一種基於SOC的工業乙太網協議轉換方法

2024-04-14 13:40:05

一種基於soc的工業乙太網協議轉換方法
技術領域
1.本發明涉及一種基於soc的工業乙太網協議轉換方法，屬於通訊協議轉換技術領域。


背景技術：

2.隨著計算機、通信和網絡技術的發展，乙太網技術在各個領域取得了廣泛的應用，其中將乙太網技術與現場總線相結合，在技術上採用與商業乙太網(即工eee802.3標準)兼容，與工業數據總線結合形成的工業乙太網總線在製造業、交通、樓宇等自動化系統方面具有廣泛的應用前景。工業乙太網總線具備多項優勢，如：乙太網是應用最廣泛的計算機網絡技術，幾乎支持所有程式語言對其進行開發。工業乙太網總線通信速率高，實時性強且種類繁多。同時乙太網網卡的價格相對於現場總線網卡的價格要低很多，極大降低體統整體成本。但隨著人們對於傳統乙太網在與工業應用上的改進，誕生了powerlink、ethercat、 epa、ncuc-bus、ethermac、sercos、ethernetlip、 modbustcp、 profinetsrt、 mechatrolink等這些工業乙太網技術，這些工業乙太網協議都在原有乙太網協議的基礎上進行改進，在數據傳輸方面具有各自獨特的編解碼方式，不同協議具有各自適用的領域和特點。這就導致了當使用多種協議進行協同控制或不同協議交錯傳輸數據進入用戶端時，用戶端需要不斷地根據不同協議對數據進行對應的編解碼，再根據得到的數據進行邏輯操作，一定程度上增加了數據傳輸負擔。


技術實現要素：

3.本發明的目的是提供一種基於soc的工業乙太網協議轉換方法，改變數據傳輸方式，利用fpga並行處理數據的特性，提高數據傳輸速度，最後通過cpu配置將所有接入的乙太網協議轉換提取有效信息並發送至用戶端，能夠顯著減少主機端的工作量，提高傳輸速率，降低工作複雜度。
4.為了實現上述目的，本發明採用的技術方案是：一種基於soc的工業乙太網協議轉換方法，以soc架構為基礎，設計實現工業乙太網協議轉換的新型晶片架構，設計數據幀編/解碼ip，通過修改所述ip的配置參數，實現多種工業乙太網協議數據幀編解碼，通過總線模塊實現數據高速傳輸；包括以下步驟：步驟1：主機端將命令信息以及控制寄存器信息通過pcie模塊發送至控制寄存器模塊進行存儲；步驟2：通過cpu模塊對控制寄存器模塊的輪詢讀取，讀取出控制寄存器模塊中的命令、配置信息，並對其進行解析；步驟3：cpu模塊將解析後的命令、配置信息通過axi控制總線發送到dma模塊和數據幀編/解碼模塊；步驟4：dma模塊和數據幀編/解碼模塊根據控制總線發送的配置信息進行功能調整；
步驟5：當主機發送數據到從機時，主機發送的數據由dma模塊經過axi數據總線發送到數據幀編/解碼模塊，將數據按照協議規範打包成數據幀發送到從機完成數據傳輸；當從機發送數據到主機時，從機將根據協議打包好的數據幀發送至數據幀編/解碼模塊，提取數據幀中有效信息存儲至協議數據緩存模塊；步驟6：當從機發送數據到主機時，dma模塊根據配置信息通過axi數據總線讀取協議數據緩存模塊中的數據，並按主機配置要求調整數據位寬以及傳輸方式；步驟7：dma模塊將轉換後的數據發送至與pcie模塊，通過pcie模塊發送至主機端完成數據傳輸。
5.本發明技術方案的進一步改進在於：所述步驟1的命令信息以及控制寄存器信息包括讀/寫命令操作描述、host端所訪問從機id、訪問協議數據緩存模塊地址、選擇需要轉換協議序號及時鐘復位模塊配置參數。
6.本發明技術方案的進一步改進在於：所述控制寄存器模塊包括兩個部分，一部分為地址信息寄存器，另一部分為命令信息寄存器。
7.本發明技術方案的進一步改進在於：所述步驟2具體操作為：步驟2-1：cpu模塊首先輪詢讀取地址信息寄存器內信息，當cpu判斷前後兩次讀出的同一地址的地址信息寄存器內數據出現差值，判斷得出客戶端訪問地址變換；步驟2-2：cpu模塊採用r5，當r5首先輪詢讀取地址信息寄存器中表示起始地址和結束地址寄存器信息時，當地址數據間的差值發生變換後，開始輪詢讀取命令信息寄存器信息，並對讀取到的信息進行解析；cup模塊將解析完成的命令信息寄存器信息存儲至cpu模塊內掛在r5下的配置信息寄存器中。
8.本發明技術方案的進一步改進在於：所述步驟4具體包括以下步驟：步驟4-1：cpu發送配置信息到dma模塊，所述dma模塊採用雙通道dma，兩通道分別用於主機到從機的寫操作和讀操作；所述dma模塊通過axi數據總線分別連接協議數據緩存模塊和pcie模塊，其功能為將協議數據緩存模塊中的數據取出並轉發到pcie模塊或將所述數據通路反向；所述dma控制器接收cpu下發的配置信息包括源地址、目的地址以及傳輸量，其中傳輸量包括數據總量和數據位寬；dma模塊根據源地址和目的地址區分所要讀取數據的位置和數據轉發位置，通過數據總量以及數據位寬計算出單次axi傳輸所需的突髮長度；dma控制器通過配置信息，以axi接口發出讀寫請求到axi數據總線上，完成cpu對dma模塊的配置，當本次配置所要求的操作完成後，即通過dma模塊上的axi接口收到讀響應或寫響應後，通過數據通路反饋到cpu模塊完成本次配置操作；步驟4-2：cpu發送配置信息到數據幀編/解碼模塊；所述數據幀編/解碼模塊為verilog語言編寫，包括幀編碼模塊、幀解碼模塊和crc校驗模塊；其中，幀解碼模塊負責為數據添加前導碼、目的地址、源地址、數據長度及乙太網類型；幀解碼模塊負責對接收的幀進行解碼操作，識別目的地址和源地址、類識別以及提取協議中傳輸的有效數據；crc校驗模塊包括兩項功能，一是為數據添加crc校驗碼後發送給幀編碼模塊，二是校驗幀解碼模塊發送的數據正確性；cpu的配置信息以參數形式傳遞進入數據幀編/解碼模塊，所述參數內容包括：前導碼位寬，目的地址和源地址位寬，數據包類型位寬，協議數據位寬以及校驗碼位寬；當幀編/解碼模塊確定所接受的數據幀各部分參數後，按位寬對數據幀進行展開；所述解碼模塊將接收到的數據幀展開後獲取的信息包括目的地址、源地址和協議數據，分別
將地址信息和數據存儲在協議數據緩存模塊。
9.本發明技術方案的進一步改進在於：所述步驟5具體包括以下步驟：步驟5-1：當主機發送數據到從機時，經過cpu模塊配置後的dma模塊將所需要發送的數據從與主機連接的pcie模塊取出，在dma模塊內部，根據配置信息調整數據位寬和發送方式後，發送到axi數據總線上，並根據dma模塊發送的地址，找到所對應從機數據幀編/解碼模塊中的crc校驗模塊；數據幀編碼模塊接收到數據後，為數據添加前導碼、目的地址、源地址、數據長度及乙太網類型；數據幀打包完成後發送給從機，完成數據傳輸；步驟5-2：當從機發送數據到主機時，數據幀由從機發送到數據幀解碼模塊，在模塊內部將數據幀拆分成前導碼、目的地址、源地址、數據長度、乙太網類型、有效數據和crc校驗碼；數據幀拆分後經過數據幀接碼模塊中的選擇器進行選擇，將目的地址和源地址存儲在協議數據緩存模塊的地址信息寄存器中，有效數據和crc校驗碼則經過crc校驗模塊比對正確後存儲到協議數據緩存模塊的數據寄存器中。
10.本發明技術方案的進一步改進在於：所述步驟5中，數據幀編/解碼模塊和協議數據緩存模塊能夠根據設計需要在axi數據總線上掛載多個，步驟7中dma模塊能夠根據設計需要在axi數據總線上掛載多個。
11.由於採用了上述技術方案，本發明取得的技術效果有：本發明基於soc架構設計實現工業乙太網協議轉換方法的新型晶片架構。晶片內部兩條axi總線分別實現數據傳輸和控制信息傳輸功能，通過axi總線的握手機制，保證了數據傳輸的準確性；提出根據axi總線所能攜帶的id信息，區分不同工業乙太網協議類型。
12.本發明設計的數據幀編/解碼模塊具有可配置性，通過不同的配置信息，能實現對不同工業乙太網協議數據幀進行編碼和解碼操作，提高晶片使用靈活性。
13.本發明可在axi數據總線上掛載多數據幀編/解碼模塊，從而獲得擴展功能，通過主機端配置實現支持不同工業乙太網協議的從設備間進行數據交互，提高數據傳輸效率。
附圖說明
14.圖1是本發明的整體架構圖；圖2是本發明主機發送數據到從機流程圖；圖3是本發明的控制通路流程圖；圖4是本發明的數據通路流程圖；圖5是本發明的數據幀編/解碼模塊結構圖。
具體實施方式
15.本發明是基於soc晶片架構設計的一種工業乙太網協議轉換方法，整體架構設計參考圖1。通過本發明方法可有效提升主機端與多種不同協議傳輸方式的從機端數據交互速率，並根據發明中使用不同協議時id進行配置，以及axi總線的握手機制保證數據傳輸安全可靠。下面結合附圖及具體實施例對本發明做進一步詳細說明，所述實施例僅用於解釋本發明的實施方式，而不能理解為對本發明實施方式的限制。
16.請參閱圖2，本發明的功能實現：步驟1：主機端經過pcie模塊將通過axi控制總線發送至控制寄存器模塊。所述命
令信息以及控制寄存器信息包括讀/寫命令操作描述、host端所訪問從機id、訪問協議數據緩存模塊地址、選擇需要轉換協議序號及時鐘復位模塊配置參數。
17.步驟2：cpu模塊輪詢讀取控制寄存器模塊內容。
18.步驟2-1：控制寄存器分為兩個部分，一部分為地址信息寄存器，另一部分為命令信息寄存器。cpu首先輪詢讀取地址信息寄存器內信息，當cpu判斷前後兩次讀出的同一地址的地址信息寄存器內數據出現差值，判斷得出客戶端訪問地址變換。
19.步驟2-2：cpu模塊採用第五代銳龍amdryzen處理器（r5）。當r5首先輪詢讀取地址信息寄存器中表示起始地址和結束地址寄存器信息時，當地址數據間的差值發生變換後，開始輪詢讀取命令信息寄存器信息，並對讀取到的信息進行解析，所述命令信息寄存器信息包括：讀/寫命令操作描述、host端所訪問從機id、訪問協議數據緩存模塊地址及選擇需要轉換協議序號。cup模塊將解析完成的命令信息寄存器信息存儲至cpu模塊內掛在r5下的配置信息寄存器中。
20.步驟3：cpu模塊將解析後的命令、配置信息通過axi控制總線分別發送至dma模塊和數據幀編/解碼模塊。cpu模塊首先發送dma模塊配置所需參數，axi協議發送的數據通過dma模塊掛在axi控制總線上所分配的地址找到dma模塊，並將數據發送給dma模塊。當dma模塊初始化配置完成後，cpu模塊再將數據幀編/解碼模塊所需參數通過axi控制總線進行下發，方式與配置dam模塊方法相似。參閱圖3，本發明控制通路實現。
21.步驟4：dma模塊和數據幀編/解碼模塊根據控制總線發送的配置信息進行功能調整。
22.步驟4-1：cpu發送配置信息到dma模塊。本發明中dma模塊採用雙通道dma，兩通道分別用於主機到從機的寫操作和讀操作。所述dma模塊通過axi數據總線分別連接協議數據緩存模塊和pcie模塊，其功能為將協議數據緩存模塊中的數據取出並轉發到pcie模塊或將該數據通路反向。dma控制器接收cpu下發的配置信息包括源地址、目的地址以及傳輸量，其中傳輸量包括數據總量和數據位寬。dma根據源地址和目的地址區分所要讀取數據的位置和數據轉發位置，通過數據總量以及數據位寬計算出單次axi傳輸所需的突髮長度。dma控制器通過配置信息，以axi接口發出讀寫請求到axi數據總線上，完成cpu對dma模塊的配置，當本次配置所要求的操作完成後，即通過dma模塊上的axi接口收到讀響應或寫響應後，通過數據通路反饋到cpu模塊完成本次配置操作。
23.步驟4-2：cpu發送配置信息到數據幀編/解碼模塊。本發明中的數據幀編/解碼模塊為verilog語言編寫，包括幀編碼模塊、幀解碼模塊和crc校驗模塊。其中幀解碼模塊負責為數據添加前導碼、目的地址、源地址、數據長度及乙太網類型。幀解碼模塊負責對接收的幀進行解碼操作，識別目的地址和源地址、類識別以及提取協議中傳輸的有效數據。crc校驗模塊共兩項功能，一是為數據添加crc校驗碼後發送給幀編碼模塊，二是校驗幀解碼模塊發送的數據正確性。cpu的配置信息以參數形式傳遞進入數據幀編/解碼模塊，參數內容包括：前導碼位寬，目的地址和源地址位寬，數據包類型位寬，協議數據位寬以及校驗碼位寬。當幀編/解碼模塊確定所接受的數據幀各部分參數後，按位寬對數據幀進行展開。解碼模塊將接收到的數據幀展開後獲取其主要信息包括目的地址、源地址和協議數據。分別將地址信息和數據存儲在協議數據緩存模塊。
24.步驟5：從機將根據協議打包好的數據幀發送至數據幀編/解碼模塊，提取數據幀
中有效信息存儲至協議數據緩存模塊。或主機將要發送的數據傳輸到數據幀編/解碼模塊，對數據進行編碼處理，打包成符合協議規範的數據幀，發送到從機。幀編/解碼模塊結構參考圖5。
25.步驟5-1：當主機發送數據到從機時，經過cpu模塊配置後的dma模塊將所需要發送的數據從與主機連接的pcie模塊取出，在dma模塊內部，根據配置信息調整數據位寬和發送方式後，發送到axi數據總線上，並根據dma模塊發送的地址，找到所對應從機數據幀編/解碼模塊中的crc校驗模塊。數據幀編碼模塊接收到數據後，為數據添加前導碼、目的地址、源地址、數據長度及乙太網類型。數據幀打包完成後發送給從機，完成數據傳輸。參閱圖4，本發明數據通路實現。
26.步驟5-2：當從機發送數據到主機時，數據幀由從機發送到數據幀解碼模塊，在模塊內部將數據幀拆分成前導碼、目的地址、源地址、數據長度、乙太網類型、有效數據和crc校驗碼。數據幀拆分後經過數據幀接碼模塊中的選擇器進行選擇，將目的地址和源地址存儲在協議數據緩存模塊的地址信息寄存器中，有效數據和crc校驗碼則經過crc校驗模塊比對正確後存儲到協議數據緩存模塊的數據寄存器中。
27.步驟6：dma模塊讀取協議數據緩存模塊信息。當協議數據緩存模塊非空時，會發送給cpu模塊標誌信息，此時cpu模塊配置dma模塊通過axi數據總線依次讀取協議數據緩存模塊中的地址信息寄存器和數據寄存器中的數據，經過dma模塊的位寬轉換組合成新的數據格式。
28.步驟7：dma模塊將轉換完成的數據通過axi數據總線發送到pcie模塊，由pcie模塊將數據發送給主機端完成數據傳輸。
29.本發明提出了一種基於soc晶片架構，設計出可接收不同工業乙太網協議傳輸的數據，並轉換成同種特定數據格式的協議轉換方法。將多種工業乙太網協議傳輸的數據實時分析整合後，根據用戶需求，把接收到的數據幀按直接進行解碼操作提取其中的有效信息。如此，用戶端不需要再次對數據幀進行解碼操作去獲取其中的包含的信息，也可以獲得多種協議所傳輸的數據，極大的減少了主機端的工作量，起到了提高傳輸速率，降低工作複雜度的作用。