CN101902504A - 航空电子全双工交换式以太网网卡及其集成化方法 - Google Patents
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Abstract
一种航空电子全双工交换式以太网网卡及其集成化方法。终端系统需要的各层及通信接口的配置信息下载到FPGA芯片内的RAM内存中，并通过各功能模块和接口的电路连接，实现在板卡上集成传输层UPD、网络层IP、链路层Virtual Link，及物理层PHY四层协议。本发明完成了整个AFDX的大部分功能，软件部分只需要简单将数据及端口写入网卡的发送共享内存，已经从接收共享内存读取数据及端口即可，基本上与通信协议关系不是很大，并且操作非常简单，可以直接应用于AFDX总线的数据装载系统、AFDX仿真系统、AFDX集成系统等应用系统中。
Description
技术领域
本发明涉及一种航空电子通信及其他实时网络领域中使用的以太网网卡，以及这种网卡的集成化实现方法。
背景技术
我国航空电子系统数据通信主要使用MIL-STD-1553和ARINC429协议，这两种协议具有高可靠、稳定性强等特点，因此在当代航空电子系统中得到广泛的应用。但这两个协议在网络吞吐量、速率及延迟上已经不能满足航空电子高速数据通信的要求，为此业界提一种新型高速的总线技术协议-航空电子全双工交换式以太网(AFDX：Avionics Full Duplex Switched Ethernet)，并制定了协议规范ARINC644。
根据ARINC644的定义：AFDX是一种通过虚拟链路通信的，具有最大延时的确保带宽、最大的抖动和已定义的丢失概率的确定性网络。它是建立在IEEE802.3协议基础上并利用以太网技术的同时增加了数据传输实时性和确定性的要求，使其满足航空电子领域数据库的要求，AFDX网络主要由终端系统、传输链路和AFDX交换机组成。
目前市场上的AFDX终端系统中网卡部分实现1、2层，而将3～7层交由上层软件实现。这和传统的以太网卡基本上是一样。现有的航空电子系统通过AFDX进行通讯的模式如附图1所示。这种实现方式主要存在以下几个问题：
1、上层软件实现变得相对复杂，应用层的开发者工作量会比较大。
2、与航空计算机系统的操作系统关系比较密切，针对每个操作系统都必须提供相对应的应用驱动。对于网卡的广泛应用会所有限制。
3、无法根据某些航空电子设备的特点及应用场合进行二次开发，不便于某些设备使用直接AFDX网卡。
发明内容
本发明提供一种航空电子全双工交换式以太网网卡及其集成化方法，要解决ARINC644协议所定义的AFDX终端系统各个协议层无具体产品实现方式的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
这种航空电子全双工交换式以太网网卡，包括以下连接在板卡上的功能模块及接口：
用于各硬件逻辑运算的FPGA芯片，采用Virtex 5，FPGA芯片与其他各功能模块及接口连接，通过逻辑编程实现传输层UDP、网络层IP及链路层Virtual Link三层协议；
用于控制与连接物理层PHY物理介质的MAC控制器；
用于连接网络接口和FPGA芯片的PHY芯片，以实现物理层协议；
用于接收和发送数据缓存的DRAM存储器；
用于存储逻辑编程代码的EEPROM存储器；
用于对网卡进行调试的JTAG接口；
用于与计算机主机系统连接的PCI\CPCI\PMC接口和PCIe接口；
用于与AFDX网络连接的网络接口；
用于对网卡各部件供电的电源电路。
所述MAC控制器设于FPGA芯片内部。
所述FPGA芯片分别由MDIO接口、PHY_rst_n接口，以及两个RGMII接口与PHY芯片连接。
所述DRAM存储器可采用两个16bit/512Mb/DDR2内存。
所述网络接口为双冗余或两个独立的10/100Base-T端口，即RJ45端口，并且有两个PHY芯片分别连接于FPGA芯片与两个RJ45端口之间。
一种航空电子全双工交换式以太网网卡的集成化方法，将终端系统需要的各层及通信接口的配置信息下载到FPGA芯片内的RAM内存中，并通过各功能模块和接口的电路连接，实现在板卡上集成传输层UPD、网络层IP、链路层Virtual Link，及物理层PHY四层协议。
所述终端系统需要的各层及通信接口的配置信息包括：
a、链路层配置：目的地址、源地址、虚拟链路；
b、IP层配置：源IP/单播目的IP、组播目的；
c、UDP层配置：源端口、目的端口；
d、通信接口配置：端口范围。
本发明的有益效果如下：
本发明将1～4层协议，即物理层、链路层(VL)、网络层(IP)、传输层(UDP)4层全部集成在网卡上实现。AFDX网卡系统完成了整个AFDX的大部分功能，软件部分只需要简单将数据及端口写入网卡的发送共享内存，已经从接收共享内存读取数据及端口即可，基本上与通信协议关系不是很大，并且操作非常简单。
本发明具有的优点如下：
1、可以大大简化应用层的开发，减轻开发人员的工作量。
2、非常便于在各个操作系统(如windows\Linux\VxWork等)中移植，因为软件及驱动程序功能简单，程序代码量很小。
3、硬件实现可以提高系统的运行效率，大大降低对计算机系统CPU的资源消耗，也能更好保证系统的实时性。
4、在某些应用中，经过二次开发，可以将航空电子设备直接与AFDX网卡进行连接。例如，某传感器只是将起采集到的数据发送给主机系统，这时我们可以在传感器和AFDX网卡直接做一个简单的接口，完成将传感器的数据写入AFDX网卡的发送内存中这一个简单的动作，即可实现数据的传输。这就可以不需要一个独立的计算机系统也完成使用AFDX网络进行数据通信。
AFDX终端网卡向上提供三种类型的通信接口：sampling，queuing以及SAP。应用软件通过接口(包括PCI、PCIe、PMC、CPCI等)下载硬件的配置以及发送和接收通信数据。
本发明的技术参数指标如下：
1.双冗余或两个独立的10/100Base-TAFDX端口(RJ45)。
2.在板卡上实现到UDP层，板卡上集成了传输层(UPD)、网络层(IP)、链路层(Virtual Link)及物理层(PHY)4层协议。
3.通过硬件实现的快速传输调度和虚拟链接过滤。
4.高性能的基于DMA的与主机应用程序间的数据传输。
5.支持PCI、PCIe接口，板卡缓存高达1Gb(DDR2)。
6.支持取样(Sampling)，列队(Queuing)和服务访问端口(SAP)配置。
7.处理器采用Xilinx的Virtex 5。
8.支持一次最大发送或接收8K字节的信息。
航空电子全双工交换式以太网(AFDX)可主要应用在航空电子数据系统通信及其他实时网络领域。本发明的AFDX网卡AECAFDX-ES01可以直接应用于AFDX总线的数据装载系统、AFDX仿真系统、AFDX集成系统等应用系统中。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是现有的航空电子系统通过AFDX进行通讯的模式示意图。
图2是本发明的电路连接图。
图3是本发明的数据发送流程框图。
图4是本发明的数据接收流程框图。
具体实施方式
实施例参见图2示，这种航空电子全双工交换式以太网网卡AECAFDX-ES01，包括以下连接在板卡上的功能模块及接口：
用于各硬件逻辑运算的FPGA芯片，采用Virtex 5，FPGA芯片与其他各功能模块及接口连接，通过逻辑编程实现传输层UDP、网络层IP及链路层Virtual Link三层协议；
用于控制与连接物理层PHY物理介质的MAC控制器，MAC控制器设于FPGA芯片内部；
用于连接RJ45端口和FPGA芯片的PHY芯片，以实现物理层协议，有两个PHY芯片分别连接于FPGA芯片与两个RJ45端口之间；
用于接收和发送数据缓存的DRAM存储器，采用两个16bit/512Mb/DDR2内存；
用于存储逻辑编程代码的EEPROM存储器；
用于对网卡进行调试的JTAG接口；
用于与计算机主机系统连接的PCI\CPCI\PMC接口和PCIe接口；
用于与AFDX网络连接的网络接口，可采用双冗余或两个独立的10/100Base-T端口，即RJ45端口；
用于对网卡各部件供电的电源电路。
所述FPGA芯片分别由MDIO接口、PHY_rst_n接口，以及两个RGMII接口与PHY芯片连接。
这种航空电子全双工交换式以太网网卡AECAFDX-ES01的集成化方法，将终端系统需要的各层及通信接口的配置信息下载到FPGA芯片内的RAM内存中，包括：
a、链路层配置：目的地址(DST MAC)、源地址(SRC MAC)、虚拟链路(BAG，Max_frame_size)；
b、IP层配置：源IP/单播目的IP(Src IP/Unicast Dst IP)、组播目的(MulticastDst IP)
c、UDP层配置：源端口(Src Port number)、目的端口(dst port number)；
d、通信接口配置：端口范围，(1)取样/列队接口配置列表：端口范围：1024-65535；(2)SAP接口配置列表：0～65535。
通过各功能模块和接口的电路连接，实现在板卡上集成传输层UPD、网络层IP、链路层Virtual Link，及物理层PHY四层协议。
参见图3所示，本发明的数据发送流程：用户程序将需要发送的数据块(最大8KB)及端口号写到发送共享内存(16K TX share memory)中，其余工作由硬件部分完成。
参见图4所示，本发明的数据接收流程：网卡将接收的数据块(最大8KB)及端口号写到接收共享内存(16K RX share memory)中，用户程序从接收共享内存(16K RX share memory)读取数据及端口即可完成接收流程。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种航空电子全双工交换式以太网网卡，其特征在于：包括以下连接在板卡上的功能模块及接口：
用于各硬件逻辑运算的FPGA芯片，采用Virtex 5，FPGA芯片与其他各功能模块及接口连接，通过逻辑编程实现传输层UDP、网络层IP及链路层Virtual Link三层协议；
用于控制与连接物理层PHY物理介质的MAC控制器；
用于连接网络接口和FPGA芯片的PHY芯片，以实现物理层协议；
用于接收和发送数据缓存的DRAM存储器；
用于存储逻辑编程代码的EEPROM存储器；
用于对网卡进行调试的JTAG接口；
用于与计算机主机系统连接的PCI\CPCI\PMC接口和PCIe接口；
用于与AFDX网络连接的网络接口；
用于对网卡各部件供电的电源电路。
2.根据权利要求1所述的航空电子全双工交换式以太网网卡，其特征在于：所述MAC控制器设于FPGA芯片内部。
3.根据权利要求1所述的航空电子全双工交换式以太网网卡，其特征在于：所述FPGA芯片分别由MDIO接口、PHY_rst_n接口，以及两个RGMII接口与PHY芯片连接。
4.根据权利要求1所述的航空电子全双工交换式以太网网卡，其特征在于：所述DRAM存储器采用两个16bit/512Mb/DDR2内存。
5.根据权利要求1所述的航空电子全双工交换式以太网网卡，其特征在于：所述网络接口为双冗余或两个独立的10/100Base-T端口，即RJ45端口，并且有两个PHY芯片分别连接于FPGA芯片与两个RJ45端口之间。
6.一种应用权利要求1-5任意一项所述的航空电子全双工交换式以太网网卡的集成化方法，其特征在于：将终端系统需要的各层及通信接口的配置信息下载到FPGA芯片内的RAM内存中，并通过各功能模块和接口的电路连接，实现在板卡上集成传输层UPD、网络层IP、链路层Virtual Link，及物理层PHY四层协议。
7.根据权利要求6所述的航空电子全双工交换式以太网网卡的集成化方法，其特征在于：所述终端系统需要的各层及通信接口的配置信息包括：
a、链路层配置：目的地址、源地址、虚拟链路；
b、IP层配置：源IP/单播目的IP、组播目的；
c、UDP层配置：源端口、目的端口；
d、通信接口配置：端口范围。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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