一种基于超周期的时分复用MAC控制系统及方法

本发明涉及fpga通信控制、时分复用mac（media access control，介质访问控制）调度及实时总线控制，尤其涉及一种基于超周期的时分复用mac控制系统及方法。

背景技术：

1、现有嵌入式时分复用mac调度方案普遍采用固定时隙分配机制：系统上电后为每一个从节点在每一个通信周期内分配固定时隙资源，无论从节点是否存在新业务数据，对应时隙、配套帧头、保护间隔、校验字段都会占用传输带宽。对于存在高低频混合更新需求的多节点系统，低频从节点在无数据更新周期内会产生大量无效传输开销，大幅降低信道有效利用率。

2、同时，现有方案缺少轻量化突发事件快速感知机制。传感器超限、节点掉线、通信超时等异常事件必须等待对应节点下一个固定时隙才能上报，最坏事件等待时长接近一整个通信周期，实时性较差；若单纯增加多处事件查询时隙，又会挤占正常业务数据传输带宽，形成开销与实时性的矛盾。

3、除此之外，传统调度架构故障隔离能力弱：单个从节点出现响应超时、数据校验错误、错位、旧帧反馈时，调度状态机容易陷入等待卡死状态，阻塞后续全部节点时隙访问；若采用工业以太网、动态仲裁等复杂协议，又会大幅提升fpga（field-programmable gatearray，现场可编程门阵列）逻辑资源占用、增加时序验证难度，硬件开发与时序收敛成本高，不适合资源受限的小型嵌入式硬件平台。

4、综上，现有固定时分复用mac技术同时存在时隙资源浪费、突发事件响应滞后、单点故障阻塞全局调度、协议硬件实现成本高四大缺陷，难以适配资源受限、高可靠要求的小型分布式实时通信场景。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于超周期的时分复用mac控制系统及方法，解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于超周期的时分复用mac控制系统，包括主节点mac控制器与多个从节点；

3、主节点mac控制器包含配置寄存器模块、超周期调度模块、a1调度帧生成模块、事件窗口控制模块、a2响应帧解析模块、异常隔离模块、状态监测模块；

4、配置寄存器模块存储各从节点调度参数与事件窗口配置参数；超周期调度模块基于各从节点数据更新周期生成最小公倍超周期调度表，输出带节点使能掩码的调度状态；a1调度帧生成模块依据调度状态封装并下发a1调度帧，分时访问被使能从节点；事件窗口控制模块在通信周期内置可配置事件窗口，分两级执行事件查询；a2响应帧解析模块校验从节点回传a2响应帧的时序与帧序号一致性；异常隔离模块标记异常节点且不阻塞后续时隙调度；状态监测模块对外输出全局调度、事件、异常运行状态；

5、主节点、从节点通过通信链路完成a1调度帧下发、a2响应帧回传的时分复用交互。

6、优选的，从节点调度参数包含节点编号、数据更新周期、节点优先级、单节点有效数据长度、异常超时阈值；所述事件窗口配置参数包含事件窗口数量、窗口位置、一级事件标志位长度、二级事件数据读取长度。

7、优选的，超周期调度模块计算全部从节点数据更新周期的最小公倍数作为超周期长度，在超周期内为每个通信周期生成独立调度状态；调度状态携带周期编号、轮次编号、节点使能掩码、时隙编号、事件窗口编号；当当前周期编号匹配对应从节点更新时序时，节点使能掩码对应位置置有效；超周期计数器在1至区间循环计数，当计数值达到后下一周期重置为1，即按照预生成的超周期调度表循环读取对应调度状态，其中为超周期总长度。

8、优选的，事件窗口控制模块区分一级事件标志查询窗口、二级事件数据读取窗口；一级窗口仅读取短长度事件标志字段，当事件标志判定有效时，启动二级窗口读取事件类型、异常码、事件载荷数据；个事件窗口在单通信周期内近似均匀排布，此时可配置事件窗口数量根据突发事件最大等待时间、事件查询开销、正常数据传输效率联合确定，突发事件最大等待时间满足近似公式：

9、；

10、其中，为突发事件最大等待时间，为单段通信周期时长，为事件识别后处理与上传耗时。

11、优选的，a2响应帧解析模块校验a2响应帧内响应序号、周期编号、轮次编号、帧校验字段与当前调度状态是否匹配；匹配失败、通信超时、数据校验错误时触发异常隔离模块；异常隔离模块对异常节点执行一种或多种降级处理策略，包括跳过完整访问、低频心跳查询、一级事件标志查询或故障恢复后重新开放完整数据访问。

12、本发明还提供一种基于超周期的时分复用mac控制方法，包括以下步骤：

13、s1、采集并存储全部从节点调度参数、事件窗口参数；

14、s2、计算各从节点更新周期最小公倍数生成超周期调度表，输出实时调度状态与节点使能掩码；

15、s3、根据调度状态生成a1调度帧，仅访问掩码标记有效的从节点；

16、s4、在通信周期事件窗口执行两级事件查询；

17、s5、接收并校验从节点返回a2响应帧，识别通信异常并隔离异常节点，不中断后续时隙调度；

18、s6、同步更新全局调度、节点、事件、异常状态寄存器，不中断当前周期剩余时隙调度；

19、s7、基于异常标记调整下一超周期节点访问权限；

20、s8、循环执行s2至s7，形成时分复用调度闭环。

21、优选的，s2中，单个从节点的使能判定条件为：

22、；

23、其中，为当前通信周期编号，为第个从节点的数据更新周期，mod表示取模运算；

24、超周期总长度为全部从节点更新周期的最小公倍数，计算公式为：

25、；

26、其中，为系统从节点总数量，，为各个从节点的数据更新周期，为最小公倍数运算。

27、优选的，s4的两级事件查询流程为：一级窗口读取事件标志；标志无效则直接跳转至下一从节点时隙；标志有效则启动二级窗口完整读取事件相关数据；事件类型包含数据超阈值、通信超时、节点状态异常、心跳丢失、高优先级外部触发告警。

28、优选的，s5中，判定异常的条件包含a1/a2帧序号不匹配、周期/轮次编号错位、帧校验错误、从节点响应超时；异常隔离处理屏蔽当前异常节点访问链路，其余正常从节点按时序正常轮询；异常隔离同步记录异常节点编号、异常周期编号、异常轮次编号、异常窗口编号、异常码五类故障信息，并在下一超周期根据存储故障标记调整对应从节点访问权限。

29、优选的，单个完整超周期由多段通信周期依次循环组成；超周期内高频更新节点在全部通信周期保持使能，低频更新节点仅在匹配自身更新周期的通信周期内置为有效，消除无数据节点的空时隙传输开销。

30、因此，本发明采用上述一种基于超周期的时分复用mac控制系统及方法，具有的有益效果为：

31、1、本发明采用最小公倍超周期+节点使能掩码机制，低频从节点仅在自身更新周期参与时隙传输，无数据周期直接跳过访问，省去传统固定时隙带来的帧头、保护间隔、收发切换、校验字段无效带宽消耗，且带宽利用率提升20%以上。

32、2、通过一级轻量化事件标志查询、二级按需读取完整事件数据的分层架构，常态下仅占用极小查询开销；采用窗口均匀排布约束匹配量化公式，可根据场景灵活配置窗口数量，平衡告警实时性与业务带宽。

33、3、设置响应序号、周期编号、轮次编号三重时序校验机制，精准过滤错位旧响应帧；针对超时、校验错误等故障设置三级降级隔离策略，单个异常节点不会阻塞本周期其余正常节点时隙调度，避免全局通信卡死，避免全局通信卡死，大幅提升资源受限分布式实时通信系统的稳定性和可靠性。

34、4、超周期调度、事件窗口控制、异常隔离全部通过fpga有限状态机固化，处理器仅通过axi（advanced extensible interface，高级可扩展接口）-lite负责参数配置与状态监测，无需复杂上层协议栈，逻辑资源占用低、时序收敛难度小，调度全程具备严格硬实时确定性。

35、5、调度周期、事件窗口数量、异常处理阈值全部寄存器可配置；参数支持axi-lite实时下发或fpga查找表预固化上电加载，无需修改底层逻辑即可适配不同节点规模、更新频率、告警需求场景，拓展性强。

36、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。