一種高速全雙工交換乙太網控制器的製作方法

2023-05-28 12:48:31

專利名稱：一種高速全雙工交換乙太網控制器的製作方法
技術領域：
本發明屬於數據通信領域，具體涉及一種高速全雙工交換乙太網控制器。
背景技術：
交換乙太網技術源於國外大型客機項目，協議控制器是終端系統的核心模塊，用於完成數據鏈路層協議解析，除大型客機上使用的產品外，大部分為實驗室仿真測試設備。此類設備在實際使用中存在如下問題一是網絡埠帶寬固定為100Mbps，數據通信的實時性一般；二是協議處理通過軟硬體協同實現，數據傳輸延遲較大。航空電子全雙工交換式乙太網網卡及其集成化方法(中國專利CN101902504A)基於協議控制器構建交換式乙太網網卡，用於處理傳輸層、網絡層、鏈路層和物理層協議； 一種帶分層錯誤注入和錯誤分析的AFDX網絡終端系統模擬器(中國專利CN102209000A)通過主動產生分層錯誤流量，模擬終端系統發生的錯誤，對AFDX網絡通信進行錯誤分析和模擬；一種航空電子通信網絡的終端系統(中國專利CN101547148)將網絡接口電信號轉換成光信號，構建基於光傳輸的交換式乙太網終端系統；一種網絡測試裝置(中國專利CN102325057A)在AFDX網絡測試設備中增加數據捕獲功能，對各類系統埠數據進行測試和監控。實驗室仿真測試設備以及相關專利成果主要集中在終端系統集成和測試功能設計上，並沒有對協議控制器性能進行提升，不能適應高速、高可靠系統需求。

發明內容
針對上述缺陷或不足，本發明的目的在於提出一種高速、高效、配置靈活和並發處理能力強的全雙工交換乙太網控制器；用於全雙工交換乙太網數據鏈路層協議處理以及數據管理，並提供標準外部接口，便於構建終端系統。具體如下控制器具體功能包括收/發數據緩衝區動態管理，訪存空間2MB，支持128路虛擬鏈路全雙工數據存儲；支持數據幀編號控制；支持接收冗餘管理；支持完整性檢查；支持全雙工IGbps高速數據傳輸；支持帶寬分配、流量整形調度與冗餘發送間隔控制。為實現上述功能，控制器主要由19個模塊組成，具體包括雙口訪問模塊、接收傳輸控制模塊、發送傳輸控制模塊、接收冗餘管理模塊、完整性檢查A模塊、完整性檢查B模塊、整流器模塊、調度器模塊、發送冗餘管理模塊、媒介訪問控制A模塊、媒介訪問控制B模塊、處理器訪問模塊、控制狀態寄存器模塊、虛擬鏈路配置表模塊、發送有效標識模塊、在線調試/配置模塊、串口控制器模塊、PHY管理模塊和中斷管理模塊。雙口訪問模塊主要用於實現對外部雙口 RAM進行數據存取。接收傳輸控制模塊主要用於將經過協議處理的接收數據通過雙口訪問模塊，存入外部雙口 RAM的相應緩衝區，數據傳輸完成後，置狀態標誌，並通過中斷管理模塊向上層協議處理器申請接收完成中斷。發送傳輸控制模塊主要用於通過雙口訪問模塊讀取外部雙口 RAM發送緩衝區的待發送數據。
接收冗餘管理模塊主要用於實現對網絡A和B經過完整性檢查的接收幀數據的冗餘管理。完整性檢查A和B模塊根據相應的完整性檢查通過原則，實現對接收的幀數據進行完整性檢查。整流器模塊主要用於根據虛擬鏈路配置，對不同虛擬鏈路數據發送時機進行控制，從而將各虛擬鏈路的帶寬控制在一定範圍，避免線路衝突。調度器模塊主要用於終端系統需要同時進行多虛擬鏈路數據發送時，協調各虛擬鏈路幀數據發送。發送冗餘管理模塊主要用於根據設置以及協議規範的最大間隔，控制發送幀數據在網絡A和B上的發送間隔和先後順序。媒介訪問控制A和B模塊主要用於乙太網MAC層協議控制，即將上層協議處理後的數據進行控制，產生符合協議規範的數據流。處理器訪問模塊主要用於控制處理器對控制狀態寄存器、MAC A/B寄存器、虛擬鏈路配置表和發送有效標識寄存器的訪問。控制狀態寄存器模塊主要用於將用戶設置信息輸出給相應模塊，控制數據收發和協議控制，同時將控制器的工作狀態返回給上層。虛擬鏈路 配置表主要用於存儲網絡的虛擬鏈路信息，包括虛擬鏈路編號、帶寬分配間隔、最大發送間隔等。虛擬鏈路發送有效標識主要用於存儲終端系統當前需要發送虛擬鏈路數據的標識。在線調試/配置模塊主要用於解析調試和配置指令，對控制狀態寄存器和虛擬鏈路配置表等進行訪問，並與串口控制器模塊通信，從而通過串口實現在線對控制器進行調試和配置。串口控制器模塊主要用於實現通用異步串行數據通信的協議控制，接收外部調試設備發送的調試配置指令和配置數據，或發送在線調試模塊輸出的調試信息。PHY管理模塊主要用於控制器初始化過程中，對外部PHY晶片進行功能配置。中斷管理模塊主要用於控制器中斷產生與清除，並提供中斷屏蔽及簡單的優先級管理功能，支持的中斷類型有發送完成、接收完成、接收錯誤等，當相應中斷條件滿足時，產生有效中斷輸出；中斷撤銷條件滿足時，輸出中斷無效。本發明的有益效果是(I)本發明中每個網絡埠的數據傳輸率100/1000Mbps自適應，實時性比IOOMbps網絡更好；(2)本發明中協議處理完全由硬體邏輯實現，發送/接收延遲分別約為
6.5/2. 5us，數據傳輸效率高；(3)本發明中兩個網絡埠可以設置為冗餘或非冗餘模式，且發送間隔和發送順序可編程，使用靈活；(4)本發明中收/發數據緩存動態管理，能夠進行128路虛擬鏈路全雙工數據收發，並發處理能力強。


圖I是本發明控制器的結構框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做詳細描述。根據本發明的內容，設計詳細實現方案，控制器結構如圖I所示，I為雙口訪問模塊、2為接收傳輸控制模塊、3為發送傳輸控制模塊、4為接收冗餘管理模塊、5為完整性檢查A模塊、6為完整性檢查B模塊、7為整流器模塊、8為調度器模塊、9為發送冗餘管理模塊、10為媒介訪問控制A模塊、11為媒介訪問控制B模塊、12為處理器訪問模塊、13為控制狀態寄存器模塊、14為虛擬鏈路配置表模塊、15為發送有效標識模塊、16為在線調試/配置模塊、17為串口控制器模塊、18為PHY管理模塊、19為中斷管理模塊。控制器通過數據線20與外部雙口 RAM進行數據存取；雙口訪問模塊I根據接收傳輸控制模塊2和發送傳輸控制模塊3輸出的雙口 RAM訪問控制信號，產生雙口 RAM訪問時序；接收傳輸控制模塊2將經過協議處理的接收數據通過雙口訪問模塊I存入外部雙口RAM的相應緩衝區，數據傳輸完成後，置狀態標誌，並通過中斷管理模塊19 (圖中未示出)向上層協議處理器申請接收完成中斷；發送傳輸控制模塊3通過雙口訪問模塊I讀取外部雙口 RAM發送緩衝區的待發數據，在各控制模塊的協調下，對雙口 RAM中不同虛擬鏈路的數據進行分時訪問。接收冗餘管理模塊4對經過完整性檢查A模塊5和完整性檢查B模塊6完整性檢 查後的接收幀數據進行冗餘管理，其遵循的原則是「先到有效幀勝出」，後到或無效的幀數據被丟棄，最終僅上傳一份有效幀數據的拷貝到接收傳輸控制模塊2 ;完整性檢查A模塊5和完整性檢查B模塊6根據完整性檢查通過原則，解析當前幀的序號，並與前一幀序號進行比較，對不符合上述原則的幀數據進行丟棄，否則保留並傳輸給接收冗餘管理模塊4進行冗餘管理；通過整流器模塊7對由發送傳輸控制模塊3傳輸的不同虛擬鏈路幀數據的發送時機進行控制，再經過調度器模塊8的調度協調，將各虛擬鏈路幀數據發送到發送冗餘管理模塊9;發送冗餘管理模塊9根據設置以及協議規範的最大間隔，控制發送幀數據向媒介訪問控制A模塊10和媒介訪問控制B模塊11傳輸的發送間隔和先後順序。 媒介訪問控制A模塊10和媒介訪問控制B模塊11對整流器模塊7、調度器模塊8、發送冗餘管理模塊9處理後的幀數據進行控制，產生符合乙太網協議規範的數據流，並通過數據線21和22與外部PHY晶片進行數據交互。處理器訪問模塊12通過數據線23與外部處理器連接，控制外部處理器對媒介訪問控制A模塊10和媒介訪問控制B模塊11的寄存器(圖中未示出這種關係)、控制狀態寄存器模塊13、虛擬鏈路配置表模塊14和發送有效標識模塊15的訪問。控制狀態寄存器模塊13將用戶設置信息輸出給相應模塊，控制數據收發和協議控制，同時將控制器的工作狀態經過根據完整性檢查通過原則返回給外部處理器。虛擬鏈路配置表模塊14主要用於存儲虛擬鏈路信息，包括虛擬鏈路編號、帶寬分配間隔、最大發送間隔等。發送有效標識模塊15主要用於存儲終端系統當前需要發送虛擬鏈路數據的標識。在線調試/配置模塊16主要用於解析調試和配置指令，對虛擬鏈路配置表模塊14和發送有效標識模塊15等進行訪問，並與串口控制器模塊17通信，從而通過串口控制器模塊17實現在線對控制器進行調試和配置。串口控制器模塊17主要用於實現通用異步串行數據通信的協議控制，通過數據線24接收外部調試設備發送的調試配置指令和配置數據，或發送在線調試模塊輸出的調試信息。PHY管理模塊18通過數據線25與外部PHY晶片連接，主要用於在控制器初始化過程中，12通過18對外部PHY晶片進行功能配置。中斷管理模塊19通過數據線26與外部通信，當13中相應中斷條件滿足時，產生有效中斷輸出；中斷撤銷條件滿足時，對外輸出中斷無效。根據上述方案，用Verilog HDL語言對控制器的邏輯設計進行描述，並完成邏輯綜合與布局布線；同時，設計一款終端系統，將控制器設計映射到可編程邏輯器件中實現，並 對控制器的功能進行測試。測試結果表明本發明具有很好的可實施性，且性能滿足預期。
權利要求
1.一種高速全雙工交換乙太網控制器，其特徵在於包括雙口訪問模塊、接收傳輸控制模塊、發送傳輸控制模塊、接收冗餘管理模塊、完整性檢查A模塊、完整性檢查B模塊、整流器模塊、調度器模塊、發送冗餘管理模塊、媒介訪問控制A模塊、媒介訪問控制B模塊、處理器訪問模塊、控制狀態寄存器模塊、虛擬鏈路配置表模塊、發送有效標識模塊、在線調試/配置模塊、串口控制器模塊、PHY管理模塊和中斷管理模塊； 雙口訪問模塊對外部雙口 RAM進行數據存取；接收傳輸控制模塊將經過協議處理的接收數據通過雙口訪問模塊存入外部雙口 RAM的相應緩衝區，數據傳輸完成後，置狀態標誌，並通過中斷管理模塊向上層協議處理器申請接收完成中斷；發送傳輸控制模塊通過雙口訪問模塊讀取外部雙口 RAM發送緩衝區的待發送數據，並存入媒介訪問控制A模塊和B模塊的發送緩衝區； 接收冗餘管理模塊對外部網絡A和B經過完整性檢查A模塊和完整性檢查檢查B模塊檢查後的數據進行冗餘管理，保留先到的有效幀數據，備份數據自動丟棄； 整流器模塊對不同虛擬鏈路數據發送時機進行控制、避免線路衝突；調度器模塊協調各虛擬鏈路幀數據發送；發送冗餘管理模塊控制發送幀數據在外部網絡A和B上的發送間隔和先後順序； 媒介訪問控制A模塊和媒介訪問控制B模塊接收外部網絡A和B的數據，並進行控制，產生符合協議規範的數據流； 處理器訪問模塊控制處理器對控制狀態寄存器模塊、虛擬鏈路配置表模塊和發送有效標識寄存器模塊的訪問； 在線調試/配置模塊解析調試和配置指令，對控制狀態寄存器模塊和虛擬鏈路配置表模塊進行訪問，並與串口控制器模塊通信，通過串口實現在線對控制器進行調試和配置；PHY管理模塊在控制器初始化過程中，完成對外部PHY晶片的功能配置。
2.根據權利要求I所述的控制器，其特徵在於控制狀態寄存器模塊將用戶設置信息輸出，控制數據收發和協議控制，同時將控制器的工作狀態返回給上層。
3.根據權利要求I所述的控制器，其特徵在於虛擬鏈路配置表模塊用於存儲網絡的虛擬鏈路信息，包括虛擬鏈路編號、帶寬分配間隔、最大發送間隔。
4.根據權利要求I所述的控制器，其特徵在於發送有效標識模塊用於存儲終端系統當前需要發送虛擬鏈路數據的標識。
5.根據權利要求I所述的控制器，其特徵在於串口控制器模塊用於實現通用異步串行數據通信的協議控制，接收外部調試設備發送的調試配置指令和配置數據，或發送在線調試模塊輸出的調試信息。
6.根據權利要求I所述的控制器，其特徵在於中斷管理模塊用於控制器中斷產生與清除，並提供中斷屏蔽及簡單的優先級管理功能，支持的中斷類型有發送完成、接收完成、接收錯誤，當相應中斷條件滿足時，產生有效中斷輸出；中斷撤銷條件滿足時，輸出中斷無效。
全文摘要
一種高速全雙工交換乙太網控制器，其特徵在於包括雙口訪問模塊、接收傳輸控制模塊、發送傳輸控制模塊、接收冗餘管理模塊、完整性檢查A模塊、完整性檢查B模塊、整流器模塊、調度器模塊、發送冗餘管理模塊、媒介訪問控制A模塊、媒介訪問控制B模塊、處理器訪問模塊、控制狀態寄存器模塊、虛擬鏈路配置表模塊、發送有效標識模塊、在線調試/配置模塊、串口控制器模塊、PHY管理模塊和中斷管理模塊。本發明中每個網絡埠的實時性好、數據傳輸效率高、發送間隔和發送順序可編程、使用靈活、並發處理能力強。
文檔編號H04L12/24GK102761488SQ201210243059
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者劉澤響, 劉露, 鄭堃 申請人:中國航天科技集團公司第九研究院第七七一研究所