基于Crossbar架構(gòu)的AFDX交換機(jī)數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)交換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及AFDX交換機(jī)數(shù)據(jù)總線和交換機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方法，具體為基于Crossbar架構(gòu)的AFDX交換機(jī)數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)交換方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前AFDX交換機(jī)廣泛使用共享存儲(chǔ)的交換方式來實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)幀的交換功能，數(shù)據(jù)總線是連接交換機(jī)端口和共享存儲(chǔ)器的重要部分。目前基于共享存儲(chǔ)的AFDX交換機(jī)中都只有一個(gè)共享存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)了共享存儲(chǔ)器和各個(gè)端口的連接，各個(gè)端口的數(shù)據(jù)幀均在這唯一的存儲(chǔ)器中進(jìn)行存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)發(fā)。
[0003]—種基于Wishbone總線的AFDX交換機(jī)數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)(王斌文.航空全雙工以太網(wǎng)交換機(jī)若干關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2008.)米用一主多從的方式，主機(jī)控制相應(yīng)的共享存儲(chǔ)器，從機(jī)控制各個(gè)端口的輸入輸出緩存，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)端口與共享存儲(chǔ)器的連接通路。這種方案的主要缺陷是:在任一時(shí)刻只允許最多有一對(duì)主設(shè)備和從設(shè)備通過總線進(jìn)行通信，即同一時(shí)刻只能有一個(gè)端口的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)發(fā)，從而限制了交換機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的速率。
[0004]一種采用雙端口共享存儲(chǔ)器的AFDX交換機(jī)(中國(guó)專利CN201410268433)，通過提高數(shù)據(jù)總線的位寬，采用雙端口存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)讀寫操作，提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的速率。這種方案的主要缺陷是:數(shù)據(jù)總線位寬太大(512位)，數(shù)據(jù)總線控制信號(hào)太多，易造成后續(xù)布局布線的困難，同是也會(huì)影響系統(tǒng)整體可靠性。
[0005]一種具有時(shí)空分離特性的AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(中國(guó)專利CN201310037668)提出對(duì)交換機(jī)的每一個(gè)輸出端口配一塊內(nèi)存和一個(gè)子調(diào)度器，將每個(gè)輸出端口的數(shù)據(jù)幀由對(duì)應(yīng)于該輸出端口的子調(diào)度器進(jìn)行調(diào)度，然后存放于對(duì)應(yīng)于該輸出端口的內(nèi)存中，最后從該輸出端口發(fā)送出去。這種方案的主要缺陷是:硬件消耗較大，對(duì)于N個(gè)端口的交換機(jī)需要N塊內(nèi)存和2N個(gè)DMA ;對(duì)傳統(tǒng)調(diào)度算法進(jìn)行了改動(dòng)，因此數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
[0006]在現(xiàn)有的技術(shù)中，基于共享存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)方便，硬件成本低且硬件利用率高，所以其技術(shù)發(fā)展十分成熟?；诠蚕泶鎯?chǔ)方式的AFDX交換機(jī)中，在不改變調(diào)度算法的情況下，通過改進(jìn)數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)來提高交換機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)速率的方案，考慮到成本和工程實(shí)用性，還是有一定缺陷，且可實(shí)施性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種針對(duì)共享存儲(chǔ)方式的AFDX交換機(jī)，提高了交換機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的速率，減小了數(shù)據(jù)幀通過交換機(jī)的時(shí)間，保證了 AFDX交換機(jī)的服務(wù)質(zhì)量的基于Crossbar架構(gòu)的AFDX交換機(jī)數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)交換方法。
[0008]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0009]本發(fā)明基于Crossbar架構(gòu)的AFDX交換機(jī)數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)，包括與交換機(jī)端口數(shù)量相等的總線從機(jī)模塊，一個(gè)總線互連模塊，數(shù)量相等的總線主機(jī)模塊，存儲(chǔ)器控制模塊和存儲(chǔ)器模塊，以及一個(gè)調(diào)度選擇模塊；總線主機(jī)模塊的數(shù)量不多于總線從機(jī)模塊的數(shù)量；
[0010]每個(gè)總線主機(jī)模塊通過總線互連模塊采用Crossbar架構(gòu)與每個(gè)總線從機(jī)模塊互連；每個(gè)總線主機(jī)模塊分別通過存儲(chǔ)器控制模塊連接對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器模塊；每個(gè)總線主機(jī)模塊均通過調(diào)度選擇模塊連接交換機(jī)調(diào)度結(jié)果FIFO。
[0011]優(yōu)選的，調(diào)度選擇模塊包括依次連接在交換機(jī)調(diào)度結(jié)果FIFO上的地址判別模塊和指令發(fā)送模塊；
[0012]地址判別模塊用于從交換機(jī)調(diào)度結(jié)果FIFO中提取調(diào)度結(jié)果，得到要進(jìn)行交換的端口和存儲(chǔ)器模塊；
[0013]指令發(fā)送模塊用于將得到的調(diào)度結(jié)果發(fā)送給對(duì)應(yīng)端口的總線主機(jī)模塊3。
[0014]優(yōu)選的，交換機(jī)端口數(shù)為16個(gè)，總線主機(jī)模塊的數(shù)量為4個(gè)；存儲(chǔ)器模塊內(nèi)的存儲(chǔ)空間分為若干個(gè)頁，每頁容量為2KBytes。
[0015]本發(fā)明基于Crossbar架構(gòu)的AFDX交換機(jī)數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)交換方法，采用本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)，包括如下步驟，
[0016]步驟一，調(diào)度選擇模塊根據(jù)交換機(jī)調(diào)度結(jié)果FIFO中的信息，讀取AFDX交換機(jī)產(chǎn)生的調(diào)度結(jié)果，判斷出要進(jìn)行交換的端口和存儲(chǔ)器模塊，并將包含存儲(chǔ)器地址信號(hào)的調(diào)度結(jié)果發(fā)送給對(duì)應(yīng)該存儲(chǔ)器模塊的總線主機(jī)模塊；
[0017]步驟二，完成發(fā)送后調(diào)度選擇模塊判斷下一個(gè)調(diào)度結(jié)果；若當(dāng)前要進(jìn)行交換的端口號(hào)和存儲(chǔ)器模塊與前一次的調(diào)度結(jié)果均不相同，且相應(yīng)的主機(jī)模塊空閑，則直接將當(dāng)前調(diào)度結(jié)果發(fā)送給相應(yīng)的總線主機(jī)模塊，然后重復(fù)步驟二；否則，等待相應(yīng)的總線主機(jī)模塊空閑，再對(duì)調(diào)度結(jié)果進(jìn)行發(fā)送處理；
[0018]步驟三，收到調(diào)度結(jié)果的總線主機(jī)模塊通過存儲(chǔ)器控制模塊完成對(duì)存儲(chǔ)器模塊的控制訪問，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)發(fā)；在完成一次操作后會(huì)給調(diào)度選擇模塊一個(gè)反饋信號(hào)，標(biāo)志其狀態(tài)為空閑。
[0019]優(yōu)選的，除第一個(gè)總線主機(jī)模塊外，剩余總線主機(jī)模塊通過存儲(chǔ)器控制模塊完成對(duì)存儲(chǔ)器模塊的控制訪問時(shí)，按如下公式轉(zhuǎn)換接收到的存儲(chǔ)器地址信息，
[0020]存儲(chǔ)器模塊的新地址=存儲(chǔ)器模塊的原始地址_*存儲(chǔ)器模塊的最大地址；
[0021]其中，m為存儲(chǔ)器模塊對(duì)應(yīng)總線主機(jī)模塊的編號(hào)，存儲(chǔ)器模塊的原始地址為調(diào)度結(jié)果FIFO中的存儲(chǔ)起始地址。
[0022]優(yōu)選的，交換機(jī)調(diào)度結(jié)果FIFO中包括讀操作信號(hào)、寫操作信號(hào)、端口號(hào)、緩存號(hào)、幀長(zhǎng)以及存儲(chǔ)起始地址信號(hào)。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0024]本發(fā)明在不改變其調(diào)度算法的情況下，采用Crossbar架構(gòu)，配合對(duì)原有整體存儲(chǔ)器的分離并與總線主機(jī)模塊的一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)每一個(gè)總線主機(jī)模塊可以訪問到任意的總線從機(jī)模塊，即每個(gè)主機(jī)模塊均可以與每個(gè)交換機(jī)端口構(gòu)成數(shù)據(jù)通路；總線從機(jī)模塊與每個(gè)端口的接收、發(fā)送緩存相連，其操作均由總線主機(jī)模塊發(fā)起，完成對(duì)緩存的讀或?qū)?；存?chǔ)器模塊的數(shù)量越多，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)速率會(huì)越高，且在最理想的情況下，最大加速比S = M，從而能夠顯著提高了 AFDX交換機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的速率；能夠應(yīng)用于基于共享存儲(chǔ)的AFDX交換機(jī)內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)交換機(jī)端口和共享存儲(chǔ)器的多條數(shù)據(jù)通路，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)端口數(shù)據(jù)的并行傳輸。
[0025]進(jìn)一步的，由于本發(fā)明中調(diào)度選擇模塊對(duì)調(diào)度結(jié)果進(jìn)行了分析，通過主動(dòng)選擇機(jī)制，使得在采用的Crossbar架構(gòu)實(shí)現(xiàn)交換時(shí)，不再需要仲裁模塊，只需實(shí)現(xiàn)主從機(jī)之間的通路即可，極大的降低了硬件消耗，節(jié)省了成本。
[0026]進(jìn)一步的，通過在對(duì)應(yīng)總線主機(jī)模塊中實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)地址的轉(zhuǎn)換，從而不影響原有系統(tǒng)的算法結(jié)構(gòu)，并且提高了數(shù)據(jù)讀取和轉(zhuǎn)存速度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明實(shí)例中所述的數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0028]圖2為本發(fā)明所述的Crossbar架構(gòu)的交換結(jié)構(gòu)邏輯框圖。
[0029]圖中:I為總線從機(jī)模塊，2為總線互連模塊，3為總線主機(jī)模塊，4為存儲(chǔ)器控制模塊，5為存儲(chǔ)器模塊，6為調(diào)度選擇模塊，6A為地址判別模塊，6B為指令發(fā)送模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0031]本發(fā)明基于Crossbar架構(gòu)的AFDX交換機(jī)數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)，在不改變其調(diào)度算法的情況下，考慮到硬件成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度，基于Crossbar和分塊存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。如圖1所示，包括以下模塊個(gè)總線主機(jī)模塊(Bus Master)，N個(gè)總線從機(jī)模塊(Bus Slave，其數(shù)量與交換機(jī)端口數(shù)相等)，一個(gè)總線互連模塊(Bus Interconnect1n)，M個(gè)存儲(chǔ)器控制模塊(Memory Controller), M個(gè)存儲(chǔ)器模塊(Memory)以及一個(gè)調(diào)度選擇模塊(Scheduler)。
[0032]其中，總線從機(jī)模塊I數(shù)量為N，與交換機(jī)端口數(shù)相同，與總線互連模塊和端口發(fā)送、接收緩存相連?？偩€互連模塊2數(shù)量為1，內(nèi)部采用Crossbar交換結(jié)構(gòu)連接各個(gè)總線從機(jī)模塊I和總線主機(jī)模塊3。總線主機(jī)模塊3數(shù)量為M，與存儲(chǔ)器控制模，4、總線互連模塊2和調(diào)度選擇模塊6相連。存儲(chǔ)器控制模塊4數(shù)量為M，與主機(jī)模塊和存儲(chǔ)器模塊相連。存儲(chǔ)器模塊5數(shù)量為M，由存儲(chǔ)器控制模，4對(duì)其進(jìn)行控制。調(diào)度選擇模塊6數(shù)量為I，與調(diào)度結(jié)果FIFO和各個(gè)總線主機(jī)模塊3相連；其內(nèi)部的地址判別模塊6A輸出端分別連接各個(gè)總線主機(jī)模塊3，指令發(fā)送模塊6B的輸入端調(diào)度結(jié)果FIFO連接。虛線內(nèi)部結(jié)構(gòu)為本發(fā)明所提出的數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)，虛線外部為與其連接的交換機(jī)內(nèi)部的其它模塊，其中Buffer指交換機(jī)端口的發(fā)送、接收緩存，F(xiàn)IFO指交換機(jī)內(nèi)調(diào)度模塊產(chǎn)生的調(diào)度結(jié)果FIFO。
[0033]為了更準(zhǔn)確、更清楚地描述本總線結(jié)構(gòu)和技術(shù)構(gòu)思，以交換機(jī)端口數(shù)N = 16，總線主機(jī)模塊數(shù)M = 4為例來說明。為了實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間有多個(gè)端口的數(shù)據(jù)可以與共享存儲(chǔ)器進(jìn)行交換，采用4個(gè)總線主機(jī)模塊3連接在同一個(gè)總線互連模塊2上，16個(gè)總線從機(jī)模塊I也連接在該模塊上。每個(gè)總線主機(jī)模塊3與總線從機(jī)模塊I采用Crossbar的方式進(jìn)行互連。在這樣的結(jié)構(gòu)中，如圖2所示，每一個(gè)總線主機(jī)模塊3可以訪問到任意的總線從機(jī)模塊I，即每個(gè)總線主機(jī)模塊3均可以與每個(gè)交換機(jī)端口構(gòu)成數(shù)據(jù)通路?？偩€從機(jī)模塊I與每個(gè)端口的接收、發(fā)送緩存相連，其操作均由總線主機(jī)模塊3發(fā)起，完成對(duì)緩存的讀或?qū)憽?br>[0034]采用分塊存儲(chǔ)的思想對(duì)共享存儲(chǔ)器進(jìn)行分塊。存儲(chǔ)器分塊是指用若干塊較小的存儲(chǔ)器來代替之前的一塊較大的存儲(chǔ)器，我們稱分塊后的存儲(chǔ)器為子存儲(chǔ)器，即分別與總線主機(jī)模塊3對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器模塊5。存儲(chǔ)器分塊的數(shù)量需與總線主機(jī)模塊3數(shù)量相同。在16端口的交換機(jī)中，根據(jù)ARINC 664協(xié)議規(guī)定可得到16M的存儲(chǔ)器即可滿足要求，因此采用4塊4M的存儲(chǔ)器模塊5分別與4個(gè)總線主機(jī)模塊3相連，由總線主機(jī)模塊3通過存儲(chǔ)器控制模塊4完成對(duì)存儲(chǔ)器模塊5的控制。將每個(gè)存儲(chǔ)器空間分為若干個(gè)頁，每頁容量為2KBytes，足夠存儲(chǔ)一個(gè)AFDX最長(zhǎng)幀(最長(zhǎng)幀為1518Bytes)，這樣每次訪問存儲(chǔ)器時(shí)，只要知道頁的起始地址和幀長(zhǎng)度就可以進(jìn)行讀出或?qū)懭氩僮髁恕?br>[0035]調(diào)度選擇模塊6分別與4個(gè)總線主機(jī)模塊3和交換機(jī)的調(diào)度結(jié)果FIFO相連。調(diào)度結(jié)果FIFO中一般包含的信息有:讀操作、寫操