CN117897939A - 汽车网关中异构网络的帧规范化 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用户设备(user equipment，UE)的网关，具体地，涉及车辆的网关控制器。本发明提供了一种用于网关控制器的设备和方法，其中，所述设备用于执行帧规范化。具体地，所述设备包括处理电路，用于：接收由比特组成的一个或多个入口帧，其中，每个入口帧具有包括在帧格式集中的多种帧格式中的一种帧格式；将每个入口帧转换为规范化比特帧，其中，每个规范化帧具有规范化帧格式。
Description
技术领域
本发明涉及用户设备(user equipment，UE)的网关，具体地，涉及车辆的网关控制器。本发明提供了用于网关控制器的设备和方法，其中，该设备用于执行帧规范化，即能够将入口帧格式转换为规范化帧格式。这在异构网络中尤其有利，在异构网络中，网关控制器接收不同类型的入口帧格式。这通常是汽车电子行业的情况，因此，该设备和方法适用于汽车网关。
背景技术
如今，汽车电子行业正在经历一场深度变革，以应对新的移动时代，寻找未来的自主、互联、电动和共享汽车。
在这种变革的触发下，车辆的汽车电气/电子(electric/electronic，E/E)和车载网络(in-vehicle networking，IVN)架构正在从基于域的方法(包括以逻辑方式通过功能域划分车辆的功能)过渡到由分区分布驱动的新方法，其中，任何域的混合功能在每个物理区域中共存。因此，可以克服在上述方案中检测到的线束可扩展性墙。
这种变革的直接影响是UE(具体为车辆)中的网关控制器将扮演游戏规则改变者的角色。在基于域的E/E架构中，网关控制器部署中央网关的角色，中央网关负责通过汽车以太网等网络主干互连不同的域控制器(例如高级驾驶员辅助系统(advanced driver-assistance system，ADAS)、信息娱乐、车身、驾驶舱、能源管理等)，在新的基于区域的架构中，完整的车辆功能不是通过域控制器重新分配的，而是在一个或多个中央计算机和若干区域网关控制器中重新分配的，具体是每个物理区域一个。
新的区域网关控制器的作用包括车辆的一个特定物理区域的功率和通信管理。由于这种新的架构方法，区域网关控制器正越来越成为车辆基础设施的关键部分。
网关本质上是一项复杂而要求高的处理/计算任务。网关控制器根据网络协议和标准，具体是根据众所周知的网络开放系统互连(open systems interconnection，OSI)模型(被分解成几层)，通过封装、聚合和/或处理协议数据单元(protocol data unit，PDU)或数据帧，负责从入口端口接收和发送帧到出口端口。
汽车网关控制器面临的主要挑战之一是异构网络技术和协议的共存：一方面，汽车传统总线，如控制器区域网络(controller area network，CAN)、本地互连网络(localinterconnect network，LIN)、FlexRay，另一方面，最近从信息和通信技术(informationand communications technology，ICT)和高性能计算(high-performance computing，HPC)领域采用的新网络协议，例如，以太网、移动行业处理器接口(mobile industryprocessor interface，MIPI)或快捷外围部件互连标准(peripheral componentinterconnect express，PCIe)。图1示出了不同技术和协议(即LIN 101、CAN 102、CAN FD103、CAN XL 104、FlexRay 105和以太网106)的一些帧结构的示例。
开发汽车电子网关控制器(即硬件(hardware，HW)和软件(software，SW)共同设计)所需的工程工作量不可低估：一个由数十名HW、SW和系统工程师组成的大团队通常会长期合作，通常不少于一两年，并需要覆盖整个产品开发周期，从概念到设计和开发(designand development，D&D)到验证和确认(verification and validation，V&V)再到正式量产(start-of-production，SOP)。
传统上，功能网关实现方式主要基于SW实现方式。该方案通常以CPU为中心，即网关和处理部署在运行微控制器单元(microcontroller unit，MCU)或片上系统(system-on-chip，SoC)设备的一个或多个内核的SW中。
在这里需要说明的是，CAN、LIN、FlexRay或以太网帧的互连通常在SW中完成。也就是说，CPU或MCU在执行CAN到ETH的隧道或网关时，从CAN接收缓冲器读取入口帧，并将其传输到以太网(ethernet，ETH)出口缓冲器。但是，这种基于SW的方法确实是当今在用的一种方案，但在迁移到自动驾驶(autonomous driving，AD)方案时，尤其是在下一代L3至L5 AD车辆的延迟和性能方面，并不是最佳选择。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种能够实现HW驱动的网关方法的设备和方法，具体是为了考虑例如如以上所描述的异构网络技术和协议的共存。
该目的通过所附独立权利要求中描述的本发明的实施例实现。实施例有利实现方式在从属权利要求中进一步定义。
具体地，这些实施例基于以下考虑。
网关控制器负责执行全套网络功能，主要是给定车载网络基础设施的不同网络之间的数据封装、转发/路由、隧道和PDU处理。网络技术和协议的这种异质性增加了网关控制器所需的复杂性和计算工作量。因此，与其它网络设备(如仅基于以太网技术的企业交换机或路由器)不同，在汽车网关控制器的特殊情况下，网络技术和协议的多样性和异质性在同一设备中同时共存是一个众所周知的会增加网络设备复杂性的特征，特别是关于实时处理不同性质的入口和出口帧。因此，本发明的实施例将其重点放在这些问题上，并且特别旨在贡献有效的实现方案。
理想的网关处理将包括执行帧(具体是PDU)从一个网络到另一个网络的适配，同时将这种转换的影响降至最低。例如，当将帧或PDU从一个或多个入口端口移动到网关控制器的一个或多个出口端口时，将这种处理的延迟降至最低(例如，根据现有的交换/路由机制)。由网关控制器执行的这些任务中的许多任务都是耗时的任务，例如，从一个网络到另一个网络的协议转换和数据封装，如图2所示。
鉴于上述情况，本发明的实施例的目的是实现帧规范化，这适用于异构网络的网关。这一概念的实现方式应在HW中以非常灵活的方式提供。但是，实施例应完全兼容软件定义网络(software defined networking，SDN)。这些实施例的进一步的目标是在几何结构(例如，包括入口端口和出口端口的数量、网络协议的类型等)和特征(例如，直通或存储转发模式、基于循环冗余校验(cyclic redundancy check，CRC)的完整性校验、校验和(checksum，CS)或奇偶校验位(parity bit，PB)的完整性校验等)方面提供可扩展的方案。
这些和其它目标也通过本发明的实施例实现。总之，这里提出的PDU规范化概念成为OSI模型及其7个抽象层没有涵盖的新维度或抽象层，因为它支持同时处理多个异构网络，而不是仅仅处理一个异构网络。
本发明的第一方面提供了一种用于用户设备的网关控制器的设备，该设备包括处理电路，用于：接收由比特组成的一个或多个入口帧，其中，每个入口帧具有包括在帧格式集中的多种帧格式中的一种帧格式；将每个入口帧转换为规范化比特帧，其中，每个规范化帧具有规范化帧格式。
相应地，第一方面的设备用于对异构网络技术和协议的帧进行规范化。因此，可以通过使用设备向网关控制器提供此功能。具体地，网关控制器可以是或包括第一方面的设备。UE可以包括网关控制器，UE可以是车辆。具体地，第一方面的设备实现了HW驱动的网关方法。但是，该设备也可以是SDN兼容的。该设备在几何结构方面是可扩展的，例如，未来可能会增加入口端口和出口端口的数量，并且可以容易地添加不同类型的网络协议。此外，该设备在功能方面是可扩展的，例如，可以在其系统/硬件架构中添加和嵌入各种类型的功能，例如，如图6所示。
在第一方面的一种实现方式中，帧格式集包括根据以下协议的一种或多种帧格式：CAN；CAN FD；CAN XL；LIN；FlexRay；面向媒体的系统传输；以太网；MIPI；摄像机串行接口2。
这些只是第一方面的设备可以处理的帧格式的示例。其它帧格式是可能的，未来可能会添加新的帧格式。
在第一方面的一种实现方式中，每个规范化帧包括多个字段，其中，每个字段由字段索引或偏移参数和字段大小参数参数化。
任何网络帧都可以被视为在一定数量的不同大小的字段中组织的比特流，每个字段在应用级别具有不同和特定的含义。这些字段可以沿着数据帧分布在不同的位置。从这个角度来看，任何帧都可以以标准化的方式管理，而不考虑其原始性质。
在第一方面的一种实现方式中，每个规范化帧包括报头、有效载荷和报尾，每个规范化帧的有效载荷包括相应的入口帧。
因此，入口帧可以在规范化帧中传输。因此，不考虑入口帧的类型，规范化帧可以由网关控制器的一个或多个处理阶段处理。
在第一方面的一种实现方式中，每个规范化帧包括控制平面中的指令帧和数据平面中的数据帧，其中，数据帧包括相应的入口帧。
在第一方面的一种实现方式中，指令帧包括报头、有效载荷和报尾，指令帧的有效载荷包括指示在处理电路的一个或多个处理阶段中的每个处理阶段中如何处理数据帧的指令。
因此，指令帧和数据帧被分离，并且指令帧可以作为元数据指示数据帧在网关控制器的一个或多个处理阶段中应如何处理。
在第一方面的一种实现方式中，指令帧包括指令的长度和指令的一个或多个参数，作为相应数据帧的元数据。
在第一方面的一种实现方式中，指令帧的报头和有效载荷包括以下中的一个或多个：接收相应入口帧的端口号或ID；与相应入口帧相关的网络类型或协议；帧时间戳；帧长度；帧优先级；每个时钟的规范化帧的比特数；匹配计数器；要在入口帧上执行的网关命令或动作。
需要说明的是，然后，匹配计数器可以例如在匹配和动作阶段填充。
在第一方面的一种实现方式中，指令帧的报尾包括指令的CRC或指令的CS，或指令的PB，作为应用于整个指令帧的完整性校验机制。
因此，无论入口帧格式如何，都可以应用完整性校验机制。
在第一方面的一种实现方式中，处理电路包括一个或多个入口端口，每个入口端口用于根据包括在帧格式集中的多种帧格式的特定协议接收特定帧格式的一个或多个入口帧。
入口端口可以是可扩展的，也就是说，用于其它帧格式的其它入口端口可以添加到处理电路中。因此，设备是可扩展的。
在第一方面的一种实现方式中，处理电路还包括一组寄存器，并且该组寄存器可配置有一组参数，用于将一个或多个入口端口中的每一个入口端口与一个或多个网络特征和/或协议相关联，一个或多个网络特征和/或协议要应用于在入口端口处接收的一个或多个入口帧，以规范化入口帧。
这支持容易地配置第一方面的设备。因此，第一方面的设备实现了用于在HW中提供的网关的非常灵活的方式。
在第一方面的一种实现方式中，处理电路还包括用于每个入口端口的先进先出(first-in first-out，FIFO)，并且每个FIFO用于接收和转发在该入口端口处接收的一个或多个入口帧的比特。
在第一方面的一种实现方式中，处理电路还包括指令生成器，指令生成器用于为每个相应入口帧构建指令帧，其中，指令帧基于相应入口帧和接收相应入口帧的入口端口的参数集构建。
在第一方面的一种实现方式中，处理电路还用于将在入口端口处接收的数据帧写入或存储在数据平面中的FIFO中，同时在控制平面中生成指令帧。
在第一方面的一种实现方式中，处理电路还用于从FIFO读取存储在数据平面中的FIFO中的数据帧，同时从控制平面读取指令帧，使得两个帧同步向前移动到处理电路的下一个或多个处理阶段。
本发明的第二方面提供了一种用于用户设备的网关控制器的方法，该方法包括：接收由比特组成的一个或多个入口帧，其中，每个入口帧具有包括在帧格式集中的多种帧格式中的一种帧格式；将每个入口帧转换为规范化比特帧，其中，每个规范化帧具有规范化帧格式。
在第二方面的一种实现方式中，帧格式集包括根据以下协议的一种或多种帧格式：CAN；CAN FD；CAN XL；LIN；FlexRay；面向媒体的系统传输；以太网；MIPI；摄像机串行接口2。
在第二方面的一种实现方式中，每个规范化帧包括多个字段，其中，每个字段由字段索引或偏移参数和字段大小参数参数化。
在第二方面的一种实现方式中，每个规范化帧包括报头、有效载荷和报尾，每个规范化帧的有效载荷包括相应的入口帧。
在第二方面的一种实现方式中，每个规范化帧包括控制平面中的指令帧和数据平面中的数据帧，其中，数据帧包括相应的入口帧。
在第二方面的一种实现方式中，指令帧包括报头、有效载荷和报尾，指令帧的有效载荷包括指示在处理电路的一个或多个处理阶段中的每个处理阶段中如何处理数据帧的指令。
在第二方面的一种实现方式中，指令帧包括指令的长度和指令的一个或多个参数，作为相应数据帧的元数据。
在第二方面的一种实现方式中，指令帧的报头和有效载荷包括以下中的一个或多个：接收相应入口帧的端口号或ID；与相应入口帧相关的网络类型或协议；帧时间戳；帧长度；帧优先级；每个时钟的规范化帧的比特数；匹配计数器；要在入口帧上执行的网关命令或动作。
如上所述，匹配计数器可以用于匹配和动作阶段。
在第二方面的一种实现方式中，指令帧的报尾包括指令的CRC或指令的CS，或指令的PB，作为应用于整个指令帧的完整性校验机制。
在第二方面的一种实现方式中，该方法包括，根据帧格式集中包括的多种帧格式中的特定协议，在一个或多个入口端口的每个入口端口处接收特定帧格式的一个或多个入口帧。
在第二方面的一种实现方式中，该方法还包括为一组寄存器配置一组参数，用于将一个或多个入口端口中的每一个入口端口与一个或多个网络特征和/或协议相关联，一个或多个网络特征和/或协议相关联要应用于在该入口端口处接收的一个或多个入口帧，以规范化入口帧。
在第二方面的一种实现方式中，该方法还包括：通过每个入口端口的FIFO接收和转发在该入口端口处接收的一个或多个入口帧的比特。
在第二方面的一种实现方式中，该方法包括为每个相应入口帧构建指令帧，其中，指令帧基于相应入口帧和接收相应入口帧的入口端口的参数集构建。
在第一方面的一种实现方式中，该方法还包括将在入口端口处接收的数据帧写入或存储在数据平面的FIFO中，同时在控制平面生成指令帧。
在第一方面的一种实现方式中，该方法还包括从FIFO读取存储在数据平面中的FIFO中的数据帧，同时从控制平面读取指令帧，使得两个帧同步向前移动到下一个或多个处理阶段。
第二方面及其实现方式的方法实现了与上述第一方面及其相应实现方式的设备相同的优点。
本发明的第三方面提供了一种计算机程序，该计算机程序包括程序代码，该程序代码在处理器上执行时，该程序代码用于执行根据第二方面或其实现方式中的任一种的方法。
本发明的第四方面提供了一种非瞬时性存储介质，该非瞬时性存储介质存储可执行程序代码，该可执行程序代码在由处理器执行时，执行根据第二方面或其实现方式中的任一种的方法。
需要说明的是，本申请中描述的所有设备、元件、单元和模块可以通过软件或硬件元件或其任何类型的组合实现。本申请中描述的各种实体执行的所有步骤和所描述的将由各种实体执行的功能旨在表明相应的实体用于执行相应的步骤和功能。虽然在以下具体实施例的描述中，外部实体执行的具体功能或步骤没有在执行具体步骤或功能的实体的具体详述元件的描述中反映，但是技术人员应清楚，这些方法和功能可以通过相应的硬件或软件元件或其任何组合实现。
附图说明
结合所附附图，下面具体实施例的描述阐述上述各方面及实现方式。
图1示出了(汽车)网络技术和协议的异质性。
图2示出了跨不同网络的传统网关控制器内帧(PDU)的处理。
图3总体上示出了根据本发明的实施例的设备。
图4示出了传统网络处理器或网关的CPU、网络控制器和收发器/PHY网络堆栈。
图5示出了本发明的关于使用规范化阶段(即，包括根据本发明的实施例的设备)处理汽车网关的概念。
图6示出了汽车网关控制器的系统架构，包括根据本发明的实施例的设备。
图7示出了本发明提出的帧(PDU)规范化策略。
图8示出了帧(PDU)规范化器(即，根据本发明的实施例的设备的帧(PDU)规范化器)的微架构。
图9示出了本发明中网关处理的指令帧格式。
图10示出了本发明所提出的使用的指令帧的组成。
图11示出了帧(PDU)规范化器引擎微架构(即，根据本发明的实施例的设备)。
图12示出了作为本发明提出的帧(PDU)规范化过程的一部分的指令生成。
图13示出了PDU规范化器(根据本发明的实施例的设备)的存储器映射的示例。
图14示出了根据本发明的实施例的方法。
具体实施方式
图3示意性地示出了本发明提出的对上述目的和目标的一般方案。具体地，图3示出了根据本发明的实施例的设备300。设备300可用于用户设备的网关控制器，例如车辆的网关控制器。也就是说，设备300可以在汽车网关控制器中实现。设备300也可以是汽车网关控制器。该设备包括处理电路301。处理电路301可以包括网关控制器的一个或多个处理阶段。但是，处理电路301也可以是网关控制器(负责帧规范化)的一个处理阶段，并且网关控制器可以包括附加的处理电路以实现进一步的处理阶段。
处理电路301用于执行、进行或启动本发明中描述的设备300的各种操作。处理电路301可以包括硬件和/或处理电路301可以由软件控制。硬件可以包括模拟电路或数字电路，或模拟电路和数字电路两者。数字电路可以包括专用集成电路(application-specificintegrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)或多用途处理器等部件。设备300还可以包括存储器电路，其可以存储可以由处理电路执行301(具体地，在软件的控制下执行)的一个或多个指令。例如，存储器电路可以包括存储可执行软件代码的非瞬时性存储介质，当处理电路301执行可执行软件代码时，该可执行软件代码使设备300执行各种操作。在一个实施例中，处理电路301包括一个或多个处理器以及与一个或多个处理器连接的非瞬时性存储器。非瞬时性存储器可以携带可执行程序代码，当一个或多个处理器执行可执行程序代码时，使设备300执行、进行或启动本发明描述的操作或方法。
具体地，处理电路301用于接收由比特组成的一个或多个入口帧302。每个入口帧可以包括多个比特，这些比特被组织成具有不同含义的多个字段。入口帧可以是PDU。每个入口帧302具有多种帧格式中的一种(图1中示意性地示为A、B、C)，其中，这些多种帧格式包括在帧格式集中。具体地，帧格式集特别可以包括根据以下协议(另见图1)的一个或多个帧格式：CAN 102；CAN FD 103；CAN XL 104；LIN 101；FlexRay 105；面向媒体的系统传输；以太网106；MIPI；摄像机串行接口2。
设备300的处理电路301还用于将每个入口帧302转换为由比特组成的规范化帧303。每个规范化帧303具有规范化帧格式(示意性地示为N)。每个规范化帧可以包括多个比特，包括相应入口帧的比特，这些比特被组织成不同大小和含义的字段。入口帧格式与规范化帧格式在比特数、字段数、字段的含义、字段的大小等方面不同。
相应地，基于处理电路301的设备300用作帧规范化器，具体地，可以用作PDU规范化器。规范化帧303可以提供给网关控制器的下一个处理阶段。
有利地，网络和通信系统的空白可以通过开发基于图1所示的设备300的新网关控制器架构来填补。新网关控制器架构可能会带来更好的设计粒度级别，以在关键性能指标(key performance indicator，KPI)方面实现更好的性能，如延迟、抖动、吞吐量和基于一体机方法的成本效益，即，开发能够同时管理不同网络帧或协议的公共处理单元，而不是每个网络帧开发专用处理单元。这可能会将合并异构网络协议的复杂网络系统和产品的架构提升到下一级别。
在下文中，描述了本发明的更详细的实施例，以及产生本发明的实施例的考虑。
由设备300实现的帧规范化基于以下事实：每个网络技术/协议使用特定控制器或逻辑(当然基于不同的层1或PHY技术)管理OSI模型的层2及以上的层。这在图4中示例性地示出了传统网关。
基于这一事实，本发明的实施例所基于的想法是以某种方式用对任何网络协议有效的新网关控制器取代协议特定的网络控制器。也就是说，尝试使处理规范化或标准化，以便使其对网络协议不变。然后，该想法是为网络架构师带来一个新的抽象级别，这在本发明中被称为“帧规范化”。
本发明的帧规范化概念在图5中示意性地示出。该概念包括开发新的HW外设或协处理器，其可以嵌入在网络SoC设备中，并对来自汽车网关控制器的任何入口端口的入口帧进行规范化，而不考虑其性质和/或协议(例如，CAN、LIN、FlexRay、以太网等，见上文)。在网关控制器中引入的这种新的处理阶段的主要优点是，该阶段可以被描述为以普通方式合成的标准处理，而不是合成不同类型的控制器，每种控制器都取决于网关控制器的入口端口的性质。
基于该想法，提供了设备300。此外，在该设备300的基础上，提出了下一代汽车网关控制器600作为非常灵活、模块化和适应性强的系统。正因为如此，这个概念也被命名为弹性网关控制器600。图6中示出了与本发明的实施例对齐的汽车网关控制器600的架构或高级设计。
图6中所示的网关控制器架构面向利用硬件并行性和流水线策略，基于顺序和超快的入口到出口数据路径，目标是优化每个帧的处理延迟。如图6所示，除了CPU交互之外，汽车网关控制器600的功能架构可以在第一抽象级别上通过专用和可重新配置的粗粒度功能块被分解成在HW中部署的一系列处理阶段，从而产生从入口端口到出口端口的帧的数据路径：
■帧规范化(例如，由图6所示的设备300实现)
■入口排队
■过滤和监管
■中间排队和交叉(crossbar)交换
■网关
■交叉交换和出口排队
■流量整形
下面详细介绍了构成图6中网关完整数据路径的主要HW块中嵌入的功能：
■帧规范化：设备300负责对入口帧302进行规范化，使得它在内部被视为OSI层2标准帧(规范化帧393)，而不考虑其网络性质或协议(例如LIN、CAN 2.0、CAN-FD、FlexRay、100BaseT1、1000BaseT1、另见上文)，即，是在一组数据字段中组织的简单比特流。每个字段都可以有特定的含义。因此，基于设备300的这个功能块能够通过将其解释为一系列数据字段或字来处理任何类型的入口帧302，其具有取决于基于其网络和/或协议类型的内部编码的特定含义。这种编码可以由系统的主机CPU执行，例如，如图6所示，通过写入分配在帧规范化器外设中的一组可配置寄存器来执行。
■入口排队：FIFO存储器可用作帧规范化阶段(设备300)与下一个处理阶段之间的缓冲。从架构的角度来看，这可以支持创建两个不同的时钟域或以不同速度和内部总线大小运行的处理阶段，从而控制每个处理阶段的带宽和吞吐量。
■过滤和监管：该块可用于在入口帧302上执行过滤、分类和监控动作，基本上基于帧302的报头和有效载荷的基于规则的匹配引擎。该匹配过程可以在网关控制器中执行的许多操作中共享：从访问控制列表(access control list，ACL)等帧过滤到执行安全状态防火墙和具有正则表达式搜索的入侵检测系统。
■中间排队：FIFO存储器可用作过滤和监管阶段与下一个处理阶段之间的缓冲。从架构的角度来看，这可以支持创建两个不同的时钟域或以不同速度和内部总线大小运行的处理阶段，从而控制每个处理阶段的带宽和吞吐量。
■网关：该块可用于执行网关ECU的大多数网关动作，仅用于执行与在上一个过滤和监管阶段执行的匹配相关的动作，从时间敏感网络(time sensitive network，TSN)标准，到路由/转发动作、帧生成器或帧的封装/聚合和网关/隧道等。
■出口排队：FIFO存储器可用作网关阶段与下一个处理阶段之间的缓冲。从架构的角度来看，这可以支持创建两个不同的时钟域或以不同速度和内部总线大小运行的处理阶段，从而控制每个处理阶段的带宽和吞吐量。
■流量整形：该块可以负责根据不同的策略或优先级(时间感知整形、基于信用的整形、帧抢占等)对出口帧进行仲裁和调度。
图6中所示的数据路径和功能集作为构成任何OEM可能需要的任何可扩展汽车网关所需的正确构建块提出。
为了标准化网关控制器600的不同内部阶段的计算，可以通过在每个处理阶段中定义和处理命令或指令来使用新网关处理协议。该指令的格式可以基于控制帧(或指令帧801，见图8和图9)，该控制帧可以由分布在报头901、有效载荷902和报尾903的指令帧字段组成，并且从一个构建块转移到数据路径中的下一个构建块。报头901可以收集指令的全局信息，而有效载荷902可以参考与每个处理阶段相关的指令的特定参数。最后，指令帧801的报尾903可以通过例如CRC或CS计算提供指令帧801的完整性校验。这种方法兼容SDN概念，其中，网络处理划分到控制平面和数据平面。
上面的解释是例如在汽车网关控制器中由设备300实现的异构网络帧的规范化策略的基础。图7示出了规范化帧303。在概念层面上，无论网络入口帧302如何，都可以被视为在特定数量的不同大小的字段中组织的比特流，每个字段在应用层面具有不同的和特定的含义，并沿着数据入口帧302分布在不同的位置。该抽象步骤可以为规范化提供基础。
类似地，图7中所示的规范化帧303也可以包括字段701，其可以分布在报头702、有效载荷703(其可以包括入口帧302)和报尾704上。每个字段701可以通过字段索引或偏移参数和字段大小参数来参数化。从规范化帧303的这个新角度来看，任何入口帧302都可以由设备300，然后由网关控制器600，以独立于其原始性质的标准化方式管理。
重要的是在此强调，可以通过以可配置寄存器805的方式向设备300提供一组参数来实现这种规范化(见图8)，可配置寄存器805可以在HW外设内部被实例化，以支持系统架构师或开发者配置设备300的每个入口端口601(以及相应地，网关控制器601的入口端口，见图6)。每个入口端口601可用于根据帧格式集中包括的多种帧格式的特定协议接收特定帧格式的一个或多个入口帧302。
如图6所示，设备300可以是网关控制器的第一处理阶段。图8示出了根据本发明的实施例的设备300。图8的设备300建立在图3所示的设备300的基础之上。相同的元素用相同的附图标记来标记，并可以以相同的方式实现。
具体地，图8示出了设备300的可能的微架构。设备300的设计可以遵循SDN方法，其中，来自入口端口601的入口帧302在数据平面804中作为数据帧802处理，由该入口帧302的元数据组成的指令帧801在控制平面803中处理。
如图8所示，设备300(其处理电路301)可以包括一组寄存器805。该组寄存器805可配置有一组参数，用于将一个或多个入口端口601中的每一个入口端口601与一个或多个网络特征和/或协议相关联，一个或多个网络特征和/或协议相关联要应用于在该入口端口601处接收的一个或多个入口帧302，具体地，是为了规范化入口帧302。
此外，设备300(其处理电路301)还可以包括用于每个入口端口601的FIFO 806。每个FIFO 806可用于接收和转发在该入口端口601处接收的一个或多个入口帧302的比特。设备300用于将在入口端口601处接收的入口帧302相关的数据帧802写入或存储在数据平面804中的FIFO 806中，同时根据入口帧302的元数据生成控制平面803中的指令帧801。
设备300(其处理电路301)还可以包括指令生成器807，其用于为每个相应入口帧302构建指令帧801。指令帧801可以根据相应入口帧302和入口端口601的参数集(配置在寄存器805中)构建，其中，接收相应入口帧302。
附加地，设备300可以用于读取存储在FIFO 806中的数据帧802，同时读取指令帧801，使得两个帧801、802同步向前移动到设备300(或网关控制器600)的下一个或多个处理阶段。
图9示出了设备300使用的示例性指令帧801。指令帧801包括报头901、有效载荷902和报尾903。指令帧801的有效载荷902包括指令904，指令904指示如何在处理电路301或网关控制器600的一个或多个处理阶段中的每一个处理阶段中处理数据帧802(见图6)。
指令帧801的报头901和有效载荷902可以包括以下中的一个或多个：接收相应入口帧302的端口号或ID；与相应入口帧302相关的网络类型或协议；帧时间戳；帧长度；帧优先级；每个时钟的规范化帧的比特数；匹配计数器；要在入口帧302上执行的网关命令或动作。
指令帧801的报尾903可以包括指令904的CRC、指令904的CS或指令904的PB。这可以提供应用于整个指令帧801的完整性校验机制。
在网关控制器600中，内部指令帧801可以通过控制总线处理，并且并行地和同步地通过网关控制器600的不同模块化处理阶段移动到图6中的每个网络帧。指令94可以服从通过图9中详细说明的数据字段定义的新的内部网关处理协议。
图10示出了来自入口帧302的指令帧801的组成。入口帧302包括报头、有效载荷和报尾。规范化帧303还可以包括报头702、有效载荷703和报尾704，如图7所示。规范化帧303可以区分为数据平面803中的数据帧802和控制平面804中的指令帧801。指令帧801可以根据相应入口帧302和入口端口601的参数集构建，其中，接收相应入口帧302。
图11、图12和图13示出了PDU规范化器引擎(设备300)及其可配置参数集的示例。
具体地，图11示出了PDU规范化器引擎(类似于图8中所示的设备300，但更详细)，在控制平面803(在指令帧801上)和数据平面804(在数据帧802上)中操作。PDU规范化器引擎包括一个或多个配置寄存器805，其中，参数可以设置为配置一个或多个入口端口601中的每一个入口端口601。为此，寄存器805可以连接到主机CPU。在每个入口端口601处，可以处理特定帧格式。也就是说，接收特定帧格式的入口帧302。PDU规范化器引擎还包括FIFO806，以移动与入口帧302相关的数据帧802。
图12示出了作为设备300执行的规范化过程的一部分的指令生成。指令生成器807负责填充链接到每个入口帧302的指令帧801的所有字段。分配在报头901、有效载荷902和报尾903中的指令904的每个字段可以由来自由架构师/程序员设置的配置寄存器805的直接数据填充，或者由指令生成器807的HW块基于通过入口端口601接收的数据帧802在运行时(动态)计算。
图13示出了PDU规范化器引擎的示例性存储器映射，具体地，以特定大小的字组织的PDU规范化器引擎的一组可配置寄存器805。每个可配置寄存器805描述一组参数，该组参数配置PDU规范化器引擎的物理几何形状(例如总线大小、FIFO大小等)和行为(例如填充、完整性校验等)。
图14示出了根据本发明的实施例的方法1400。方法1400可以由设备300或网关控制器600执行。在任何情况下，方法1400适用于UE(例如车辆)的网关控制器600。方法1400包括步骤1401：接收由比特组成的一个或多个入口帧302，其中，每个入口帧302具有包括在帧格式集中的多种帧格式A、B、C中的一种帧格式。此外，方法1400包括步骤1402：将每个入口帧302转换1402为由比特组成的规范化帧303，其中，每个规范化帧303具有规范化帧格式N。
总之，本发明提出了一种基于设备300的新方法，以构建物理网关ECU，该物理网关ECU通过这些功能的HW/SW共同设计嵌入用户所需和指定的功能集。类似地，该功能的一部分可以在SW中实现，以在CPU上运行，并且另一部分可以在HW中以协处理器、外设或HW引擎互连到集成了完整网关ECU应用程序的片上系统或微控制器的方式合成，如图6所示。对于该目标，由设备300执行的帧规范化是该过程的新颖的和关键的阶段。
已经结合作为示例的各种实施例以及实现方式描述了本发明。但本领域技术人员通过实践所要求保护的事项，研究附图、本发明以及独立权利要求，能够理解并获得其它变体。在权利要求书以及说明书中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，且“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可满足权利要求书中所列举的若干实体或项目的功能。在互不相同的从属权利要求中列举一些措施并不表示这些措施的组合不能用于有益的实现方式。
Claims (17)
1.一种用于用户设备的网关控制器(600)的设备(300)，其特征在于，所述设备(300)包括处理电路(301)，所述处理电路(301)用于：
接收由比特组成的一个或多个入口帧(302)，其中，每个入口帧(302)具有包括在帧格式集中的多种帧格式(A、B、C)中的一种帧格式；
将每个入口帧(302)转换为由比特组成的规范化帧(303)，其中，每个规范化帧(303)具有规范化帧格式(N)。
2.根据权利要求1所述的设备(300)，其特征在于，所述帧格式集包括根据以下协议的一种或多种帧格式(A、B、C)：
-控制器局域网(controller area network，CAN)(102)；
-CAN灵活数据速率(103)；
-CAN XL(104)；
-本地互连网络(101)；
-FlexRay(105)；
-面向媒体的系统传输；
-以太网(106)；
-移动行业处理器接口；
-摄像机串行接口2。
3.根据权利要求1或2所述的设备(300)，其特征在于，每个规范化帧(303)包括多个字段(701)，其中，每个字段(701)由字段索引或偏移参数和字段大小参数参数化。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(300)，其特征在于，每个规范化帧(303)包括报头(702)、有效载荷(703)和报尾(704)，每个规范化帧(303)的所述有效载荷(703)包括所述相应入口帧(302)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备(300)，其特征在于，每个规范化帧(303)包括控制平面(803)中的指令帧(801)和数据平面(804)中的数据帧(802)，其中，所述数据帧(802)包括所述相应入口帧(302)。
6.根据权利要求5所述的设备(300)，其特征在于，所述指令帧(801)包括报头(901)、有效载荷(902)和报尾(903)，并且所述指令帧(801)的所述有效载荷(902)包括指示如何在所述处理电路(301)的一个或多个处理阶段中的每一个处理阶段中处理所述数据帧(802)的指令(904)。
7.根据权利要求6所述的设备(300)，其特征在于，所述指令帧(801)包括所述指令(904)的长度(905)和所述指令(904)的一个或多个参数(906)作为所述相应数据帧(802)的元数据。
8.根据权利要求6或7所述的设备(300)，其特征在于，所述指令帧的所述报头(901)和所述有效载荷(902)包括以下中的一个或多个：
-接收所述相应入口帧(302)的端口号或ID；
-与所述相应入口帧(302)相关的网络类型或协议；
-帧时间戳；
-帧长度；
-帧优先级；
-每个时钟的所述规范化帧的比特数；
-匹配计数器；
-要在所述入口帧(302)上执行的网关命令或动作。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的设备(300)，其特征在于，所述指令帧(801)的所述报尾(903)包括所述指令(904)的循环冗余校验(cyclic redundancy check，CRC)或所述指令(904)的校验和(checksum，CS)或所述指令(904)的奇偶校验比特(parity bit，PB)，作为应用于整个指令帧(801)的完整性校验机制。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备(300)，其特征在于，所述处理电路(301)包括一个或多个入口端口(601)，每个入口端口(601)用于根据包括在所述帧格式集中的所述多种帧格式(A、B、C)的特定协议接收特定帧格式(A、B、C)的一个或多个入口帧(302)。
11.根据权利要求10所述的设备(300)，其特征在于，所述处理电路(301)还包括一组寄存器(805)，并且所述一组寄存器(805)可配置有一组参数，用于将所述一个或多个入口端口(601)中的每一个入口端口(601)与一个或多个网络特征和/或协议相关联，所述一个或多个网络特征和/或协议要应用于在所述入口端口(601)处接收的所述一个或多个入口帧(302)，以规范化所述入口帧(302)。
12.根据权利要求10或11所述的设备(300)，其特征在于，所述处理电路(301)还包括用于每个所述入口端口(601)的先进先出(first-in first-out，FIFO)(806)，并且每个FIFO(806)用于接收和转发在所述入口端口(601)处接收的所述一个或多个入口帧(302)的比特。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的设备(300)，其特征在于，所述处理电路(301)还包括指令生成器(807)，所述指令生成器(807)用于为每个相应入口帧(302)构建所述指令帧(801)，其中，所述指令帧(801)基于所述相应入口帧(302)和接收所述相应入口帧(302)的所述入口端口(601)的所述参数集构建。
14.根据权利要求10至13所述的设备(300)，其特征在于，所述处理电路(301)还用于将在所述入口端口(602)处接收的所述数据帧(802)写入或存储在所述数据平面(804)中的所述FIFO(806)中，同时在所述控制平面(803)中生成所述指令帧(801)。
15.根据权利要求16所述的设备(300)，其特征在于，所述处理电路(301)还用于从所述FIFO(806)读取存储在所述数据平面(804)中的所述FIFO(806)中的数据帧(802)，同时从所述控制平面(803)读取所述指令帧(801)，使得两个帧(801、802)同步向前移动到所述处理电路(301)的下一个或多个处理阶段。
16.一种用于用户设备的网关控制器(600)的方法(1400)，其特征在于，所述方法(1400)包括：
接收(1401)由比特组成的一个或多个入口帧(302)，其中，每个入口帧(302)具有包括在帧格式集中的多种帧格式(A、B、C)中的一种帧格式；
将每个入口帧(302)转换(1402)为由比特组成的规范化帧(303)，其中，每个规范化帧(303)具有规范化帧格式(N)。
17.一种计算机程序，其特征在于，包括程序代码，所述程序代码在处理器上运行时执行根据权利要求18所述的方法(1400)。
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