模組（module）系指由複數個具基礎功能之組件，組件組成之具特定功能之組件，該組件用以組成具完整功能之系統、設備或程式。節點就是指能上網的設備。節點控制模組（node control module）主要完成匯流排通信以及對控制模組發出指令的功能。模組的設計採取多種電路集成於一體的設計方案，一個節點控制模組可以控制多種對象。
基本介紹
- 中文名：節點控制模組
- 外文名：node control module
- 涉及學科：信息科學等
- 功能：匯流排通信及對控制模組發出指令
- 縮寫：NCM
- 設計：多種電路集成於一體
簡介,智慧型家居系統的節點控制模組,無線收發基站模組,繼電器開關控制模組,可控矽調光控制模組,信息開關模組,OBS核心節點的功能與控制需求,核心控制模組的總體結構設計,核心控制模組的硬體設計,FPGA硬體設計流程,有限狀態機的設計方法,核心控制模組的組成,
簡介
節點控制模組（node control module）主要完成匯流排通信以及對控制模組發出指令的功能。模組的設計採取多種電路集成於一體的設計方案，一個節點控制模組可以控制多種對象。
節點控制器一般是用來連線中心控制器的，然後每個節點控制器又可以通過手拉手的方式連線別的節點控制器，您停車場車位有多少，就可以量身定做多少套節點控制器，而且每個節點控制器還有4個接口，用來連線比如視頻車位引導屏，反向尋車終端，以及連線視頻引導探測器等設備，可以說功能非常強大。
功能特點：
●採用RS485通訊口，可以與多種設備通訊，適用於多設備停車場網路。
●用於對探測器進行分組管理，實現網路通訊的最佳化管理，保障系統安全；
●用於連線中央控制器和車位探測器、顯示屏、引導箭頭
●循環檢測所轄探測器的狀態，並將有關信息傳到中央控制器。
●實時顯示節點、探測器、引導屏的信息。
●顯示內容通過按鍵快速切換。
●通訊情況通過LED燈明確表示。
●使安裝調試和維護更加方便，快捷，減少維護成本。
下面以節點控制模組在智慧型家居和光突發交換中的套用對節點控制模組進行具體介紹。
智慧型家居系統的節點控制模組
所有智慧型家居系統的節點控制模組通過RS485家庭控制匯流排， 並遵循統一的家庭控制網路通訊協定，與系統信息控制中心相連，實現系統數據通訊。 在一條匯流排上可以掛接256個模組，從而實現家庭自動化控制的各種功能，模組類型包括：
無線收發基站模組
主要為了配合無線遙控器模組使用，是系統的必配件，作為無線收發基站，它將遙控器傳送來信息通過家庭控制網路傳給系統信息控制中心，再將系統信息控制中心的指令和短訊息信息通過無線射頻信號傳給無線遙控器，是無線信息轉化成有線家庭控制網路信息的地方；
繼電器開關控制模組
低功率迴路控制，採用高性能固態繼電器進行控制。在接到智慧型家居控制器的指令後，對家庭中的低功率電器，主要是燈光（還包括各種音響系統、電視機、電動窗簾）進行開關控制，控制功率為每迴路100瓦；
大功率電器控制模組：也是採用固態繼電器進行控制，但是其功率較大，且只有單路，在接到智慧型家居控制器的指令後，可對家中的大功率電器（如空調、熱水器）進行開關控制，控制功率為單迴路最大2,500瓦；
可控矽調光控制模組
採用可控矽進行低功率迴路控制。在接到智慧型家居控制器的指令後，其功能主要是對家庭中的燈光進行調光控制，控制功率為每迴路100瓦，調光範圍分為5檔棗0、25%、50%、75%、100%；
信息開關模組
信息開關徹底改變了原有的開關概念，用開關信息點來完成原有開關的功能，使得原有開關功能固定單一的不足，可通過設定相關控制參數，對任一控制點進行控制，從而實現群控功能。
除此之外，未來的監控節點模組還可以包括家庭環境檢測模組、住戶健康檢測模組等。
OBS核心節點的功能與控制需求
OBS網路核心節點的主要功能是光突發包的轉發和處理。根據光突發交換的原理，核心節點接收BCP，並根據BCP所攜帶的控制信息和當前網路狀況進行路由查找和信道資源調度。如果成功找到可用信道後，對光交換矩陣進行控制，為對應的BDP設定和預留光通道。當BDP到來時，就可直接通過已預留好的通道，在全光域裡實現交換。
其總體結構如圖所示，可分為三個部分：網路管理模組、核心控制模組、光交換矩陣。
網路管理模組負責網路管理信息的處理，實現功能包括網路的拓撲訊息更新、故障訊息處理及整個網路運行情況的監測，這是網路正常、高效、穩健運行的基礎和關鍵。同時，對核心節點進行一定的管理和配置。
核心控制模組用於處理已經過光電轉化的控制信道訊息。先解讀控制信道的訊息識別其類型，然後根據訊息類型做相應的處理。若為突發控制包，則根據突發控制包的具體內容和當前系統資源狀態進行資源調度，產生設定光交換矩陣所需的控制信號，並將突發控制包轉發至下一節點。若為普通網管數據包，負責將其交給網路管理模組。另外，信道資源的更新與維護也是由核心控制模組完成的。核心控制模組是核心節點的關鍵部分，是本文研究的重點。其具體實現的功能如下:
(3)控制信道控制分組網路層處理功能。OBS突發控制包是封裝在IP包中。核心節點要有網路層處理功能，對IP包進行檢查、處理，以及識別BCP報文類型轉發至上層，並且在傳送時進行IP包封裝等。
(4)控制信道突發控制包分析和處理功能。核心節點要在OBS層接收、讀取突發控制信息，並且檢查和區分不同類型的控制報文，按照OBS網路協定進行相應處理。
(5)數據信道的資源預留、調度以及資源庫管理與維護功能。這是核心節點的核心功能。要根據突發控制包的信息，對數據信道的波長資源進行調度，及時地為突發數據包建立和釋放全光鏈路。並且還要管理和維護數據信道的資源庫。該資源庫記錄當前信道資源的使用狀況，當使用狀況有變化時，需要進行及時地修改。
(6)路由功能。由於OBS網路是面向IP業務的，必須通過IP路由找到下一輸出節點，所以核心節點必須能根據路由信息查找路由表，實現數據的轉發。
光交換矩陣根據核心控制模組的調度結果設定光開關，為後續的BDP包提供全光通路，並將它們交換到正確的目的連線埠，核心節點必須提供突發數據包光域裡交換功能，使接收到的突發數據包能交換到任意連線埠的任意或同一波長上。
所設計的核心節點必須要能滿足以上的功能需求，並儘可能的提高處理速度和數據吞吐量，達到更加優良的性能。
核心控制模組的總體結構設計
核心控制模組的總體功能結構如圖所示。其中，接收子模組負責將在控制信道上收到的數據還原為MAC幀;解幀子模組負責解釋MAC幀，並提取出攜帶的信息;交叉矩陣子模組根據路由情況，將數據交換到相應的連線埠;調度子模組為核心處理的關鍵部分，主要負責資源的預留和調度及資源庫的維護管理;組幀子模組將數據重新恢復成MAC幀;傳送子模組將數據重新送回控制信道。
具體來說，當數據從邊緣節點通過控制信道到達核心節點後，核心控制模組中的接收子模組先將其恢復成一個MAC幀，然後進入解幀子模組，解幀將其去MAC頭後傳給交叉矩陣，交叉矩陣根據IP包的路由信息將數據包交換到目的連線埠對應的調度子模組，由調度子模組判斷offset time和波長資源的情況並對數據包進行合適的調度處理，調度子模組完成後，將數據傳給組幀子模組，組幀子模組將數據包還原為MAC幀後發給傳送子模組，最後由傳送子模組傳送到控制信道上。
核心控制模組的硬體設計
FPGA硬體設計流程
EDA (Electronic Design Automation)即電子設計自動化技術，是指以計算機為基本工作平台，把套用電子技術、計算機技術、智慧型化技術融合在一個電子CAD通用軟體包中，輔助進行三方面的電子設計工作，即積體電路設計、電子電路設計以及PCB設計。EDA技術的基本特徵是採用具有系統仿真和綜合能力的高級語言描述，一般採用自頂向下的模組化設計方法。如圖所示為基於EDA工具的FPGA數字設計流程。
有限狀態機的設計方法
在使用Verilog HDL進行電路輸入時，為了保證所編寫的代碼是可以綜合成數字電路的，以及綜合前和綜合後仿真的一致性，必須按照一定的原則編寫代碼。當時序邏輯比較複雜時，一般將其抽象成一個同步的有限狀態機(FSM: FiniteState Machine，以實現可綜合風格的Verilog HDL設計）
可綜合的有限狀態機有很多種描述方法，常見的有一段式(One-always Block）和兩段式(Two-always Block)描述法。一段式FSM描述法只用一個always模組實現整個狀態機，在該模組中即描述狀態轉移，又描述狀態的輸入和輸出;兩段式FSM描述法使用兩個always模組，其中一個always模組採用同步時序描述狀態轉移，另一個模組採用組合邏輯判斷狀態轉移條件，描述狀態轉移規律。一般而言，推薦兩段式FSM描述方法，除了可以提高設計的穩定性，消除毛刺，還便於閱讀、理解、維護，更重要的是利於綜合器最佳化代碼和用戶添加合適的時序約束條件，以及布局布線器實現設計。
對狀態機的狀態進行編碼也是實現狀態機的一個關鍵，一般來說在FPGA上實現的狀態機常採用獨熱碼(One-hot），每一個狀態用一個暫存器標識，雖然這樣使用較多的暫存器，但節省了組合電路，因而可以提高電路的速度和可靠性，而總單元數並無顯著增加。獨熱碼又可分為冗餘獨熱碼(Verbose One-hotEncoding)和簡明獨熱碼(Simplified One-hot Encoding）冗餘獨熱碼在狀態比較時需要比較所有的狀態暫存器，而簡明獨熱碼採用十進制數來標識各個狀態，這種方法可以比較一位而不是比較所有的狀態暫存器來判斷所處的狀態。
核心控制模組的組成
核心控制模組的組成框圖如圖所示，可分為時鐘模組、系統計時器、接收模組、幀解析模組、交叉矩陣、調度模組、幀生成模組和傳送模組。本文假設一個核心節點對應三個邊緣節點，因此有3路信道用來傳送突發控制包，每一路都有獨立的接收模組、幀解析模組、調度模組、幀生成模組和傳送模組，並通過交叉矩陣到達路由所指的節點。
各模組的主要功能如下:
- 時鐘模組，為系統的其他模組提供時鐘信號;
- 系統計時器，以一定的時鐘節拍(本文取1 OOM)計時，提供全局相對時間;
- 路由表，提供IP目的地址與目的連線埠號的對應關係;
- 接收模組，接收控制信道上的數據包，恢復成MAC幀後寫入到FIFO中;
- 幀解析模組，從FIFO中讀取MAC包，去MAC頭，對MAC頭、IP頭進行處理，查找路由，再傳送到下一級FIFO中;
- 交叉矩陣根據目的連線埠，將輸入連線埠的FIFO中的數據包交換到輸出連線埠的FIFO中;
- 調度模組:如果是OBS包，根據BCP進行調度、分配信道及時間片且轉入下級FIFO，並根據調度結果向光交換矩陣提供控制信號，如果不是，直接轉入到下級FIFO ;
- 幀生成模組:添加MAC頭，如果是OBS包，修改偏置時間;
- 傳送模組:將數據包傳送到控制信道上。
