CN117793030A - 实现分布式自动化控制实时性的异构芯片架构及调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及异构芯片的架构和调度领域，具体为实现分布式自动化控制实时性的异构芯片架构及调度方法，包括异构芯片架构包括MCU、CPU和交换芯片；CPU，用于实现数据采集、工业运维和人机交互；交换芯片为具有FPGA架构的交换芯片，用于提供片上数据交换、算力分配和算力调度；在MCU、CPU和交换芯片之间构成算力矩阵，MCU、CPU和交换芯片之间通过通讯总线进行通讯；其中，在MCU与CPU之间进行普通数据交换，使用交换芯片对数据交换中的总线调度进行管理，从交换芯片的GMII数据交换接口输出时间敏感报文；使用调度管理算法对总线调度中数据交换的出队优先级进行计算。
Description
技术领域
本发明涉及布式自动化控制领域，具体为实现分布式自动化控制实时性的异构芯片架构及调度方法。
背景技术
在工业4.0的新发展趋势下，在中大型工业控制场景，如航空、汽车制造、石油、化工场景下，分布式自动化控制设备功能响应对数据通讯的带宽、确定性、可靠性、互操作性方面要求不断提高，但是现有的工业标准无法同时满足上述要求。
过去几年间，各大工业产商主要解决分布式的思路是将设备模块化，通过单独提供电源、CPU、各种通信接口以及协议，IO模块，HMI人机交互，AI模块满足工业厂商的要求，这种模块化，可插拔，可替换的应用方案仅是在传统自动化设备基础上改变了产品形态；但是目前这项技术主要面临着以下困难：算力单元同构化，同构化的芯片具有低效、高延迟、搞成本的缺点；数据交换的实时性不够，大型工业控制的响应时间可以达到微秒级，由于目前技术增加了软件交换的频率和复杂度，导致额外的性能开销，同时同构的算力单元处理交换的数据效率很低，导致分布式自动化响应时间仍然还是在毫秒级；功能可靠性降低，模块化的，另外一个缺点是功能可靠性降低，由于分布式的特点，数据之间的交换主要是通过软件控制，但是在交换过程中主要通过以太网和无线网络这无疑增加了数据传输过程中的出错几率。
发明内容
本发明的目的在于提供实现分布式自动化控制实时性的异构芯片架构及调度方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：实现分布式自动化控制实时性的异构芯片架构，异构芯片架构包括MCU、CPU和交换芯片；
CPU，用于实现数据采集、工业运维和人机交互；
交换芯片为具有FPGA架构的交换芯片，用于提供片上数据交换、算力分配和算力调度；
MCU，用于控制具备实时性要求的工业应用；
在MCU、CPU和交换芯片之间构成算力矩阵，MCU、CPU和交换芯片之间通过通讯总线进行通讯；其中，在MCU与CPU之间进行普通数据交换，在CPU和交换芯片之间进行片上数据交换，在MCU和交换芯片之间进行片上数据交换；
上述步骤中使用CPU、MCU和含有FPGA架构的交换芯片组成算力矩阵，组成的算力矩阵具有CPU、MCU和含有FPGA架构的交换芯片的各项优点，使用MCU可以保证算力矩阵在出数据交换中的实时性，使数据交换中间没有延迟，CPU可以承担数据的采集、工业的运维、和人机交换功能在算力矩阵在工业上具有广泛的应用能力，含有FPGA架构的交换芯片可以提供片上数据交换和对异构化芯片进行算力分配和调度使对数据处理上面更加灵活，片上数据交换不仅仅满足了使用时的通用性也与其他工业设备数据实现互操性，在工业设备的应用上更加广泛；
进一步的，片上数据交换的交换协议可以同时满足通用性和工业设备数据，实现芯片与工业设备数据之间的互相操作；CPU端上部署着多个应用、总线通讯中间件和POSIX；交换芯片FPGA端上部署着总线调度管理中间件和总线配置管理；MCU端上部署着应用和总线通讯中间件；总线调度管理中间件用来发送和接收信息，进行数据交换；总线配置管理对芯片、软件、算法进行使用与协调,对总线资源进行监视、测试、配置、分析、评价和控制；
总线通讯中间件可以让分布式的应用程序发送信息和接收信息，进行通信和数据交换；POSIX，提供了POSIX兼容接口。
为更好的实现上述方法一种调度方法，调度方法包括：
步骤S100：算力矩阵基于以太网的数据总线，对路由、数据模型和通信协议进行转换；算力矩阵通过通讯总线对信息进行处理、连接和传递，实现数据交换；
步骤S200：使用交换芯片对数据交换中的总线调度进行管理，从交换芯片的GMII数据交换接口输出时间敏感报文；
步骤S300：使用调度管理算法对总线调度中数据交换的出队优先级进行计算。
进一步的，步骤S100包括：
步骤S101：在MCU端，使用总线调度管理中间件为通讯总线的资源进行监控、分配与控制和核心的调度；
步骤S102：在基于FPGA的交换芯片端，使用总线配置管理对芯片，软件，算法的使用与协调,对总线资源进行监视、测试、配置、分析、评价和控制；
步骤S103：在CPU端使用POSIX和作为数据接口和发送，使用总线通讯中间件用来发送和接收信息，进行数据交换；
上述步骤使算力矩阵可以支持在复杂的应用程序，同时在处理分布和计算资源上有着最大的灵活性和伸缩性，算力矩阵组成的系统由一组服务构成，在这些服务机构里面一个服务可以使用另一个服务，应用程序可以根据自己需要使用一个或者多个服务，这些服务不仅仅可以运行在CPU上，而且还可以运行在MCU上，大大提高的服务使用率，使程序的功能更加完善，算力也更加强大。
进一步的，步骤S200包括：
步骤S201：使用基于FPGA的交换芯片从GMII主机接口接收时间敏感报文，对接收的报文进行检查，判断报文是否完整；检查报文是否被映射；
步骤S202：将报文写入缓存区，同时生成描述符在交换芯片中进行传输；查找注入的时刻表，对报文注入时间进行精确的控制；控制包括在规划好的注入时间槽，将时间敏感报文描述符进行输出；对转发表进行查找，将描述符发往对应的数据接口，输出处理逻辑；根据EEE 802.1Qch或者02.1Qbv调度模型对时间敏感报文的描述符进行调度；
步骤S203：从缓存区中读取报文，从GMII主机接口输出时间敏感报文；
上述步骤中使用基于FPGA的交换芯片，是因为FPGA的交换芯片含有8路GMII数据交换接口，1路GMII控制接口，这个基于FPGA的交换芯片支持流量注入和流量的提交，可以精准控制流量注入和流量提交的时刻，同时也兼容了现有的以太网的标准，所以同时也具有以太网的高带宽的优势，采用直通式时间敏感交换架构，可以有效的降低报文交换的延迟，同时也支持报文分片与重组，从而获得更加精确的报文延迟抖动，对报文延迟的控制也更加精确，在对配置上也更加灵活，可以配置多种工作模式，能够满足高端装备普通的各种不同的系统在组网上的需求，基于FPGA的交换芯片采用端和交换一体的融合设计，能够支持标准以太网设备的直接接入，这大大丰富了芯片的应用场景，同时也支持多种标准，支持时间敏感、带宽预约和尽力转发这三种流量的混合传输，时间同步精度很高，有利于数据的交换与传输。
进一步的，步骤S300包括：
步骤S301：根据排队规则的出队方式和消息到达时间，得到出队模型；出队模型公式为：
其中，x为消息的平均到达率，∝为消息排队时长，y为总线的出队时间，t为时间间隔，ρ为联合概率；
步骤S302：计算每个消息出队的先验概率：
ρ(xt,xt-1,y1:t)；
步骤S303：计算条件概率：
步骤S304：根据条件概率，通过argmax方法，计算平均值MAP的基线估计值：
步骤S305：通过最小均方差算法MMSE对出队期望值E进行计算：
最终确定出队优先级。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明复用现有MCU和CPU算力，兼容POSIX，支持绝大多数操作系统，兼容现有工业以太网，有效地降低了节点设计复杂度、成本；可以实现微秒级的实时嵌入式智能应用，通过FPGA实现的硬件级总线调度机制，可以精准控制流量注入和流量提交的时刻，同时也兼容了现有的以太网的标准，所以同时也具有以太网的高带宽的优势，采用直通式时间敏感交换架构，可以有效的降低报文交换的延迟；同时也支持报文分片与重组，从而获得更加精确的报文延迟抖动，对报文延迟的控制也更加精确，在对配置上也更加灵活，可以配置多种工作模式，能够满足高端装备普通的各种不同的系统在组网上的需求，基于FPGA的交换芯片采用端和交换一体的融合设计，能够支持标准以太网设备的直接接入，这大大丰富了芯片的应用场景，同时也支持多种标准，使用高实时性调度算法，使调度时延大大减少，使数据交换具有实时性，提高数据交换的效率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实现分布式自动化控制实时性的异构芯片架构及调度方法的方法框图；
图2是本发明实现分布式自动化控制实时性的异构芯片架构及调度方法的数据交换流程示意图；
图3是本发明实现分布式自动化控制实时性的异构芯片架构及调度方法的芯片通讯架构图；
图4是本发明实现分布式自动化控制实时性的异构芯片架构及调度方法的出队模型图。
具体实施方式
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图4，本发明提供技术方案：实现分布式自动化控制实时性的异构芯片架构，异构芯片架构包括MCU、CPU和交换芯片；
CPU，用于实现数据采集、工业运维和人机交互；
交换芯片为具有FPGA架构的交换芯片，用于提供片上数据交换、算力分配和算力调度；
MCU，用于控制具备实时性要求的工业应用；
如图1所示：
在MCU、CPU和交换芯片之间构成算力矩阵，MCU、CPU和交换芯片之间通过通讯总线进行通讯；其中，在MCU与CPU之间进行普通数据交换，在CPU和交换芯片之间进行片上数据交换，在MCU和交换芯片之间进行片上数据交换；
使用千兆以太网作为数据交换总线，数据交换总线采用TCP/IP协议，和IEEE802.3标准兼容，覆盖大部分应用；
如图2所示：
其中，片上数据交换的交换协议可以同时满足通用性和工业设备数据，实现芯片与工业设备数据之间的互相操作；CPU端上部署着多个应用、总线通讯中间件和POSIX；交换芯片FPGA端上部署着总线调度管理中间件和总线配置管理；MCU端上部署着应用和总线通讯中间件；总线调度管理中间件用来发送和接收信息，进行数据交换；总线配置管理对芯片、软件、算法进行使用与协调,对总线资源进行监视、测试、配置、分析、评价和控制；
总线通讯中间件可以让分布式的应用程序发送信息和接收信息，进行通信和数据交换；POSIX，提供了POSIX兼容接口；
为更好的实现上述方法一种调度方法，调度方法包括：
步骤S100：算力矩阵基于以太网的数据总线，对路由、数据模型和通信协议进行转换；算力矩阵通过通讯总线对信息进行处理、连接和传递，实现数据交换；
其中，步骤S100包括：
步骤S101：在MCU端，使用总线调度管理中间件为通讯总线的资源进行监控、分配与控制和核心的调度；
步骤S102：在基于FPGA的交换芯片端，使用总线配置管理对芯片，软件，算法的使用与协调,对总线资源进行监视、测试、配置、分析、评价和控制；
步骤S103：在CPU端使用POSIX和作为数据接口和发送，使用总线通讯中间件用来发送和接收信息，进行数据交换；
如图3所示：
步骤S200：使用交换芯片对数据交换中的总线调度进行管理，从交换芯片的GMII数据交换接口输出时间敏感报文；
其中，步骤S200包括：
步骤S201：使用基于FPGA的交换芯片从GMII主机接口接收时间敏感报文，对接收的报文进行检查，判断报文是否完整；检查报文是否被映射；
步骤S202：将报文写入缓存区，同时生成描述符在交换芯片中进行传输；查找注入的时刻表，对报文注入时间进行精确的控制；控制包括在规划好的注入时间槽，将时间敏感报文描述符进行输出；对转发表进行查找，将描述符发往对应的数据接口，输出处理逻辑；根据EEE 802.1Qch或者02.1Qbv调度模型对时间敏感报文的描述符进行调度；
步骤S203：从缓存区中读取报文，从GMII主机接口输出时间敏感报文；
可以使用含有8路GMII数据交换接口，1路GMII控制接口的基于FPGA的交换芯片，这种交换芯片支持流量注入和流量提交，可以精准控制数据交换时刻，同时兼容现有以太网标准，具备以太网的高带宽优势，采用直通式时间敏感交换架构，有效降低了报文交换延迟，支持报文分片与重组，更加精确获取的报文延迟抖动控，可灵活配置多种工作模式，能满足高端装备平台各种不同的系统组网需求；采用端和交换一体的融合设计，支持标准以太网设备直接接入，支持IEEE 802.1AS、802.1Qch、802.1Qbv、802.1Qcc等标准，支持时间敏感、带宽预约和尽力转发三种流量混合传输，时间同步精度小于1000ns，硬件调度时间槽范围为[40us，5120us]，交换容量1.6Gbps，交换延迟小于300μs，支持16K个虚拟通道；
步骤S300：使用调度管理算法对总线调度中数据交换的出队优先级进行计算；
其中，步骤S300包括：
如图4所示,可知出队过程为一个齐次马尔可夫；
步骤S301：根据排队规则的出队方式和消息到达时间，得到出队模型，出队模型公式为：
其中，x为消息的平均到达率，∝为消息排队时长，y为总线的出队时间，t为时间间隔，ρ为联合概率；
步骤S302：计算每个消息出队的先验概率：
ρ(xt,xt-1,y1:t)；
步骤S303：计算条件概率：
步骤S304：根据条件概率，通过argmax方法，计算平均值MAP的基线估计值：
步骤S305：通过最小均方差算法MMSE对出队期望值E进行计算：
最终确定出队优先级。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.实现分布式自动化控制实时性的异构芯片架构，其特征在于，所述异构芯片架构包括MCU、CPU和交换芯片；
所述CPU，用于实现数据采集、工业运维和人机交互；
所述交换芯片为具有FPGA架构的交换芯片，用于提供片上数据交换、算力分配和算力调度；
所述MCU，用于控制具备实时性要求的工业应用；
在MCU、CPU和交换芯片之间构成算力矩阵，MCU、CPU和交换芯片之间通过通讯总线进行通讯；其中，在MCU与CPU之间进行普通数据交换，在CPU和交换芯片之间进行片上数据交换，在MCU和交换芯片之间进行片上数据交换。
2.根据权利要求1所述的实现分布式自动化控制实时性的异构芯片架构，其特征在于，所述片上数据交换的交换协议可以同时满足通用性和工业设备数据，实现芯片与工业设备数据之间的互相操作；所述CPU端上部署着多个应用、总线通讯中间件和POSIX；所述交换芯片FPGA端上部署着总线调度管理中间件和总线配置管理；所述MCU端上部署着应用和总线通讯中间件；所述总线调度管理中间件用来发送和接收信息，进行数据交换；所述总线配置管理对芯片、软件、算法进行使用与协调,对总线资源进行监视、测试、配置、分析、评价和控制。
3.一种调度方法，应用于权利要求1-2任意一项所述的实现分布式自动化控制实时性的异构芯片架构，其特征在于，所述调度方法包括：
步骤S100：所述算力矩阵基于以太网的数据总线，对路由、数据模型和通信协议进行转换；所述算力矩阵通过通讯总线对信息进行处理、连接和传递，实现数据交换；
步骤S200：使用交换芯片对所述数据交换中的总线调度进行管理，从所述交换芯片的GMII数据交换接口输出时间敏感报文；
步骤S300：使用调度管理算法对总线调度中数据交换的出队优先级进行计算。
4.根据权利要求3所述的一种调度方法，其特征在于，所述步骤S100包括：
步骤S101：在MCU端，使用总线调度管理中间件为通讯总线的资源进行监控、分配与控制和核心的调度；
步骤S102：在基于FPGA的交换芯片端，使用总线配置管理对芯片，软件，算法的使用与协调,对总线资源进行监视、测试、配置、分析、评价和控制；
步骤S103：在CPU端使用POSIX和作为数据接口和发送，使用总线通讯中间件用来发送和接收信息，进行数据交换。
5.根据权利要求3所述的一种调度方法，其特征在于，所述步骤S200包括：
步骤S201：使用基于FPGA的交换芯片从GMII主机接口接收时间敏感报文，对接收的报文进行检查，判断报文是否完整；检查报文是否被映射；
步骤S202：将报文写入缓存区，同时生成描述符在所述交换芯片中进行传输；查找注入的时刻表，对报文注入时间进行精确的控制；所述控制包括在规划好的注入时间槽，将时间敏感报文描述符进行输出；对转发表进行查找，将描述符发往对应的数据接口，输出处理逻辑；根据EEE 802.1Qch或者02.1Qbv调度模型对时间敏感报文的描述符进行调度；
步骤S203：从缓存区中读取报文，从GMII主机接口输出时间敏感报文。
6.根据权利要求3所述的一种调度方法，其特征在于，所述步骤S300包括：
步骤S301：根据所述排队规则的出队方式和消息到达时间，得到出队模型；所述出队模型公式为：
其中，x为消息的平均到达率，∝为消息排队时长，y为总线的出队时间，t为时间间隔，ρ为联合概率；
步骤S302：计算每个消息出队的先验概率：
ρ(xt,xt-1,y1:t)；
步骤S303：计算条件概率：
步骤S304：根据所述条件概率，通过argmax方法，计算平均值MAP的基线估计值：
步骤S305：通过最小均方差算法MMSE对出队期望值E进行计算：
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