时间触发网络中的集群耦合器的制作方法

专利名称：时间触发网络中的集群耦合器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种时间触发网络中的集群耦合器，该集群耦合器 用于连接基于相同协议操作的集群。另外，本发明涉及一种具有多个 集群的触发网络，所述多个集群通过集群耦合器耦合。本发明还涉及 一种用于在不同的集群之间进行通信的方法。
背景技术：
可靠的自动通信网络依赖于TTP/C或FlexRay之类的时间触发 通信协议，这些时间触发通信协议基于根据预定TDMA方案的广播 方法。提出时间触发协议来分配在例如汽车工业中所使用的实时通信 系统。在"FlexRay _ A Communication system for advanced automotive Control Systems" SEA World Congress 2001中描述了这种通信协议。 在这些系统中，介质访问协议基于时间触发复用方法，诸如具有在系 统设计期间预先定义的静态通信调度的TDMA (时分多址)。该通 信调度为每一通信节点定义了在通信周期内可传送数据的时间。
这种网络可包括多个不同的通信集群。每个集群包括至少一个 节点。 一个集群内的多个节点可通过各种拓扑互连。星形耦合器通常 应用于提高一个集群内的节点数量，其中网关被用于使集群互连。将 多个节点分到多个集群或域中是公知的方案，用于并行处理不同的应 用域。这意味着，同一集群内的节点或应用可通信，其中，运行在其 它集群中的节点上的其它应用可并行通信。然而，如果需要在不同集 群内的不同节点上所运行的应用之间进行数据交换，那么，集群之间 的附加数据交换也将是必须的。因为现存的域已经各自地随时间演化 而不需要紧密的相互作用，所以它们被大不相同的通信协议局部优化 并以之工作。因此，当前的网络是高度异质的，并且仅可通过服务于 不同协议栈的网关来相连接。网络的异质特性将导致与延迟、抖动、和容错性相关的域间通信受到严重限制。
克服由于延迟、抖动、和容错性而导致的该限制的第一方案可 以使用单个协议，优选的是使用一个符合较高要求的协议，艮卩，
FlexRay协议，其可被应用于不同的集群以实现更加同质的网络，从 而将集群更紧密地互连起来，并且提供与延迟、抖动、和容错性相关 的更好的端到端性能。这将在系统分割方面带给系统设计者更大的灵 活性，这是因为运行在不同节点上的紧密相关的功能并不必须被映射 到同一集群中的节点。这降低了一个集群内的节点的数量，从而降低 了所需带宽和在每个集群中故障的可能性，并且通过将较小的应用域 分为多个集群而改善了故障保护。
传统上，网关被用于连接集群。通常，网关可在端到端数据路 径中加入显著的延迟和抖动，这是因为其包括用于每一个所连接的集 群的通信协议栈。其还增加了端到端的路径出现故障的可能。

发明内容
因此，本发明的一个目的是提供用于在集群之间进行通信的集 群耦合装置、网络和方法，所述集群耦合装置、网络和方法能够耦合 多个基于同一时间触发协议来进行操作的集群，以实现在没有消息缓 冲或帧延迟的情况下有选择地转发数据。
通过独立权利要求的特征来实现该目的。
本发明的集群耦合器包括开关，该开关具有多个输入端口和输 出端口。而且，集群耦合器包括协议引擎。该开关与协议引擎相连接， 并且与集群耦合器中的集群端口相连接。而且，还存在开关控制单元， 其从协议引擎接收同步数据并且控制所述开关。开关控制单元包括用
于所述开关的互连调度，该互连调度限定了在预定时隙所述开关的哪 个输入端口与所述开关的哪个输出端口相连接。所述协议引擎在启动
时和在工作期间使集群同步。本发明的集群耦合器的先决条件是所连 接的集群基于使用时隙的同一时间触发协议来进行操作。进一步的先 决条件是时隙长度和帧长度彼此一致。
本发明基于通过使用集群耦合器来使集群互连的思想，其中，集群与另一集群相连的互连基于包括在开关控制单元中的互连调度。 基于时隙控制所述开关的配置。因此，通过根据由协议引擎和/或互 连调度所提供的同步信息来控制开关，可在不在集群耦合器中提供任 何缓冲装置的情况下，智能地连接集群之间的以及协议引擎和集群之 间的数据流。所述开关配置可针对每一时隙而改变。本发明应用了连 接集群的无缓冲开关，该无缓冲开关由开关控制单元中所包括的互连 调度进行控制。互连调度仅通过一个协议引擎或其简化版本与集群的 定时同步，其中，该协议引擎通过监视集群的业务来导出所述定时。
每一集群均包括其自身的集群调度，该集群调度限定了在哪个时隙哪 个节点可传送。通过在启动时和工作期间由协议引擎来使集群彼此同 步，可使所连接的集群的集群调度与开关控制单元的互连调度同步。 所述开关被用于使集群在启动期间和之后与协议引擎同步。
而且，在各个从属权利要求中阐述了本发明的有利的实现方式 和实施例。
根据本发明的优选实施例，协议引擎被集成在开关控制单元中。 本发明的另一方案涉及集群的同步。在时间触发网络中，非常 重要的是，在启动期间以及在正常工作期间保持集群之间的可靠同 步。为了在启动期间提供这种同步，集群耦合器中的协议引擎带头进 行同步。协议引擎从集群耦合器或所连接的主应用、或者从通信控制 器接收启动信号或刺激信号。其后，以把由协议引擎产生的启动和同 步数据以及集群中的节点的响应分发给全部集群的方式，协议引擎通 过把同步信息提供给用来控制开关的开关控制单元来发起所连接的 集群的同步启动。这意味着，开关控制单元以首先把来自协议引擎的 同步数据同时提供给全部集群的方式来调整开关控制单元的互连调 度。在每一集群中均存在响应于这种同步数据的预定节点。还由开关 控制单元来配置开关，从而来自集群中的节点的响应数据被同时没有
冲突地分发给全部集群。同步信息被提供给开关控制单元，仅用来通 知开关控制单元协议引擎想要把帧形式的启动数据或同步数据发送 给集群。如果开关控制单元接收到同步信息，则它知道，首先，开关 需要如何被连接以把来自协议引擎的同步数据同时提供给全部集群，
7以及其次，如何连接开关来把集群内的节点的响应数据分发给全部集 群。
而且，针对基于周期计数器的一个周期中的同一时隙，开关控 制单元还可包含不同的开关配置。
根据本发明，开关基于存储在开关控制单元中的互连调度，在 所连接的集群和协议引擎之间转发数据，以及在集群之间转发数据。 因此，开关控制单元可监视和配置开关，以避免在不同集群中的节点 所发送的数据之间出现冲突。因此，开关控制单元以类似于总线监控 器的方式工作，提供了防止干扰节点的保护并且避免故障传播。在节 点在不允许该节点发送的时隙内发送的情况下，开关控制单元将仅根 据其互连调度和从协议引擎接收到的同步信息来连接所述开关的输 入端和输出端。
为了提供对输入端口和输出端口的适当切换，以矩阵形式布置 这些端口，其中，配置寄存器被分配给每输出端口以确定输出端口连
接到哪个输入端口。通过改变配置寄存器，能够改变输入端口和输出 端口之间的连接。由开关控制单元来改变配置寄存器，其中，为了跟 随集群之间的同步，根据来自开关控制单元或协议引擎的同步信号来 使开关配置的改变有效。
在本发明的另一实施例中，集群耦合器用来处理集群中的多个 信道。当集群包括多个信道时，本发明的集群耦合器还包括多个开关， 其中， 一个开关分别与一个信道相连接。因此，可实现以相同方式在 每一信道连接不同的集群。可通过同一开关控制单元控制多个开关， 并且可仅通过一个协议引擎控制多个开关。
还通过具有多个集群的网络来实现本发明的目的，其中，每个 集群均包括多个节点，集群基于同一时间触发协议进行操作，并且通 过上述集群耦合器连接。在这种网络中，有利的是出于冗余因素考虑 具有多个集群耦合器。因此，可避免集群耦合器的单点故障。为了在 故障情况下维持集群耦合器的性能，冗余度集群耦合器需要连接到同 一信道。这种冗余方案可以和上述多个信道的方案相结合。因此，用 于特定信道的多个集群耦合器的每一开关均与每个所连接的集群中
8的该特定信道相耦合。
通过一种使用基于时隙的时间触发协议来在网络中的不同集群 之间进行通信的方法来实现本发明的目的，其中，所述网络包括与至 少两个集群相连接的集群耦合器，所述集群耦合器包括开关、开关控 制单元和协议引擎。该方法包括以下步骤由集群耦合器中的协议引
擎在启动时和操作期间提供所连接的集群之间的同步；把同步信息提 供给开关控制单元来基于全局时隙配置开关，其中，开关控制单元使 用包括针对每一时隙的开关互连配置的开关互连调度。
本发明提供了这样的优点，仅需要一个协议来使集群互连以及 允许集群间通信。另外，通过使用用于该协议引擎的预配置的IP块， 可减少工作量。另外，实现了集群的同步启动。由于开关控制单元的 互连调度，因此可在集群耦合器上连接单个节点。因此，集群耦合器
以类似于提供所需保护的监控器的方式工作，并且进一步以类似于用 来将单个节点连接到其它集群的星形耦合器的方式工作。


以下将参照附图来详细描述本发明，其中
图la示出了包括多个集群的网络；
图lb示出了一个节点的示意性框图2示出了根据本发明的集群耦合器的配置；
图3示出了根据本发明的交叉点矩阵；
图4a示出了用于启动的配置调度；
图4b示出了根据图4a的集群耦合器的配置矩阵；
图5示出了根据本发明的另一实施例的集群耦合器；
图6示出了根据本发明的集群耦合器的又一实施例；
图7示出了用来连接如图6所示的集群耦合器的实施例；
图8示出了用于连接如图6所示的集群耦合器的又一实施例；
图9示出了用于连接如图7所示的集群耦合器的又一实施例；
图IO示出了用于连接如图8所示的集群耦合器的又一实施例；
图11示出了用于连接如图7所示的集群耦合器的又一实施例。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明的网络。集群耦合器IO与多个集群A、 B、 X相连接。所述集群具有各种拓扑。集群A具有无源总线结构。 在集群B中，节点(未示出)通过有源星形耦合器耦合，其中，节 点与星形耦合器直接相连。在集群X中，也是使用星形耦合器耦合 节点，但是在集群X的结构中，通过无源总线耦合的节点子网与星 形耦合器相连接。与通过无源总线连接节点的情况相比，连接了集群 中的节点的有源星形耦合器改善了通信线路上的信号质量。有源星形 耦合器允许在单个集群中连接比无源总线中更多的节点。其还能够将 故障节点从集群中断开，以限制故障通过集群传播。传统的星形耦合 器在物理层面上工作，其每次将数据从一个所选择的输入端口转发到 全部输出端口。在协议层面，其没有显示出总线和星形拓扑之间的差 异。
通常，对一个集群内的拓扑没有限制。唯一的限制或先决条件 是在集群A、 B、 X中需要使用同一时间触发协议。另外，周期长度、 时隙长度、和帧长度需要彼此一致。基于该要求，可实现集群之间的 同步。
参照图lb更详细地描述用在集群中的节点11。典型的容错时间 触发网络由两个或更多与节点11相连接的通信信道ChA、ChB组成。 每一节点11均包括总线驱动器17、通信控制器15、和可能的用于每 一总线驱动器17的总线监控装置14、和应用程序主机13。通信控制 器15包括协议引擎12，并且如果连接有主机13则还包括控制器主 机接口 (未示出)。总线驱动器17发送通信控制器15在其所连接的 信道上提供的位和字节，并且总线驱动器17把其从信道ChA、 ChB 接收到的信息依次提供给通信控制器15。通信控制器15与这两个信 道相连接，并且将相关数据发送给应用程序主机13，并且从应用程 序主机13接收应用程序主机13依次组装成帧并发送给总线驱动器 17的数据。对于本发明，通信控制器15所包含的协议引擎是适当的。 仅主要地列出总线驱动器17、总线监控器14、和应用程序主机13来提供较佳的其中可使用本发明的总图。本发明不被这些装置的是否 存在限制。
通信控制器15包含所谓的协议引擎12，其为节点11提供对于
第2层访问协议(lay er-2 access protocol)的便利。对于本发明最相 关的是，有利于以预定TDMA方案或通信调度访问介质。每一集群 均具有其本身的集群调度，所述集群调度限定了哪个节点可在哪个时 隙内发送。此外，每个协议引擎均包括协议引擎调度。用于一个集群 内的每一节点11的协议引擎调度必须被配置为，当在网络上发送数 据时节点11之间不会出现冲突。总线监控器14是具有一组独立的配 置数据的装置，该组配置数据使得仅在这些时隙期间在总线上进行发 送，这些时隙由总线监控器的配置组中的集群调度来指定。应用程序 主机13包含数据源和接收器，并且通常不和协议活动相关。应用程 序主机13仅做出通信控制器15不能单独做出的决定。
节点11之间的同步是基于时间触发的TDMA对网络进行访问 的先决条件。每一节点11均具有其自己的时钟，该时钟的时基可以 和其它节点11的时基不同，尽管最初希望它们相等，但由于温度和 电压波动以及生产公差会导致它们不相等。
通信控制器15包括同步机制，其中，节点11监听它们的附属 信道并且可适应或影响公共时钟速率和偏移。
单个集群中的网络启动由所谓冷启动节点处理，其中， 一个节 点发起一个集群中的通信周期，并且其它节点进行响应。通过配置或 用来确定若干潜在节点中的哪一个执行所述启动的某些算法来选择 这个节点。该算法通常包括在没有检测到己有调度时，在所附信道 上发送帧或类似结构。因此，冷启动节点的通信控制器15必须监听 全部所附信道，并且必须同时在全部所附潜在冗余信道上发送其启动 数据。对于全部所附信道，通信控制器15内仅存在一个单个的用于 启动的控制逻辑。每个节点都监听其所附信道。如果节点接收到指示 启动的特定帧或类似结构，则其将采用来自所观察的通信的定时方 案，并且将该方案集成到系统中。
每个集群的总线监控器(未示出)均可被添加到这样的集群耦合器中。集群中的单个节点或子网被连接到总线监控器。用与总线监
控器的集群调度有关的信息来预先配置该总线监控器，该集群调度包
括其节点中的哪一个可在通信调度的哪个时隙期间将数据发送到其
它节点。总线监控器还可包含根据从总线监控器的节点接收到的信息
来确定集群调度的逻辑。这通常是一种在某些方面功能减弱并且增加
了与防止不同种类的故障有关的功能(例如，防止来自不允许进行启
动的分支的非法启动尝试，防止进行内容比任何可能的合法内容长的 传送，等等)的协议引擎。
参照图2，示出了根据本发明的集群耦合器10。图2说明了集 群耦合器IO如何连接到那些通信集群A、 B、 X。在下面的PE中集 群耦合器IO仅包括一个协议引擎12。该PE 12可被用于不同的目的， 例如，将应用程序主机或路由器(未示出)连接到不同的网络集群。 PE 12和集群A、 B、 X连接到无缓冲开关20，该无缓冲开关20还被 称为交叉连接或矩阵开关20。 PE 12包含与启动、协议引擎调度、介 质访问等有关的常规协议知识。协议引擎调度包括何时将同步信息发 送到开关控制单元，何时发送同步或启动数据/帧。另外，其可包括 何时从应用程序主机(如果连接有主机)和一个或多个集群接收数据， 和何时向应用程序主机(如果连接有主机)和一个或多个集群发送数 据。PE 12具有多个输入端和输出端，但在此只示出两个输出端。 RxD针脚表示接收路径，而TxD针脚表示发送路径。通常(但不限 于)，这两个针脚都是在"0"和"1"状态之间变换的串行接口。对 于FlexRay协议，发送路径具有附加的"起动"针脚，用于附接三态 物理层(未示出)。开关20主要用来有选择地在PE 12和集群A、 B、 X之间以及在集群A、 B、 X之间转发数据，但是还可被用来实现集 群A、 B、 X之间必须的同步。开关20被布置在PE 12和集群A、 B、 X之间，并且被提供来使PE 12与集群连接，并且使集群彼此连接。
开关控制单元21基于内部互连调度和从PE 12接收到的启动/ 同步信息来配置开关20。开关控制单元21确保开关20根据需要传 送数据。开关控制单元21负责开关20的配置来确定开关20的哪些 输入端口在哪个时间点连接到开关2 0的哪些输出端口 。开关20可被配置来在集群之间交换数据。为了执行其任务，开
关控制单元21从PE 12接收同步信息，其中，同步信息包括时隙的 定时和/或包含预先配置的数量的时隙的周期的定时。基于该定时信 息和其互连调度，开关控制单元配置该开关。
开关控制单元21不仅配置开关20，而且还可附加地监控朝向集 群的发送路径中的每个总线驱动器(未示出)。因此，能够容易地实 现保护。尤其，开关单元21可根据集群耦合器是在启动阶段还 是在正常操作中来控制哪种数据被从PE发送到集群或在集群之间发 送。在启动阶段期间，开关控制单元21只允许通过开关传送启动和 同步帧。其它数据被阻止。在正常模式期间，阻止启动帧可能是必须 的。然而，同步帧应该通过该开关。
在操作期间根据转发数据的需要来改变开关20的配置。图2示 出了连接了不同的集群耦合器A-X的集群耦合器10。互连调度被存 储在开关控制单元21中，开关控制单元21确定每一通信时隙的开关 配置。互连调度确定哪个数据在集群A、 B、 X之间转发，还确定哪 个数据在协议引擎12和集群A、 B、 X之间转发。例如，协议引擎 12可被用作主机，但是重要的是用来实现集群间同步处理，并且为 开关控制单元21提供定时信息来确保其互连调度与集群对准。协议 引擎12未被分配给单个集群，而是能够根据互连调度与多个集群A、 B、 X通信。PE 12还能够被实现为开关控制单元21的一部分。
图3示出了用在本发明中的交叉点矩阵开关20。如图中矩阵的 下边沿所示针对每个输出端口来配置交叉点矩阵。对于每个输出端 口，配置寄存器31确定输出端口与哪个输入端口相连接。将新的输 入端口号写入配置寄存器31，从而改变了在下一时隙对相应的输出 端口的连接，由同步信号确定针对下一时隙的定时。同步信号必须在 TDMA协议的两个时隙之间的同步集群A、 B、 X的空闲时间期间执 行对开关20的新配置。
交叉点矩阵的输入端口和输出端口连接到适当的协议引擎PE 和集群端口 CL-A、 CL-B、 CL-X。配置接口 32与开关控制单元21 相连接。同步接口 Sync与开关控制单元21相连接。同步接口 Sync可以与开关控制单元21相连接，或由于协议引擎12主要为开关控制 单元21提供定时，所以同步接口 Sync直接与协议引擎12相连接。
可针对每一时隙来改变交叉点矩阵的配置。通过使用图4b所示 的配置矩阵，限定了一个时隙的交叉点矩阵配置。图4a示出了周期 开始处的四个时隙和周期末端的最后一个时隙的互连调度。不能将数 据从输入端口发送到具有相同端口号的输出端口。因此，对角的连接 区域被分别画上阴影。具有较小的矩形的连接区域表示在图4a中的 交叉点矩阵的各个行的输入端口与各个列的输出端口之间的连接。可 以容易地看出，在第一时隙，输入端口 3与输出端口 0相连接，并且 输入端口 1与输出端口 2相连接。在第二时隙，在输入端口 2与输出 端口 l之间设置连接，并且在输入端口 0与输出端口 3之间设置连接。 在第三时隙，输入端口 1与输出端口 0相连接，并且输入端口 3与输 出端口 2相连接。在第四时隙，输入端口 0与输出端口 1相连接，输 入端口 3与输出端口 2相连接。在周期的最后时隙，输入端口 2与输 出端口0相连接，并且输入端口1与输出端口3相连接。
避免在开关20中出现帧缓冲的先决条件是，集群需要从开始时 紧密同步。还由开关集群耦合器IO提供了这种同步的便利性。为了 从开始时就实现同步，集群耦合器10中的协议引擎12在启动期间为 首，并且向开关控制单元21指示精确的开始时刻。为了发起所述开 始，协议引擎12例如从应用程序主机(未示出)或从通信控制器接 收刺激信号。开关控制单元21由集群耦合器10中的协议引擎12触 发，并且其配置互连调度，从而使得由协议引擎12所产生的启动和 同步数据以及集群A、 B、 X中的节点11的响应被分发给全部集群。
在集群A、 B、 X中选择的一组节点11被配置来响应集群耦合 器10的协议引擎12的发起动作。应该配置参与启动阶段的每个节点 11，从而这些每个节点11均在为其应答预先分配的时隙对集群耦合 器10中的协议引擎12的发起动作做出反应。由不同节点11提供的 对启动和同步信息的分配出现在不同的时隙中，以避免在转发该数据 时出现冲突。开关控制单元21的互连调度被用于这些每个独立节点 11的被预先分配的时隙，以将所选节点11的响应转发到集群耦合器10中的协议引擎12，并转发到其它集群B、 X。由于从开始时就将 相关启动和同步数据分发给全部集群A、 B、 X，所以所有其它节点 11可将它们的定时调整到启动发起时。在启动期间不在集群A、 B、 X之间转发与同步不相关的任何其它数据。为了防止集群A、 B、 X 的不协调启动，集群耦合器10以外的节点11不应该发起启动过程。
图4b示出了用于两个时隙的开关配置的示例。在一个时隙，将 启动信息从集群耦合器10中的协议引擎12分配给全部集群A、 B、 X。在另一时隙，将来自集群A中的节点11的响应转发给集群耦合 器IO中的协议引擎12并转发给其它集群B、 X。
下面，将更详细地描述集群耦合器10的正常操作。在正常操作 期间，开关控制单元21根据互连调度配置开关20，并且除同步数据 以外还允许进行正常数据的通信。由集群A、 B、 X内的不同节点11 进行的正常数据传送的集群调度中的时隙分配基本上避免了介质访 问中的任何冲突。这是对共享介质中的TDMA的基本假定。其次， 互连调度中的时隙分配还避免了从一个集群A向另一集群B转发数 据时的冲突。这意味着，如果开关控制单元21的互连调度在某个时 隙将数据转发到一些集群B、 X，那么，这些集群B、 X中不存在其 它节点11来在该时隙传送数据。
本发明的集群耦合器10还可被用于防止集群A、 B、 X内的业 务出现故障。以下将参照图5更详细地描述这一保护。由于开关20 仅根据互连调度转发数据，所以，其自动给出了故障传播保护。如果 集群A、 B、 X内的节点11试图在错误的时隙(意味着在在分配给 该集群用来转发数据的时隙以外的时隙)访问介质，那么开关20将 阻止各个数据。为了监控集群耦合器10的协议引擎12，开关控制单 元21可被另外地提供其自己的定时源(由到总线的虚线表示)，因 此使其自身与从集群A、 B、 X接收到的数据同步。然而，在启动期 间，跟随协议引擎12的定时，以正确地转发其启动和同步数据。
在之前的附图中，集群耦合器10与用于每一集群A、 B、 X的 单个信道相连接。然而，本发明并不限制于单信道系统。本发明可支 持每一集群A、 B、 X的多个信道ChA、 ChB。如果集群耦合器10与多个信道ChA、 ChB相连接，并且集群A、 B、 X的每个信道ChA、 ChB均通过标记(例如，信道1， 2， ...，x)列举，那么集群耦合器 10内的各个开关20将每一组具有相同标记的信道ChA、ChB彼此连 接，并且将这些信道连接到集群耦合器内的协议引擎12。这样的实 现在图6中示出，图6示出了将集群A-X与双信道ChA、 ChB相连 接的集群耦合器10的示例。
另外，本发明的集群耦合器IO还可被用来提高网络的冗余度。 为了防止集群耦合器10的单点故障，优选的是，多个集群耦合器IO 连接了集群A、 B、 X。在此情况下，这些集群耦合器IO共享这些集 群之一中的信道ChA、 ChB中至少一条，从而能够彼此同步。集群 耦合器10优选地共享多个信道ChA、ChB以提供冗余的集群间同步。
如果冗余地存在两个或多个集群耦合器10，那么集群中的其它 节点11对于启动过程来说并非必需。在此情况下，其它节点参与启 动过程是相当不优选的，以防止启动过程出现不协调。多个集群耦合 器10中的每一开关控制单元21均配置开关20，从而其在本地协议 引擎12和其它集群耦合器之间转发启动和同步数据。例如，这可通 过在由全部集群耦合器所共享的一个集群交换启动和同步信息来实 现。在此情况下，每一开关控制单元21均配置开关20，从而其将针 对启动的发起动作分发给全部集群，其后监听来自允许在共享集群上 参与启动的其它节点有关共享集群的响应。如果多于一个的集群耦合 器试图采取发起动作，那么标准冲突解决协议可被用来决定对于同步 来讲哪个集群耦合器将为首并且应该被跟随。
在正常操作中，两个或多个集群耦合器的TDMA互连调度应该 在转发数据方面不同。一个可能性是令集群耦合器之一转发需要被转 发的全部数据，并且令其它集群耦合器处于热待机状态。另一可能性 是令每一集群耦合器只转发接收到的数据的一部分。因此，假设传统
节点11能够通过在多个信道ChA、ChB上发送冗余数据和/或通过在 同一信道在多个时隙发送冗余数据来发送冗余数据。
在图7和图8中示出了用来连接集群X、 Y、 Z的冗余集群耦合 器的示例。两个冗余的集群耦合器(集群耦合器1和集群耦合器2)
16连接了集群X、 Y、 Z，每个集群均具有两个信道ChA和ChB。用图 7所示的无源总线或用图8所示的有源星形总线来实现在信道ChA、 ChB中的节点11的连接。自然地，还可使用不同的拓扑来实现时隙 集群X、 Y、 Z。即使是一个群内的信道ChA和ChB也不需要具有相 同的拓扑，这意味着信道ChA可被实现为无源子总线，而信道ChB 具有有源星形总线。混合技术也是可能的。本发明不限制下面的协议 的可用拓扑。
一个选择是，集群耦合器1在集群X的信道ChA和集群Y的信 道ChA之间转发数据，并且在集群X的信道ChB和集群Y的信道 ChB之间转发数据。集群2是热待机的，并且被配置为与集群耦合 器1相同。
第二选择是，集群耦合器1在集群X的信道ChA和集群Y的信 道ChA之间转发数据的一部分，集群耦合器2在集群X的信道ChA 和集群Y的信道ChA之间转发数据的另一部分；集群X和Y的信道 ChB也进行相同的操作。
第三选择是，集群耦合器1在集群X的信道ChA和集群Y的信 道ChA之间转发数据，并且集群耦合器2在集群X的信道ChB和集 群Y的信道ChB之间转发数据。
第三选择允许优化网络拓扑和降低成本。集群耦合器1不需要 与集群X和Y的信道ChB连接；而且，集群耦合器2不需要与集群 X和Y的信道ChA连接。然而，因为集群耦合器1和2 二者必须彼 此同步，所以它们必须具有公共信道。图9和IO示出了分别针对图 7和图8中示出的网络的优化，其中，集群耦合器1和2二者通过集 群X彼此同步。因为出于同步目的，集群耦合器1和2每一个中的 协议引擎12均被直接连接到集群X，所以集群耦合器中的单个交叉 矩阵开关20将是足够的。集群耦合器1中的协议引擎12可被直接连 接到信道ChB，这意味着服务于信道ChA的单个开关20将是足够的， 并且集群耦合器2中的协议引擎12可被直接连接到信道ChA，这意 味着服务于信道ChB的单个开关20将是足够的。
集群耦合器还可被用来直接连接单独的节点11。因此，其可使得集群内的传统的星形耦合器过量。图11示出了优化网络拓扑，相 对于图10的网络拓扑，图11的网络拓扑没有使用传统星形耦合器， 但仍然为节点11提供点到点连接。图11中的集群耦合器二者都被用 于集群间通信和集群内通信。然而，因为集群耦合器1和2二者必须 彼此同步，所以它们需要共享信道，因此两个冗余的信道直接连接了
集群稱合^ 。
通过提供具有基于从用于所连接的集群的唯一一个协议引擎接 收到的互连调度和同步信息而进行控制的开关的集群耦合器，可在所 连接的耦合器之间和集群耦合器的协议引擎之间基于时隙来转发数 据，而不需要任何缓存器来存储所述数据。另外，提高了集群之间的 故障防护，并且通过使用智能开关可容易地时隙集群的同步，而不会 在转发数据期间强加任何延迟。
权利要求
1. 一种网络中的集群耦合器，该网络基于使用时隙的时间触发协议来进行操作，其中，集群耦合器(10)与至少两个集群(A，B，X)耦合，集群包括至少一个节点(11)，其中，在这些集群中使用相同的协议，所述集群耦合器(10)包括协议引擎(12)、开关(20)和开关控制单元(21)，其中，所述开关控制单元(21)包括互连调度，所述互连调度指示开关(20)的哪个输入端口在预定时隙与开关(20)的哪个输出端口相连接。
2. 如权利要求1所述的集群耦合器，其中，所述协议引擎(12) 根据开关(20)的互连调度来与所连接的集群(A， B， X)通信。
3. 如权利要求1或2所述的集群耦合器，其中，所述协议引擎 (12)被集成在所述开关控制单元(21)中。
4. 如权利要求1至3之一所述的集群耦合器，其中，以将协议 引擎(12)所产生的启动/同步数据以及集群(A， B， X)中的节点(11)的响应分发给全部集群(A， B， X)的方式，协议引擎(12) 通过把启动信息提供给用来控制开关(20)的开关控制单元(21)来 发起所连接的集群(A， B， X)的同步启动。
5. 如权利要求1至3之一所述的集群耦合器，其中，以将协议 引擎(12)所产生的以及集群(A， B， X)中的节点(11)所产生 的同步数据分发给全部集群(A， B， X)的方式，协议引擎(12) 通过把同步信息提供给用来控制开关(20)的开关控制单元(21)来 维持启动之后的所连接的集群(A， B， X)的同步。
6. 如权利要求1至5之一所述的集群耦合器，其中，所述开关 (20)在集群(A， B， X)和协议引擎(12)之间转发数据，并且在集群(A， B， X)之间转发数据。
7. 如权利要求l至6之一所述的集群耦合器，其中，所述开关 (20)包括矩阵形式的多个输入端口和输出端口，其中，配置寄存器 (31)被分配给每一输出端口来确定输出端口与哪个输入端口相连接。
8. 如权利要求1至7之一所述的集群耦合器，其中，所述协议 引擎(12)包括协议引擎调度，该协议引擎调度定义了需要在哪个时 隙将同步数据发送到集群(A-X)和所述协议引擎(12)在哪个时隙 将同步信息输出到开关控制单元(21)，以便为所述开关控制单元(21) 指示所述开关(20)的输入端口和输出端口何时需要被连接起来以将 同步数据同时分发给全部集群(A-X)。
9. 如权利要求1至8之一所述的集群耦合器，其中，所述开关 控制单元(21)通过依照互连调度连接所述开关(20)的输入端口 和输出端口来监控所连接的集群、所述协议引擎和与集群耦合器(10)相连接的单个节点(11)。
10. 如权利要求1至9之一所述的集群耦合器，其中，当集群 包括多个信道时，所述集群耦合器(10)包括多个开关(20)，其 中一个开关(20)分别与一个信道相连接。
11. 一种具有多个集群的网络，其中，每个集群(A-X)均包括 多个节点(11)，所述集群(A-X)基于同一时间触发协议来进行操 作，并且通过前述权利要求之一所述的集群耦合器(10)连接。
12. 如权利要求11所述的网络，其中，提供了多个集群耦合器， 其中，所述集群耦合器(10)的每一个均可被连接到所述网络的每个 集群。
13. —种通过使用基于时隙的时间触发协议来在网络中的不同 集群之间进行通信的方法，其中，所述网络包括与至少两个集群(A， B， X)相连接的集群耦合器(10)，所述集群耦合器包括开关(20)， 所述方法包括以下步骤由集群耦合器(10)中的协议引擎(12)在启动时和操作期间 提供所连接的集群之间的同步；把同步信息提供给开关控制单元(21)来基于全局时隙配置开 关(20)，其中，开关控制单元(21)使用包括针对每一时隙的开关 互连配置的开关互连调度来连接所述开关(20)的输入端口和输出端 。
全文摘要
本发明涉及一种时间触发网络中的集群耦合器，用于连接基于相同协议操作的集群。另外，本发明涉及一种具有多个集群的触发网络，所述触发网络通过集群耦合器耦合。本发明还涉及一种用于在不同的集群之间进行通信的方法。为了提供能够耦合基于同一时间触发协议操作的多个集群以实现有选择地转发数据而不需要消息缓冲或帧延迟的用于在集群之间通信的集群耦合装置、网络和方法，提出了一种网络中的集群耦合器(10)，该集群耦合器(10)基于使用时隙的时间触发协议工作，其中，所述集群耦合器(10)与至少两个集群(A，B，X)耦合，一个集群包括至少一个节点(11)，其中，在这些集群中使用相同的协议，所述集群耦合器(10)包括协议引擎(12)、开关(20)和开关控制单元(21)，其中，所述开关控制单元(21)包括指示开关(20)的哪个输入端口在预定时隙与开关(20)的哪个输出端口相连接的互连调度。
文档编号H04L12/46GK101512987SQ200780032878
公开日2009年8月19日 申请日期2007年8月27日 优先权日2006年9月6日
发明者安德烈斯·瓦格宁根, 约恩·翁格曼 申请人:Nxp股份有限公司