CN204808310U - 动态可重构总线监听系统中的通道健康状态记录装置 - Google Patents

Abstract

一种动态可重构总线监听系统中的通道健康状态记录装置，其特征在于：包括通道检测识别模块、行列映射模块、三维通道表存储器、通道数据组织模块和通信数据缓冲存储器，采用行节点、列节点及通道三个维度的通道健康状态存储表格实现对动态可重构总线上所有节点两两之间的通道健康状态的存储与管理。

Description

动态可重构总线监听系统中的通道健康状态记录装置

技术领域

本实用新型涉及一种嵌入式系统总线监听系统中通道健康状态记录装置，尤其涉及一种动态可重构总线中的通道健康状态记录装置。

背景技术

动态可重构总线(UM-BUS)是针对高可靠嵌入式应用场合所定义的一种基于M-LVDS的总线型拓扑结构的高速串行总线，如图1所示，采用总线型拓扑结构，支持多节点直接互连，最多可使用32条通道并发传输数据。如果某些通道出现故障，总线控制器可实时地检测出来，将数据动态分配到剩余有效的通道上进行传输，实现动态重构，对通信故障进行动态容错。

UM-BUS总线的通信协议模型如图2所示，从上到下依次为处理层、数据链路层、物理层。其中处理层负责对整个总线的管理、协议封装和对上层应用接口的转换。数据链路层又分为传输子层和MAC子层两部分，传输子层根据现存的有效线路对数据进行分组和动态重构。有效线路的信息由MAC子层通过链路检测提供。物理层是协议的最底层，它为数据通信提供传输媒体及互连设备，实现了网络的物理连接，完成了串并转换、8b/10b编解码、时钟同步等功能，为总线提供可靠的通信基础。

UM-BUS总线采用主从命令应答的通信模式，通过数据包的形式进行信息交互。总线上的节点按功能不同可划分为主节点、从节点及监视节点，一次通信过程只能由主节点发起并且由从节点响应，监视节点用于监视总线上的通信过程。如图3所示，数据通信时，在发送端，处理层从上层接口获得数据并存储到数据缓冲区，在传输子层根据MAC子层提供的有效线路信息将数据包动态均衡地分配到有效通道上，在物理层将分组数据包装后，经8b/10b编码成比特流发送到链路上。在接收端，物理层将收到的数据进行时钟同步、8b/10b解码、串并转换后，将通道数据解包，然后在传输子层根据MAC子层提供的有效线路信息将数据进行动态组织并存储在数据缓冲区，最后由处理层交给应用层处理。

UM-BUS总线采用“命令-应答-确认”三段式通道故障检测算法，在复位后或出现故障时，由主节点启动对从节点进行总线通道健康状态检测过程。如图4所示，通道检测过程从时间上分为三个阶段：①检测命令发送阶段，主节点从所有总线通道上向被检测的从节点发送检测命令包，启动通道检测过程；②检测状态应答阶段，被检测的从节点从所有收到检测命令的总线通道上，向发起检测的主节点回送检测应答包；③检测结果确认阶段，主节点再从所有收到检测应答包的通道上，向被检测的从节点发送检测确认包。对于主节点，能够收到检测应答包的通道是健康通道；对于从节点，能够收到检测确认包的通道是健康通道。在规定时间内主节点没有收到从节点的检测应答包，或从节点没有收到主节点的检测确认包，均认为检测过程超时，通道不可用。通道检测完成后，参与检测过程的主、从两个节点依据检测信息包接收情况分别更新各自的通道健康状态表。

UM-BUS总线主、从节点中的健康状态管理基于节点到节点的通信要求，采用如表1的二维表格方式，可以向传输子层提供本节点与任何一个节点之间的通道可用情况。表1中，每行对应一个总线节点，表示它与本节点之间的通道可用情况，每列对应一个通信通道，存储通道的健康状态X，X为0表示通道不可用，为1表示通道可用。

表1节点的通道健康状态表

UM-BUS总线监视节点按图1所示的拓扑结构挂接总线上，对总线上的通信、检测等活动进行监听记录，并将记录的总线活动信息传送给后台处理器进行分类、分析，使得总线使用者能够全面地掌握总线各节点设备的工作情况，方便总线应用系统的调试与问题分析。总线监视节点只对总线上的活动进行监听记录，不能向总线发送信息。总线监视节点的核心由一个总线监听系统构成，其功能是对总线上所有通道进行监听，采集记录总线上各种通信过程、检测过程及其它活动过程的命令、状态、数据及时间等通信信息及工作状态数据。

总线监听系统在工作过程中，需要依据对总线通道的监听结果，按照总线通信过程涉及的主、从节点之间的通道健康状态表，对总线通道上的通信数据进行组织，提取原始的通信数据包，对通信命令、状态及数据等进行记录。要完成总线通道数据组织，总线监听系统就必须能够获得通信双方节点间的通道健康状态表，但总线监听系统无法在监听过程中从通信过程涉及的主、从节点上取得它们各自的通道健康状态信息。这就要求总线监听系统能够对总线通道检测过程进行监听，根据监听结果，自行建立总线上各节点之间的通道健康状态存储表格，对总线通道健康状态进行记录，供监听过程中恢复总线通信信息包时使用。同时，由于UM-BUS总线的通道健康状态是基于节点到节点的，这使得总线监听系统中无法使用主、从通信节点中的二维通道健康状态表格形式，否则，无法满足监听系统对任意两个通信节点间通信信息包进行监听组织的需求。

发明内容

本实用新型的目的在于设计一种动态可重构总线监听系统中总线节点间通道健康状态记录装置，能够对动态可重构总线上所有节点之间的通道健康状态进行记录，并能够在总线通信过程监听时用于通信信息包的数据组织与恢复。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

一种动态可重构总线监听系统的通道健康状态记录装置，其特征在于：所述通道健康状态记录装置包括通道检测识别模块、行列映射模块、三维通道表存储器、通道数据组织模块和通信数据缓冲存储器。

进一步地，所述通道检测识别模块用于对动态可重构总线的通道检测过程进行监视，当监视到一次通道检测过程时，根据监视到的检测信息包生成通道检测的源节点号、目标节点号、通道健康状态字以及通道检测完成信号并送给行列映射模块。

进一步地，所述行列映射模块用于生成三维通道表存储器的访问地址与控制信号，当收到通道检测识别模块送来的通道检测完成信号时，将通道检测识别模块送来的源节点号作为左口的行节点地址，目标节点号作为左口的列节点地址，把通道健康状态字从左口写入三维通道表存储器；将通道检测识别模块送来的目标节点号作为右口的行节点地址，源节点号作为右口的列节点地址，把通道健康状态字同时从右口写入三维通道表存储器。

进一步地，所述三维通道表存储器是一个双端口存储器，用来存储动态可重构总线上所有节点两两之间的通道健康状态，其左、右两个端口的有效数据宽度与动态可重构总线的通道数量相同，左、右端口的有效地址位等分为行节点地址与列节点地址两部分，每个数据字代表了对应的行节点与列节点之间的通道健康状态，每一位对应动态可重构总线的一个通道，构成行节点、列节点及通道三个维度的通道健康状态存储表格。

进一步地，所述通信数据缓冲存储器用于在动态可重构总线监听系统中存储监听到的总线通信信息和总线检测信息。

进一步地，所述通道数据组织模块用于对动态可重构总线进行监听，每当监听到一次总线通信过程时，将监听到的通信信息包的源节点号、目标节点号送给行列映射模块，行列映射模块将该源节点号与目标节点号作为行节点地址与列节点地址，从三维通道表存储器的任一个端口读取通道健康状态字，送给通道数据组织模块；通道数据组织模块依据该通道健康状态字从可用的总线通道上读取通信数据，组成通信信息包，附加包括时间码在内的信息后，存储到通信数据缓冲存储器中。

进一步地，所述通道检测识别模块还用于在监视到一次通道检测过程时，将检测信息与包括时间码在内的信息一起组成检测信息包，存储到通信数据缓冲存储器中。

本实用新型实现的动态可重构总线监听系统中的通道健康状态记录装置解决了动态可重构总线监听系统对总线节点两两之间的通道健康状态的采集、记录与使用问题，为监听系统对总线通信活动进行实时、完整的监听记录提供了技术保障。

附图说明

图1是UM-BUS总线的拓扑结构图；

图2是UM-BUS总线协议层次模型图；

图3是UM-BUS总线数据传输过程与数据通路示意图；

图4是UM-BUS总线通道故障检测方法示意图；

图5是动态可重构总线监听系统中的通道健康状态记录装置结构图；

图6是通道健康状态三维存储空间示意图。

具体实施方式

如图1所示，动态可重构总线(UM-BUS)采用基于M-LVDS的多通道智能动态冗余的总线型拓扑结构，支持最多30个通信节点直接互连，节点编号为1～30，编号0和31保留；使用最多32条通道并发传输数据，各通道编号为0～31；两个节点通信时，如果某一通道出现故障，可通过通道动态冗余及故障重构技术自动屏蔽故障通道，只在健康通道上进行数据交换。

UM-BUS采用主从应答方式，在节点间以数据包的形式交互信息。总线上的节点按功能不同可划分为主节点、从节点及监视节点。一次通信过程只能由主节点通过向从节点发送命令包来启动，由从节点回送响应包结束。监视节点用于监视总线上的通信过程。

如图3所示，数据通信时，在发送端，处理层从上层接口获得数据并存储到数据缓冲区，在传输子层根据MAC子层提供的有效线路信息将数据包动态均衡地分配到有效通道上，在物理层将分组数据包装后经8b/10b编码成比特流发送到链路上。在接收端，物理层将收到的数据进行时钟同步、8b/10b解码、串并转换后将通道数据解包，然后在传输子层根据MAC子层提供的通道健康状态信息，将所有有效通道上的数据进行动态组织，构成通信数据包(命令包或响应包)，并存储在数据缓冲区，最后由处理层交给应用层处理。

在复位后，UM-BUS总线上的所有主节点会轮流采用“命令-应答-确认”三段式通道故障检测算法，对总线其它所有节点逐一进行通道健康状态检测。如图4所示，通道检测过程从时间上分为三个阶段：①检测命令发送阶段，主节点从所有总线通道上向被检测的从节点发送检测命令包，启动通道检测过程；②检测状态应答阶段，被检测的从节点从所有收到检测命令的总线通道上，向发起检测的主节点回送检测应答包；③检测结果确认阶段，主节点再从所有收到检测应答包的通道上，向被检测的从节点发送检测确认包。对于主节点，能够收到检测应答包的通道是健康通道；对于从节点，能够收到检测确认包的通道是健康通道。在规定时间内主节点没有收到从节点的检测应答包，或从节点没有收到主节点的检测确认包，均认为检测过程超时，通道为故障通道，不可用。通道检测完成后，参与检测过程的主、从两个节点依据检测信息包接收情况分别更新各自的通道健康状态表。

UM-BUS总线监视节点挂接在总线上，对总线上的通信、检测等活动进行监听记录，并将记录的总线活动信息传送给后台处理器进行分类、分析。总线监视节点只对总线上的活动进行监听记录，不能向总线发送信息。总线监视节点通常由总线监听系统、通信数据缓冲存储器、传输控制模块及后台处理计算机组成。总线监听系统负责对总线上所有通道进行监听，采集总线上各种通信过程、检测过程及其它活动过程的命令、状态、数据及时间等通信信息及工作状态数据，将这些信息记录到通信数据缓冲存储器中。传输控制模块在后台处理计算机的控制下将通信数据缓冲存储器中的记录数据传输给后台处理计算机。后台处理计算机完成对监听数据的分类分析与存储，供用户使用。

总线监听系统是总线监视节点的核心组成部分，通常也采用图3所示的组织结构，但只实现从物理通道到处理层的单向数据通路。由物理层接收通道数据流，进行时钟同步、8b/10b解码、串并转换后，将通道数据解包，然后在传输子层根据MAC子层提供的通道健康状态信息，将所有有效通道上的数据进行动态组织，构成通信数据包(命令包或响应包)，并存储在数据缓冲子层的数据缓冲区，最后由处理层将通信数据包与时间码等其它信息一起写入通信数据缓冲存储器，等待传送给后台处理计算机。

基于上述UM-BUS总线及总线监视节点的工作原理，本实用新型的通道健康状态记录装置的一种具体实施方式如下：

在总线监听系统中设置如图5所示的一个通道健康状态记录装置，包括通道检测识别模块、行列映射模块、三维通道表存储器、通道数据组织模块和通信数据缓冲存储器。通道检测识别模块在MAC子层监视总线上的通道检测过程，生成通道检测的源节点号、目标节点号及通道健康状态字。行列映射模块根据通道检测识别模块和通道数据组织模块的请求对三维通道表存储器进行读写。通道数据组织模块是传输子层、数据缓冲子层及处理层的具体实现，负责总线通信数据包的动态组织与传输控制。通信数据缓冲存储器用于在动态可重构总线监听系统中存储监听到的总线通信信息和总线检测信息，后台处理器需要时，会从通信数据缓冲存储器取走这些监听到的总线活动信息。

三维通道表存储器是一个双端口存储器，用来存储动态可重构总线上所有节点两两之间的通道健康状态。如图5所示，三维通道表存储器左、右两个端口的有效数据宽度与动态可重构总线的通道数量相同，左、右端口的有效地址位等分为行节点地址与列节点地址两部分，每个数据字代表了对应的行节点与列节点之间的通道健康状态，每一位对应动态可重构总线的一个通道，构成行节点、列节点及通道三个维度的通道健康状态存储表格。

通道健康状态记录装置采用如下方法和步骤获取和记录总线上所有节点两两之间的通道健康状态，供传输子层动态组织通信数据包时使用：

(1)通道检测识别模块在MAC子层中，对各个通道MAC模块(MAC1～MAC32)输出的通道数据包进行实时监测，发现检测信息包(检测命令包、检测应答包或检测确认包)时，进入通道检测过程的相应阶段，并启动定时器开始总线通道检测过程跟踪，从检测信息包中提取通道检测的源节点号与目标节点号。总线通道检测结果确认阶段定时结束时，通道检测识别模块根据各通道是否监测到检测确认包来确定其健康状态，组成本次通道检测的通道健康状态字，能够监测到检测确认包的通道均为可用的健康通道，否则为故障通道。完成总线通道检测过程的跟踪后，通道检测识别模块把本次检测的源节点号、目标节点号和通道健康状态字送给行列映射模块，并生成一个通道检测完成信号通知行列映射模块一次通道检测过程的完成，请求行列映射模块将通道健康状态字写入三维通道表存储器。通道检测识别模块在通道检测完成时，还需要将检测信息(包括源节点号、目标节点号、通道健康状态字、三种检测信息包监测情况等)与时间码等其它信息一起组成检测信息包，写入通信数据缓冲存储器中。

(2)行列映射模块收到通道检测识别模块送来的通道检测完成信号时，将通道检测识别模块送来的源节点号作为左口的行节点地址，目标节点号作为左口的列节点地址，把通道健康状态字从左口写入三维通道表存储器；同时将通道检测识别模块送来的目标节点号作为右口的行节点地址，源节点号作为右口的列节点地址，把通道健康状态字从右口也写入三维通道表存储器。

(3)通道数据组织模块通过对各个通道MAC模块(MAC1～MAC32)输出的通道数据包进行实时监测，实现对动态可重构总线的监听。每当通道MAC模块收到一个数据包时，如果是通信信息包的一部分，通道数据组织模块认为监听到一次总线通信活动，根据总线通信协议，从通道数据包中提取本次总线通信活动的源节点号和目标节点号送给行列映射模块。行列映射模块将该源节点号与目标节点号作为左口的行节点地址与列节点地址，从三维通道表存储器左口读出通道健康状态字，送给通道数据组织模块。之后，通道数据组织模块依据该通道健康状态字从可用的总线通道上读取通信数据，组成通信信息包，附加时间码等其它信息后，存储到通信数据缓冲存储器中。

表2三维通道表存储器总线通道健康状态的存储形式

本实施例中，UM-BUS总线支持30个通信节点和32条总线通道，包括0和31两个保留节点，共32个节点，节点号和通道号均需要用5位二进制数表示。为了存储所有节点两两之间的通道健康状态，三维通道表存储器采用1024字的32位双端口存储器。三维通道表存储器中总线通道健康状态的存储形式如表2所示，行节点维和列节点维各占5位，构成三维通道表存储器的10位访问地址。三维通道表存储器每个32位字按位对应一个物理通道，存储通道的健康状态X，X为0时表示通道故障不可用，为1时表示通道为健康可用的状态。

在通道数据组织模块读取通道健康状态字时，将源节点号作为行节点维地址，目标节点号作为列节点维地址，即可读取源节点到目标节点发送通信数据包时的通道健康状态字。此时，三维通道表存储器中每一位就构成了如图6所示的三维访问空间，可以给出两个通信节点间任意一个通道的健康状态。图6中，M(2，30，6)＝1表示三维通道表存储器中节点2到节点30通信时第6个通道的健康状态为健康可用，M(3，4，4)＝1表示节点3到节点4通信时第4个通道的健康状态为健康可用。

按照UM-BUS总线协议，总线通信过程由主节点发送通信命令包启动，从节点发送通信响应包结束，任何时刻，总线上只能传送一个通信数据包。因此在监听过程中，通道数据组织模块只会从三维通道表存储器中读取源节点到目标节点的通道健康状态字，从三维通道表存储器的一个端口进行访问即可。但是，由于在通信过程中，主、从节点都会作为源节点向对方发送通信数据包，因此，三维通道表存储器必须能够提供任意一个节点作为源节点到其它节点的通道健康状态。

然而，按照UM-BUS总线协议，UM-BUS总线检测过程只能由主节点启动，即通道检测过程中的源节点只能是发起检测的主节点，目标节点则是被检测的节点。这样从节点就不可能作为检测过程中的源节点出现，不作特别处理，就无法在三维通道表存储器中建立从节点作为源节点时的通道健康状态字，导致无法监听从节点发出的通信响应包。考虑以下两个问题：1)UM-BUS总线中不存在从节点到从节点和节点到自己的通信过程；2)总线通道检测过程中，对主、从节点的双向通道都进行了检测，所以主节点到从节点的通道健康状态与从节点到主节点的通道健康状态是一致的。因此，对三维通道表存储器的通道健康状态的存储做以下处理：

(1)在监视到一次检测过程结束时，行列映射模块通过源节点号与目标节点号在左、右端口的行节点号和列节点号的不同对应关系，从左、右两个端口将通道健康状态字对称地写入三维通道表存储器中相应的两个位置。

(2)在复位时，将三维通道表存储器的所有位均写入0。这样，总线检测过程全部结束后，主节点到其它节点和从节点到主节点之间的通道健康状态字均会在检测过程中写入实际的通道健康状态字，而各个从节点到其它从节点及各节点到自己的通道健康状态字会保持为全0。

本实用新型实现的动态可重构总线监听系统中的通道健康状态记录装置，解决了动态可重构总线监听系统中，总线各节点之间通道健康状态获取、记录及使用的问题，实现了对动态可重构总线通信活动的正确监听。

在不脱离本实用新型精神的范围内，本实用新型可以具有多种变形，如：总线支持的节点数量、通道数量、节点与通道的编号方式等，均可在不同的实施中改变。这些变形也包含在本实用新型所要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种动态可重构总线监听系统中的通道健康状态记录装置，其特征在于：所述通道健康状态记录装置包括通道检测识别模块、行列映射模块、三维通道表存储器、通道数据组织模块和通信数据缓冲存储器。

2.根据权利要求1所述的通道健康状态记录装置，其特征在于：所述通道检测识别模块用于对动态可重构总线的通道检测过程进行监视，当监视到一次通道检测过程时，根据监视到的检测信息包生成通道检测的源节点号、目标节点号、通道健康状态字以及生成通道检测完成信号并送给行列映射模块。

3.根据权利要求1所述的通道健康状态记录装置，其特征在于：所述行列映射模块用于生成三维通道表存储器的访问地址与控制信号，当收到通道检测识别模块送来的通道检测完成信号时，将通道检测识别模块送来的源节点号作为左口的行节点地址，目标节点号作为左口的列节点地址，把通道健康状态字从左口写入三维通道表存储器；将通道检测识别模块送来的目标节点号作为右口的行节点地址，源节点号作为右口的列节点地址，把通道健康状态字同时从右口写入三维通道表存储器。

4.根据权利要求1所述的通道健康状态记录装置，其特征在于：所述三维通道表存储器是一个双端口存储器，用来存储动态可重构总线上所有节点两两之间的通道健康状态，其左、右两个端口的有效数据宽度与动态可重构总线的通道数量相同，左、右端口的有效地址位等分为行节点地址与列节点地址两部分，每个数据字代表了对应的行节点与列节点之间的通道健康状态，每一位对应动态可重构总线的一个通道，构成行节点、列节点及通道三个维度的通道健康状态存储表格。

5.根据权利要求1所述的通道健康状态记录装置，其特征在于：所述通信数据缓冲存储器用于在动态可重构总线监听系统中存储监听到的总线通信信息和总线检测信息。

6.根据权利要求1所述的通道健康状态记录装置，其特征在于：所述通道数据组织模块用于对动态可重构总线进行监听，每当监听到一次总线通信过程时，将监听到的通信信息包的源节点号、目标节点号送给行列映射模块，行列映射模块将该源节点号与目标节点号作为行节点地址与列节点地址，从三维通道表存储器的任一个端口读取通道健康状态字，送给通道数据组织模块；通道数据组织模块依据该通道健康状态字从可用的总线通道上读取通信数据，组成通信信息包，附加包括时间码在内的信息后，存储到通信数据缓冲存储器中。

7.根据权利要求2所述的通道健康状态记录装置，其特征在于：所述通道检测识别模块还用于在监视到一次通道检测过程时，将检测信息与包括时间码在内的信息一起组成检测信息包，存储到通信数据缓冲存储器中。