片默认地址。类型头长度为2字节，包含数据流通方向、数据类别与功能命令三个部分，图4中给出了一种类型头的具体格式。

当系统需要开启某一远程的传感器，系统需要对目标的地址发出一个系统检测命令，由远程的芯片进行系统自检，并回传一个自检系统正常的系统状态响应，之后系统开始进行功能命令，系统发出的命令，首先是目标地址与源地址，类型头为0101|0010|00000001，其中0101代表主到从传播，0010代表此命令为功能命令，00000001代表需要指定地址的从芯片执行命令，后续的数据头中包括所命令的设备或传感器地址，当远程的从模块接收到此命令后，对应设备地址的A/D开始工作并将数据传回从模块的RAM中，此后系统需要读取这些数据时，系统发出查询命令，类型头为0101|0010|00000010，后续数据头指定RAM地址，检测从模块RAM对应地址中是否存在数据，若存在，则从模式芯片发出数据响应，其类型头为0101|0011|00000001，后续的数据头为传感器所采集的数据。

所述通信芯片从通信模块使用PCIe通信模式接受CPU发出的命令，并由以太网输出到其他芯片时，用户使用独立SPI模块为PCIe RAM与以太网RAM配置映射关系，此时，以太网模块读取以太网RAM中的数据，相当于读取PCIe RAM中的数据。数据传输路径为CPU-输入输出端口-通信模块（配置为PCIe通信模式）-RAM（PCIe RAM）-RAM（以太网RAM）-以太网模块-其他通信芯片，通信示意图如图5所示。

所述通信芯片由以太网模块接收到其他芯片所传信息，并需要由通信模块传送数据至CPU时，用户使用独立SPI模块为SPI RAM与以太网RAM配置映射关系，此时，通信模块读取SPI RAM中的数据，相当于读取以太网RAM中的数据。数据传输路径为受控设备-所述芯片（从模式）-以太网模块- RAM（以太网RAM）- RAM（SPI RAM）-通信模块（配置为SPI模式）-输入输出端口-CPU，通信示意图如图6所示。

当本发明的通信系统需要通过外部传感器采集温度时，由控制器对主控通信芯片发出指令，指令经由对外输入输出端口传入主控通信芯片的通信模块，通信模块接收到由控制器传输的指令后，将指令通过译码器进行译码以确定系统需要执行的功能，通过内部RAM缓存数据，与以太网RAM映射对应，再将指令重新编码，由以太网模块将指令传输至从控通信芯片。

从控通信芯片由以太网模块接收到主控通信芯片传输的指令后，由译码器对指令进行解译，确定需要执行的功能，经过内部RAM的缓存后，通过通信模块和对外输入输出端采集由外部的温度传感器回传的数据，经过编码器将回传的数据封装为回传数据的数据格式，在RAM模块中缓存和映射后由以太网模块将数据回传入主控芯片，主控芯片由以太网模块接收到回传的数据后，由译码器确定数据类型和功能，由内部RAM缓存后经过内部通信模块和对外输入输出端口将数据回传入控制器，完成对系统内温度信息的采集。

本发明中发明内容部分所述的芯片或通信芯片是指本发明提供的灵活扩展接口的分布式通信芯片，主控芯片和主控通信芯片是指与控制设备连接的芯片，从控芯片和从控通信芯片是指与执行设备连接的芯片。

本发明提供的通信芯片在芯片内部完成了信号的收发和转换，无需微处理器进行操作，与CAN通信、1553B等比较，本发明简化了系统开发难度，降低通信系统对微处理器的需求，减少成本需求；相比于MIC总线，本发明所述芯片支持主流芯片内部或芯片间的通信信号，不局限于32位并行数据总线限制，更适用于现有的复杂通信方式；通信芯片间使用以太网连接，传输速率相比于现有总线技术更快。得益于内部通信模块集成了多种通信协议，所述芯片可以通过SPI通信方式接受串行模数转换器回传的传感器信息，也可以通过IIC通信方式对单个组件状态进行通信，如温度、速度、转速等，接收到传感器或状态信息之后，所述通信芯片可将这些信息由以太网传输至指定地址的其他芯片；所述芯片可以使用SPI通信方式经数模转换通知受控对象；所述芯片可以与外设的MCU连接，进行外设与中央处理器之间的信息交互与控制。

本发明的理论如下：

本发明所述通信芯片连接设备可以分为两个类型，类型一为主控，常用的主控可以是装备内部的CPU、由开发人员开发的上位机程序、或者是与蓝牙模块、5G模块连接远程的控制系统；类型二为外设，本发明所连接的外设可以是直接的执行器件，如传感器芯片、电子开关设备，也可以与执行设备内部的微处理器连接，主控可以与执行设备的微处理器进行信息的传递。本发明有两种主要工作模式，与主控连接的主模式和与外设连接的从模式。当所述通信芯片在主模式下，通信芯片主要实现两个功能，一是接受由主控传输的命令，并将命令传输至外设；二是接受外设传回的传感器，远程操作信息，并回传至主控。当所述通信芯片在从模式下时，通信芯片主要实现两个功能，一是接受主模式通信芯片传输的命令，并传输至连接的远程设备；二是接受外设的数据，将数据传输至主模式通信芯片。所述芯片之间以以太网方式互相连接。

本芯片主要满足以下的功能：内部集成多种通讯协议，以适应现有的SPI、IIC和PCI等通讯方式；具备高速通信接口，以扩展与其他芯片的连接；具备内部参数配置功能，可供用户根据需求自定义芯片的接口功能和内部的内存映射；具备复用的对外的输入输出接口，以适应不同的通信方式，如SPI、IIC等对外接口不同的情况；具有内部存储空间，存储和缓冲数据流等功能，该通信芯片的模块功能和设计方案如下。

1、通信模块，所述芯片的通信模块内部包含多种子通讯模块，包括SPI通信模块，PCIe通信模块和IIC通信模块。这些通信模块用于所述芯片与主控连接，此时芯片应处于主模式工作；也可以与外设连接，此时芯片处于从模式工作。包含多种通讯协议的通信模块允许用户选择通信的具体模式，以满足不同外部设备的通讯需要，如当需要与外部设备以SPI通讯协议进行通信时，用户应将通信模块工作模式配置为SPI通信模式。通信模块内每种子通信模块不局限于一个，可以设置多个通信模块，如MPC5744P在其内部有两个SPI模块。

2、对外输入输出端口，对外输入输出端口为上述通信模块与外部设备连接的接口。由于不同的通讯方式对外接口的数量与功能不同，IIC总线需要数据线和时钟线两个信号线；SPI总线需要两个数据线、一个时钟线和片选信号线；PCIe根据其接口尺寸不同，分为X1、X4、X8、X16四种带宽模式，通信芯片需要1对到16对差分线完成信号传输，除此之外，每对差分信道需要对应的时钟线。因此，对外的输入输出端口需要能实现以上的功能。对外输入输出端口可以通过寄存器选择功能，现有的芯片会大量使用这种技术以实现引脚功能的多样化。当用户将通信模块配置为SPI通信模式时，其接口需要对应为SPI总线接口，即数据输出、数据输入、时钟接口，根据需要选择的从SPI器件，选择多个输入输出端口执行片选功能。

3、内部存储空间，内部存储空间承担缓冲和存储命令及传输数据的作用，现有的芯片内部常用的存储器有RAM、FLASH和FIFO等，所述芯片内部存储器主要为RAM，不同的通信模块传递的数据会储存在不同的内存区域，用户可使用独立的SPI模块为不同的子通信模块配置其存储位置，并将子通信模块的存储与以太网模块存储建立映射关系，以达到从通信模块到以太网模块的数据交互。

通信模块中各个子通信模块与RAM之间独立连接，SPI模块为例，通信模块与RAM之间的连接包括有数据输入输出线、数据输入输出地址线、数据输入输出请求线。当SPI向RAM写入数据时，SPI模块会向RAM发送请求信号（写入数据，发送输入请求信号；读取数据，发送读取请求信号），RAM通过数据输入线和输入的地址线接受从SPI缓冲器数据，并存储对应地址中。其他通信模块，包括以太网模块与RAM的连接方式与SPI模块与RAM的连接方式相同，连接示意图如图3所示。

4、以太网模块，以太网模块主要有TCP/IP协议栈、以太网MAC和MII型接口组成，内部的硬件TCP/IP协议栈包括了FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议，规定传输数据的标准与方法，MAC负责控制与物理层连接的物理介质，包括判断是否可以发送数据，拆分和打包数据，确定目标地址和自身地址等。以太网接口与外部的物理层芯片之间通过媒体独立接口MII接口连接。

5、独立SPI模块，芯片内置独立的SPI模块，命名为独立SPI模块，用于对主模式芯片模块内部参数进行配置，前文所述四个内容都需要通过该模块进行配置，从模式下的芯片可通过主模式芯片经以太网传输配置命令配置。以太网模块用于所述通信芯片之间的数据通讯，以太网模块中集成了TCP/IP协议栈，以太网数据链路层MAC以及与外部物理层连接的MII接口，用户在使用以太网模块与其他的所述芯片连接时，需要配备外部物理层接口。

图2显示了使用本发明的芯片组成的通信系统的拓扑连接方式，所述芯片有两个对外的以太网接口，前一个芯片通过以太网接口与下一个芯片连接，下一个芯片再通过第二个以太网接口与第三个芯片连接，整体的连接以此类推，直至将需要连接的所有系统连接完毕，最后可以将最末端芯片的空闲以太网接口与初始芯片的空闲以太网接口连接，形成菊花链闭环结构，也可以不连接这两个接口。所述芯片可以与CPU、用户界面、远程控制设备连接，也可以与传感器、受控对象、外设的MCU、蓝牙等连接。所述通信芯片与CPU、用户界面、远程控制设备连接时，控制信号和命令可通过该芯片经以太网传送至对应地址的其他通信芯片，也可以接收指定地址的其他通信芯片回传的信息。

Claims (7)

1.一种灵活扩展接口的分布式通信芯片，包括对外输入输出端口、通信模块、内部存储空间以及以太网模块，其特征在于还包括寄存器和独立SPI模块；

通信模块包括SPI通信模块、PCIe通信模块和IIC通信模块；

内部存储空间包括SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域和以太网存储区域，SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域与以太网存储区域建立映射关系；

以太网模块包括TCP/IP协议栈、以太网MAC和MII型接口；

对外输入输出端口与通信模块和寄存器连接；对外输入输出端口用于通信模块与外部设备的连接，寄存器用于配置对外输入输出端口中具体引脚的功能；

通信模块与寄存器和内部存储空间连接；通信模块为内部存储空间与外部设备间的数据传输提供通信方式，寄存器用于选择通信模块的工作模式；

内部存储空间与寄存器和以太网模块连接；内部存储空间用于缓冲和存储数据及传输数据，寄存器用于分配SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域和以太网存储区域的大小和地址；

以太网模块与寄存器和内部存储空间连接；以太网模块用于将至少两个灵活扩展接口的分布式通信芯片通过以太网连接，寄存器用于对物理层和媒体访问控制层协议的行为、状态进行管理和控制；

独立SPI模块与寄存器和内部存储空间连接；独立SPI模块通过寄存器对对外输入输出端口、通信模块、内部存储空间进行配置，独立SPI模块为SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域与以太网存储区域配置映射关系。

2.根据权利要求1所述的灵活扩展接口的分布式通信芯片，其特征在于包括电源模块，电源模块用于为其他模块供电；包括PLL，PLL为通信芯片提供时钟信号。

3.根据权利要求1所述的灵活扩展接口的分布式通信芯片，其特征在于所述的以太网模块包括两个MII型接口，MII型接口与以太网MAC连接，两个MII型接口用于使用以太网与其它灵活扩展接口的分布式通信芯片连接。

4.根据权利要求1所述的灵活扩展接口的分布式通信芯片，其特征在于包括与通信模块和以太网模块连接的编码/译码器，译码器对通信系统内传输的指令进行解译，翻译出指令的含义；编码器用于将传输的信息进行特定的信号形式以进行信息的传输。

5.一种灵活扩展接口的分布式通信系统，包括至少两个灵活扩展接口的分布式通信芯片，灵活扩展接口的分布式通信芯片通过MII型接口串接；每一个灵活扩展接口的分布式通信芯片与一个外部设备连接；灵活扩展接口的分布式通信系统中包括至少一个控制设备、一个执行设备。

6.根据权利要求5所述的灵活扩展接口的分布式通信系统，其特征在于当灵活扩展接口的分布式通信芯片与控制设备连接时，根据二者的通信方式，使用独立SPI模块配置对外输入输出端口的功能、通信模块的工作模式、对应子通信模块所需的配置参数、子通信模块对应的内存区域及对应内存区域与以太网存储区域之间的映射关系。

7.根据权利要求6所述的灵活扩展接口的分布式通信系统，其特征在于使用独立SPI模块配置对外输入输出端口、通信模块的通信模式、该通信模式所需要的配置参数、该通信方式对应的内存区域及对应内存区域与以太网存储区域之间的映射关系的具体方法为：

对外输入输出模块配置：

根据选用的子通信模块的通信方式，使用独立SPI模块将对外输入输出端口的引脚配置为该通信方式需要的功能；

对通信模块的配置：

根据灵活扩展接口的分布式通信芯片所连接的外部设备所需的通信方式，使用独立SPI模块选择子通信模块；使用独立SPI模型对子通信模块进行寄存器的配置；

内部存储空间的配置：

使用独立SPI 模块根据选用的子通信模块的通信方式选择对应不同的存储地址；

内部存储空间包括SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域与以太网存储区域，SPI存储区域、PCIe存储区域、IIC存储区域与以太网存储区域与以太网存储区域建立映射关系；

以太网模块的配置：

所述芯片内部已经实现了TCP/IP等协议，用户通过独立的SPI模块对以太网模块的MAC和MII接口的寄存器进行控制与管理。

Images