FlexRay的通信控制器媒體接入控制設(shè)計(jì)

引言
當(dāng)前廣泛應(yīng)用的車載總線技術(shù)(如CAN、VAN、LIN等總線)由于缺少確定性、同步性及容錯(cuò)機(jī)制等并不能滿足要求，FlexRay聯(lián)盟推進(jìn)了FlexRay的標(biāo)準(zhǔn)化，使之成為了新一代汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。FlexRay關(guān)注的是當(dāng)今汽車行業(yè)的一些核心需求，包括更快的數(shù)據(jù)速率、更靈活的數(shù)據(jù)通信、更全面的拓?fù)溥x擇和容錯(cuò)運(yùn)算。
FlexRay總線中的每個(gè)接入端稱為節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)主要由電源供給系統(tǒng)(Power Supply)、總線驅(qū)動(dòng)器(Bus Driver)、固化有FlexRay通信協(xié)議的通信控制器(Communication Controller)及主機(jī)(Host)4個(gè)部分組成。通信控制器是通信節(jié)點(diǎn)的核心器件。它主要的功能有媒體接入控制、時(shí)鐘同步、編解碼、協(xié)議操作控制等。媒體接入控制功能是通信控制器的核心功能，解決數(shù)據(jù)進(jìn)入FlexRay通信控制器的方式，為通信控制器的編解碼功能做好時(shí)間準(zhǔn)備以及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。
本文提出一種FlexRay通信控制器媒體接入控制的設(shè)計(jì)方法。該方法直接訪問(wèn)內(nèi)存，大大縮短了獲取配置的時(shí)間；設(shè)計(jì)更加精簡(jiǎn)，能夠保證通信的穩(wěn)定性。

1 媒體接入控制的設(shè)計(jì)
本文提出的基于內(nèi)存方式實(shí)現(xiàn)媒體接入控制的方法包括以下步驟：首先，媒體接入控制模塊的所有子模塊在統(tǒng)一時(shí)鐘域下工作，用戶把與媒體接入控制相關(guān)的配置信息寫入內(nèi)存；然后，媒體接入控制的各個(gè)子模塊直接從內(nèi)存中讀取該信息。媒體接入控制原理圖如圖1所示。

時(shí)鐘產(chǎn)生模塊根據(jù)用戶的配置信息，對(duì)控制器晶振產(chǎn)生的最小時(shí)鐘節(jié)拍按照協(xié)議規(guī)定形成系統(tǒng)所需要的時(shí)鐘周期；控制模塊根據(jù)用戶配置的信息將時(shí)鐘周期進(jìn)一步劃分為4個(gè)獨(dú)立的段，即靜態(tài)段、動(dòng)態(tài)段、符號(hào)窗口、網(wǎng)絡(luò)空閑段；計(jì)時(shí)器模塊根據(jù)用戶配置信息實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，用來(lái)記錄媒體接入控制所需要的時(shí)間。
1．1 時(shí)鐘產(chǎn)生模塊
時(shí)鐘產(chǎn)生模塊實(shí)現(xiàn)媒體接入控制所需要的時(shí)鐘周期，為編解碼功能做好時(shí)間準(zhǔn)備，同時(shí)把該信息傳遞給控制模塊。該模塊首先從內(nèi)存中讀取所需配置信息，主要有g(shù)MacroPerCycle、gdStaticSlot、pMicroPerCycle。時(shí)鐘產(chǎn)生模塊根據(jù)這些配置信息進(jìn)行初始化操作，然后等待晶振的最小時(shí)鐘節(jié)拍(vMicrotick)。當(dāng)最小時(shí)鐘節(jié)拍大于等于pMicroPerCycle／(gMacroPerCyclc-1)時(shí)，該模塊產(chǎn)生周期。
時(shí)鐘產(chǎn)生模塊處理流程如圖2所示。

1．2 控制模塊
控制模塊主要為FlexRay通信控制器的媒體接入控制功能提供所需的時(shí)隙劃分，主要有靜態(tài)段(static segment)、動(dòng)態(tài)段(dynamic seg ment)、符號(hào)窗口(symbol window)、網(wǎng)絡(luò)空閑段(network idle time)。
本文提出的基于內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)控制功能的思路如下：首先從內(nèi)存中讀取所需要的配置信息，主要有g(shù)dstaticSloc、gNumberOfMinislo ts、gdSymbolWindow、gdActionPointOffset、gdMinislotActionPointOffset。當(dāng)接收到時(shí)鐘產(chǎn)生模塊提供的周期開始信號(hào)時(shí)，控制模塊根據(jù)gdstaticSloc實(shí)現(xiàn)周期中的靜態(tài)段。靜態(tài)段使用靜態(tài)槽實(shí)現(xiàn)TDMA，以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳輸。在每個(gè)通道，通信控制器上設(shè)置一個(gè)槽計(jì)數(shù)器(vslotcountcr)，統(tǒng)計(jì)靜態(tài)槽的個(gè)數(shù)。當(dāng)時(shí)鐘周期開始的時(shí)候，設(shè)置槽計(jì)數(shù)器的值為1；當(dāng)槽結(jié)束的時(shí)候，槽計(jì)數(shù)器的值加1。對(duì)于一個(gè)具體的簇，靜態(tài)槽的總數(shù)是一定的，由參數(shù)gNumberOfStaticSlots確定。對(duì)于每個(gè)靜態(tài)槽，F(xiàn)lexRay通信控制器根據(jù)用戶的配置和MAC模塊當(dāng)前的操作模式?jīng)Q定是否為編解碼模塊提供數(shù)據(jù)。
根據(jù)gNumberOfMinislots，該模塊實(shí)現(xiàn)周期中的動(dòng)態(tài)段。動(dòng)態(tài)段使用動(dòng)態(tài)槽實(shí)現(xiàn)事件觸發(fā)的媒體接入方法，以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的發(fā)送。通信控制器在每個(gè)通道上設(shè)置一個(gè)動(dòng)態(tài)槽計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)動(dòng)態(tài)槽的個(gè)數(shù)。每個(gè)動(dòng)態(tài)槽根據(jù)zMinislot來(lái)計(jì)數(shù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，動(dòng)態(tài)槽可能占用多個(gè)zMinislot；當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，動(dòng)態(tài)槽占用一個(gè)zMinislot。所以動(dòng)態(tài)槽的大小是根據(jù)是否有數(shù)據(jù)發(fā)送決定的。對(duì)于一個(gè)具體的簇，zMinisl ot的總數(shù)是一定的，由參數(shù)gNimberOfMinislots確定；最后它根據(jù)gdSymbolWindow實(shí)現(xiàn)周期中的符號(hào)窗口。最后一個(gè)周期中剩下的時(shí)間就是網(wǎng)絡(luò)空閑段。
具體處理流程如圖3所示。

2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證
確保設(shè)計(jì)正確性的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)驗(yàn)證，主要通過(guò)邏輯功能仿真。邏輯功能仿真是在不考慮信號(hào)延遲的情況下對(duì)設(shè)計(jì)的邏輯功能進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證過(guò)程是：首先編寫好設(shè)計(jì)的HDL代碼；然后編寫對(duì)應(yīng)的TestBcnch，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行關(guān)鍵性的驗(yàn)證；最后利用仿真軟件ModelSim進(jìn)行模擬，查看波形或者輸出，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則查找錯(cuò)誤原因、修改代碼或者測(cè)試文件，直到符合設(shè)計(jì)要求。
設(shè)計(jì)驗(yàn)證的首要工作是根據(jù)FlexRay協(xié)議設(shè)定具體的參數(shù)。具體參數(shù)的設(shè)定如下：gMacroPcrCycle=48，gdStaticSlot=4，pMicroPerCyc le=672，gNumberOfMinislots=15，gdSymbolWindow=3，gdActionPointOffsct=1，gdMinislotActionPointOffset=1。
圖4是時(shí)鐘產(chǎn)生模塊的周期信號(hào)圖。從圖中可以看到，時(shí)鐘產(chǎn)生模塊需要等待晶振的最小時(shí)鐘節(jié)拍信號(hào)，然后進(jìn)行判斷產(chǎn)生周期信號(hào)。當(dāng)周期信號(hào)開始時(shí)，周期編號(hào)從默認(rèn)的63變?yōu)?，然后一直編號(hào)下去直到63。

圖5是對(duì)圖4產(chǎn)生的周期信號(hào)開始周期的四個(gè)段的劃分。從圖中可以看到，0周期分為靜態(tài)段、動(dòng)態(tài)段、符號(hào)窗口、網(wǎng)絡(luò)空閑段。
圖6是靜態(tài)段的媒體接入方式。從圖中可以看到，槽計(jì)數(shù)器(vslotcounter)從1開始編號(hào)直到用戶配置的值。在第一個(gè)靜態(tài)槽實(shí)現(xiàn)了媒體接入。

圖7是動(dòng)態(tài)段的媒體接入方式。從圖中可以看到，周期8的動(dòng)態(tài)段有動(dòng)態(tài)槽計(jì)數(shù)器zMinislot，從0開始編號(hào)直到用戶配置的值。在第5個(gè)動(dòng)態(tài)槽實(shí)現(xiàn)了媒體接入。

結(jié)語(yǔ)
本文介紹了基于FlexRay協(xié)議的媒體接入控制的設(shè)計(jì)過(guò)程，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證。從仿真結(jié)果分析，它符合協(xié)議的要求，能夠生成通信控制器的時(shí)鐘周期，將時(shí)鐘周期進(jìn)一步劃分為4個(gè)段，并且給出靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段的具體媒體接入方式。