一种通信网关硬件可重构的方法
【专利摘要】本发明公开了一种通信网关硬件可重构方法，涉及通信领域。本方法首先，基于板卡电路和交叉开关设计一张电路网络，其中任何节点均可以进行点到点连通。其次，将物理接口和计算芯片集成到电路网络中，组成芯片资源布局图。再次，重构控制器对电路网络进行初始化检查，并对嵌入的计算芯片和物理层接口进行识别，了解资源信息。最后，重构控制器读取用户配置信息，对电路网络进行配置以连通所需的计算芯片与物理接口，对各个计算芯片进行编程与配置，组成系统并实现用户所需的功能和性能。本发明以物理接口和芯片资源为基础，通过可配置电路网络进行动态组合，达到网关硬件可重构的目的，灵活度高、可靠性高。
【专利说明】
一种通信网关硬件可重构的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种通信网关的硬件可重构设计方法，特别涉及一种基于可配置电路网络、通过改变芯片连接关系实现硬件可重构的设计方法。
【背景技术】
[0002]通信网关系统是指部署在网络系统中用以中继、融合数据的通信和计算平台。该系统通常部署于网络边界，可以将数据从一个网络自治区转发到另一个网络自治区。同时，通信网关系统还可以对本网络的数据进行处理，将汇总与融合后的信息进行广播。
[0003]通信网关硬件系统一般由功能各异的子系统构成。通信网关硬件子系统一般由物理接口和计算芯片以及连接电路组成，如图1所示。物理接口用于收发数据和感知外界信息，是数据产生的源头、去处;计算芯片将接收的通信信号解析为通用格式的数据，进行计算后将要发送的数据解码成为通信信号发送到物理接口。例如，激光通信仪通过传感器接口收到信息后，由专门的信号处理器进行解码，将信号解析为红外图像数据传递给计算芯片;计算芯片根据任务需求对数据进行处理，存储并转发到地面网关或者其他通信网关。整个硬件网关的所有通信网关硬件子系统都具有相似模式，主要区别在于具体的算法与实现方案。
[0004]需要强调的是，电路网络和总线交换是芯片数据交换的两个重要手段。前者主要指PCB板卡预埋的电路、导线等；后者主要指MIL-STD-1553B总线、CAN总线、以及以太网等。本质上，两者最大的区别在于是否独享物理链路。电路网络是芯片到芯片的独享数据通道，属于物理层面;总线用于多个芯片之间通信，其不仅要求物理连通，还需要专用芯片进行数据编码、决定总线的使用权等，强调逻辑层面。例如，CAN总线利用节点优先级决定数据发送权限，使用差分信号编码。
[0005]为了达到可靠的通信、计算性能，现有通信网关硬件系统通常使用双冗余保障系统级可靠性，即在专用计算器件的基础上采用两套通信/计算系统、数据接口。然而，每套系统中任何芯片发生错误或损坏都将导致整个系统故障。
[0006]此外，现有通信网关硬件系统通常针对特定应用场景进行优化，当通信环境发生变化时，无法进行相适应的优化。例如，天基通信系统中，由于网关节点的位置不固定、通信链路延迟较大、链路中断频繁等问题导致网关系统可能在工作过程中产生不同类型的计算、存储和通信瓶颈，而现有网关硬件系统无法进行针对性的优化。
[0007]针对上述问题，先进通信计算机架构(Advanced Telecom ComputingArchitecture，ATCA)技术孕育而生。ATCA设计初衷是为了提高计算系统性能，其采用多块任务板相配合实现复杂计算功能，任务板之间通过标准数据交换板进行通信。同时，ATCA架构的系统也可以对任务板卡的功能进行配置，进而从一定程度上实现可重构。任务板可以是标准板卡，也可以是符合通信标准的定制板卡。从传统网关设计思路来看，ATCA架构由于可以对任务进行配置，具有更高的灵活度。然而，从本质来讲，ATCA仅能够提供板卡级的任务配置。
[0008]基于FPGA的可重构技术是上述问题的另一个方案。该技术主要对FPGA芯片内部的可编程逻辑资源进行重组，无法对FPGA外的芯片连接、逻辑关系进行配置。
【发明内容】
[0009]为解决上述技术问题，本发明提出一种通信网关硬件可重构的方法，本发明方法将物理接口和计算芯片作为基本单元，通过可配置电路网络将基本单元进行动态组合，进而达到芯片级可重构特性。
[0010]本发明所采取的技术方案为:
[0011]—种基于可配置电路网络的网关硬件可重构方法，包括以下步骤:
[0012](I)基于可重构电路网络、计算芯片和物理接口，建立硬件芯片资源网；所述的可重构电路网络包括重构控制器、任务/应急数据库和控制电路连通关系的电路网络；
[0013](2)重构控制器对硬件芯片资源网进行初始化后，实时检查计算芯片、物理接口和电路网络的运行状态，获取全局芯片资源布局图；
[0014](3)重构控制器读取任务/应急数据库，获取任务场景及实现该任务场景所对应的芯片资源连接图，并根据芯片资源连接图配置电路网络，得到一个或者多个通信网关硬件资源子系统；
[0015](4)重构控制器读取任务/应急数据库，根据任务/应急数据库对各个通信网关硬件资源子系统进行配置;所述的配置包括计算芯片编辑、操作系统和任务程序导入；
[0016](5)重构控制器发送启动信号，各个通信网关硬件资源子系统开始正常工作。
[0017]其中，步骤(I)所述的可重构电路网路通过PCB多层板布线网络和交叉开关建立，将电路网络上的任意两个节点进行连通;所述的节点为计算芯片、物理接口和重构控制器。
[0018]其中，步骤(I)中I个或多个计算芯片与I个物理接口组成基本单元;所述的重构控制器将基本单元进行物理连通形成可重构电路网络;任务/应急数据库用于存储配置计算芯片功能的逻辑程序以及用于各种任务场景、紧急情况的预案与策略;计算芯片之间通过电路网络点对点连接进行通信;物理接口为以太网物理接口、传感器接口或者信号采集器接口。
[0019]其中，步骤(3)具体包括步骤:
[0020](301)重构控制器读取任务/应急数据库，获取任务场景及实现该任务场景所对应的芯片资源连接图；所述的芯片资源连接图根据全局芯片资源布局图及应用场景得到；
[0021](302)判断芯片资源是否满足任务场景需求，如果满足，则根据芯片资源连接图配置电路网络，执行步骤(4);如果不满足，则执行步骤(301)。
[0022]其中，所述的通信网关硬件资源子系统包括电路网络、I个或多个计算芯片和I个物理接口；多个通信网关硬件资源子系统设置在同一板卡上，并通过总线进行通信，每个通信网关硬件资源子系统与总线都是点对点连接。
[0023]其中，步骤(4)所述的计算芯片编辑为计算芯片的组合形式;所述的操作系统包括嵌入式Linux或者VxWorks操作系统。
[0024]其中，重构控制器通过配置计算芯片的数量、多个通信网关硬件资源子系统的连接架构对可重构网络进行优化。
[0025]其中，各个通信网关硬件资源子系统运行过程中，重构控制器检查到计算芯片失效或者计算瓶颈，则重复步骤(2)至步骤(5)，重构控制器从任务/应急数据库中提取对应的紧急情况预案及策略，对各个通信网关硬件资源子系统进行重新配置。
[0026]本发明与现有技术相比，具有如下优点:
[0027](I)本发明提供芯片级可重构，其灵活度远高于基于FPGA的可重构方法、ATCA架构等，具有达到更尚可靠性的潜力；
[0028](2)本发明以可重构电路网络为核心，对物理连通关系进行优化，不需要对现有芯片进行重新设计；
[0029](3)本发明可以通过重复配置计算芯片、物理接口等，动态组合计算芯片的方式达到更高的可靠性；
[0030](4)本发明可以根据任务场景动态调节信号处理的流程，通过动态调整计算芯片的数量，进而调整子系统计算性能以应对可能出现的计算瓶颈。
【附图说明】
[0031]图1是现有技术中网关硬件子系统模块图；
[0032]图2是本发明的硬件芯片资源网架构；
[0033]图3是本发明的可重构通信网关工作流程图；
[0034]图4是本发明实施例的通信网关硬件系统设置；
[0035]图5是本发明的加强子系统B计算能力的通信网关硬件系统设置；
[0036]图6是本发明的子系统B冗余的通信网关硬件系统设置。
【具体实施方式】
[0037]下面，结合附图对本发明作进一步说明。
[0038]通信网关硬件系统中，计算芯片和物理接口通过电路进行连接并构成通信网关硬件子系统，多个通信网关硬件子系统通过电路连接构成通信网关硬件系统。通信网关硬件系统通过冗余部署子系统(最小的基本功能单元)来达到可靠性。如果将物理接口和计算芯片作为基本单元，通过配置电路网络的连通性对通信网关硬件系统的各个子系统硬件进行组合，则可以将可重构性提升到芯片的层次，进而大大增加了系统的灵活度和可靠性。
[0039]—种通信网关硬件可重构方法，包括以下步骤:
[0040](I)基于可重构电路网络、计算芯片和物理接口，建立硬件芯片资源网；所述的可重构电路网络包括重构控制器、任务/应急数据库和控制电路连通关系的电路网络;硬件芯片资源网架构如图2所示。可重构通信网关工作流程如图3所示。
[0041 ]将通信网关硬件系统划分为物理接口和计算芯片P，并将这些物理接口和计算芯片P嵌入电路网络的节点上;基于PCB多层板布线网络和交叉开关建立可重构电路网络，其可以将电路网络任意两个节点进行连通。
[0042]物理接口用于接驳天线、光纤网口、双绞线网口等输入/输出端，其将微波、光、电脉冲形式的信号转换成不依赖介质的信号。物理接口可以是以太网物理接口，也可以是传感器、信号采集器等。
[0043]可重构电路网络主要包括重构控制器、可控制任意两点连通关系的电路网络和任务/应急数据库组成。其中，重构控制器用于配置可重构电路网络，将计算芯片与物理接口进行物理连通，组成功能系统。任务/应急数据库用于存储可重构网络的配置方案，具体为用于配置芯片功能的逻辑程序以及适用于广泛任务场景、紧急情况的预案与策略。电路网络作为物理层连通网络，其仅针对信号进行传递，不进行任何处理与存储。
[0044]计算芯片经过电路网络连接后，与物理接口组成功能子系统，用于对数据进行处理与转发等任务。
[0045]硬件芯片资源网的可重构性来源于电路网络的动态连接特性，其属于物理层范畴，对各个芯片和物理接口透明。重构组成的硬件系统满足芯片之间、芯片与物理接口之间的信号时序约束。重构操作属于不频繁、非常规操作，仅在需要对硬件进行的时候才进行。
[0046]多个任务子系统可以在同一板卡上实现，并通过总线进行通信，每个任务子系统与总线都是点对点连接。
[0047](2)重构控制器对硬件芯片资源网进行初始化后，实时检查计算芯片、物理接口和电路网络的运行状态，获取全局芯片资源布局图；
[0048]硬件芯片资源网加电后，重构控制器对电路网络、物理接口、以及计算芯片进行检查，根据自检结果获得全局芯片资源布局图；
[0049](3)重构控制器读取任务/应急数据库，获取任务场景及实现该应用场景所对应的芯片资源连接图，并根据芯片资源连接图配置电路网络，得到一个或者多个通信网关硬件资源子系统；
[0050]通过对可重构电路网络进行配置，将物理接口与计算芯片按需组合成为具有广泛适用性的任务子系统，例如高性能路由器的线卡、卫星通信系统中姿态控制器等;通过对可重构电路网络的冗余规划，可以为动态重构提供更高的灵活性和资源组合能力。
[0051](4)重构控制器读取任务/应急数据库，根据任务/应急数据库对各个通信网关硬件资源子系统进行配置;所述的配置包括计算芯片编辑、操作系统和任务程序导入；
[0052]计算芯片通过组合形成以FPGA或CPU为核心的任务子系统；
[°°53] 任务子系统作为一个逻辑硬件实体，可以提供FPGA、嵌入式Linux以及VxWorks等计算环境；
[0054]重构控制器从任务/应急数据库中读取FPGA逻辑、操作系统、任务程序，对任务子系统进行配置与优化。
[0055]计算芯片经过配置后做为计算模块、总线控制器或者编解码器等；编解码器将物理接口传递来的信号进行解码，并转换成为标准数据格式，同时将发往物理接口的标准数据进行编码，生成相应的信号，物理接口和编解码器通常为对应关系。
[0056]通过配置多个计算芯片、改变任务子系统的处理架构等方式针对网络变化进行优化，如图4至图6所示。实框的计算芯片P是经过配置的计算芯片;虚框的计算芯片P是没有经过配置的计算芯片，在系统里没有扮演任何角色;虚框的重构控制器及物理接口是当前系统中未使用到的。
[0057](5)重构控制器发送启动信号，各个通信网关硬件资源子系统开始正常工作。
[0058]各通信网关硬件资源子系统工作过程中，如果遇到芯片损坏或计算资源需要重新调配等情况，则重复步骤(2)至步骤(5)，重构控制器从任务/应急数据库中提取应急方案，对各通信网关硬件资源子系统进行重新配置，达到芯片级的可靠性保障。
【主权项】
1.一种通信网关硬件可重构的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)基于可重构电路网络、计算芯片和物理接口，建立硬件芯片资源网；所述的可重构电路网络包括重构控制器、任务/应急数据库和控制电路连通关系的电路网络； (2)重构控制器对硬件芯片资源网进行初始化后，实时检查计算芯片、物理接口和电路网络的运行状态，获取全局芯片资源布局图； (3)重构控制器读取任务/应急数据库，获取任务场景及实现该任务场景所对应的芯片资源连接图，并根据芯片资源连接图配置电路网络，得到一个或者多个通信网关硬件资源子系统； (4)重构控制器读取任务/应急数据库，根据任务/应急数据库对各个通信网关硬件资源子系统进行配置;所述的配置包括计算芯片编辑、操作系统和任务程序导入； (5)重构控制器发送启动信号，各个通信网关硬件资源子系统开始正常工作。2.根据权利要求1所述的一种通信网关硬件可重构的方法，其特征在于，步骤(I)所述的可重构电路网路通过PCB多层板布线网络和交叉开关建立，将电路网络上的任意两个节点进行连通;所述的节点为计算芯片、物理接口和重构控制器。3.根据权利要求2所述的一种通信网关硬件可重构的方法，其特征在于，步骤(I)中I个或多个计算芯片与I个物理接口组成基本单元;所述的重构控制器将基本单元进行物理连通形成可重构电路网络;任务/应急数据库用于存储配置计算芯片功能的逻辑程序以及用于各种任务场景、紧急情况的预案与策略;计算芯片之间通过电路网络点对点连接进行通信;物理接口为以太网物理接口、传感器接口或者信号采集器接口。4.根据权利要求1所述的一种通信网关硬件可重构的方法，其特征在于，步骤(3)具体包括步骤: (301)重构控制器读取任务/应急数据库，获取任务场景及实现该任务场景所对应的芯片资源连接图；所述的芯片资源连接图根据全局芯片资源布局图及应用场景得到； (302)判断芯片资源是否满足任务场景需求，如果满足，则根据芯片资源连接图配置电路网络，执行步骤(4);如果不满足，则执行步骤(301)。5.根据权利要求1所述的一种通信网关硬件可重构的方法，其特征在于，所述的通信网关硬件资源子系统包括电路网络、I个或多个计算芯片和I个物理接口；多个通信网关硬件资源子系统设置在同一板卡上，并通过总线进行通信，每个通信网关硬件资源子系统与总线都是点对点连接。6.根据权利要求1所述的一种通信网关硬件可重构的方法，其特征在于，步骤(4)所述的计算芯片编辑为计算芯片的组合形式;所述的操作系统包括嵌入式Linux或者VxWorks操作系统。7.根据权利要求5所述的一种通信网关硬件可重构的方法，其特征在于，重构控制器通过配置计算芯片的数量、多个通信网关硬件资源子系统的连接架构对可重构网络进行优化。8.根据权利要求1至7任一所述的一种通信网关硬件可重构的方法，其特征在于，各个通信网关硬件资源子系统运行过程中，重构控制器检查到计算芯片失效或者计算瓶颈，则重复步骤(2)至步骤(5)，重构控制器从任务/应急数据库中提取对应的紧急情况预案及策略，对各个通信网关硬件资源子系统进行重新配置。
【文档编号】H04L12/66GK105959215SQ201610457922
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】付文亮, 卢宁宁, 张海鹏, 杨悦
【申请人】中国电子科技集团公司第五十四研究所