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CN115086109A - 消息处理器 - Google Patents

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CN115086109A
CN115086109A CN202210691261.7A CN202210691261A CN115086109A CN 115086109 A CN115086109 A CN 115086109A CN 202210691261 A CN202210691261 A CN 202210691261A CN 115086109 A CN115086109 A CN 115086109A
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D·库尔卡尼
托尔斯滕·赫夫莱特
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Original Assignee
Renesas Electronics Corp
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Abstract

描述了消息处理器(61,62)。该消息处理器被配置为响应于接收根据给定的通信协议(例如CAN或以太网)被格式化并且包括包引导数据(22；图4)和有效载荷数据(23；图4)的数据包(131,132)，生成具有包括头(24；图4)和有效载荷数据(25；图4)的预定数据格式的包(14)，例如第2层包或第3层包。头包括根据包引导数据生成的地址，并且其中有效载荷包括数据包。具有预定数据格式的包(14)可以是IEEE1722帧。

Description

消息处理器
本申请是申请日为2016年2月18日、申请号为201680080906.6(国际申请号为PCT/EP2016/053459)且名称为“消息处理器”的发明的分案申请。
技术领域
本发明涉及消息处理器(handler)和控制单元，该控制单元包括至少两个消息处理器和被配置为在消息处理器之间切换或路由数据包的消息转发器。
背景技术
网关允许不同网络接口之间的信息交换。网络接口可以使用相同或不同的OSI物理层(“第1层”)、数据链路(“第2层”)和/或诸如以太网、控制器局域网(CAN)、FlexRay和面向媒体的系统传输(MOST)的网络层(“第3层”)协议。网关的示例包括以太网交换机、数字用户线路接入复用器(DSLAM)和现场总线网关。
同一协议中的第2层网关(例如以太网10/100/1000交换机和CAN/CAN网关)往往很简单，这是因为尽管数据速率可能会发生变化，但是数据链路层中的帧是相同的。跨越协议的第2层网关(例如CAN/CAN-FD网关)可以在不改变网络层上的分组(packet)(或“包(package)”)的情况下提供重新成帧(re-framing)。第3层网关(例如IPv4/IPv6网关或CAN/以太网网关)可以针对不同的寻址和流量控制要求重新构造分组。第4层至第7层网关(例如TCP/UDP网关和AUTOSAR信号网关)允许在不同传输协议之间进行改变并重新组装信息。
同一协议或协议族中的第2层网关往往以硬件实现，并且此类网关的示例包括瑞萨RH850/C1M微控制器中的CAN/CAN网关和瑞萨RH850/D1M微控制器中的CAN/CAN-FD网关。
参考图1，第3层网关通常以软件实现。微控制器具有一组网络接口和由微控制器的中央处理单元执行的软件，该微控制器可以基于配置矩阵重新组装分组。此类网关的示例包括USB/UART转换器和汽车CAN/LIN/FlexRay网关。由于通信协议具有不同的寻址方案并具有不同的消息结构，因此软件提供在不同协议之间转换的灵活性。
第4至第7层网关通常以软件实现。在更高层重新组装数据往往需要显著的可配置性和灵活性，尽管基于硬件的解决方案是可能的，例如，在诸如视频数据的时间先决、转换特定的情况下，但是这实际上只能通过基于软件的实现完成。
网络层包的成帧通常在硬件中实现，并且对于路由机制是透明的。发生分组成帧的示例包括以太网MAC、FlexRay通信控制器和CAN协议引擎。所有协议都倾向于具有单独的、优化的接口以与更高层交换信息。
同一协议族中的第3层网关也倾向于易于以硬件实现。在涉及例如CAN/CAN-FD转换和IPv4/IPv6转换的情况下，仅需要对分组结构进行最小的改变。
涉及不同协议的第3层网关往往难以以硬件实现，这是因为需要重新格式化分组以适应不同的寻址、路由和流量控制方案。分组转换(packet conversion)通常需要灵活的、可配置的数据操作单元。这可能导致信息缺口，这是因为并非所有帧信息都是可转换的，例如在以太网长度到CAN DLC的情况下。
寻址方案转换需要两个网络层之间的可配置转换表。流量控制方案转换通常需要新的第4层传输协议或其它高级支持。
通信系统越来越多地包括互连的多于一种类型的总线系统。这使得数据的转发更加复杂。
US2014/0133350A1描述了一种用于连接至少两个子网的网关模块，该至少两个子网包括分别根据第一通信协议和第二通信协议支持数据传输的第一子网和第二子网。网关模块具有可配置的硬件电路，该硬件电路适于考虑第一通信协议和第二通信协议，操纵和转发来自第一子网和至第二子网的数据。然而，随着通信协议的数量和类型的增加，这种类型的网关变得越来越复杂或需要硬件修改。因此，当引入新的通信接口时，不仅必须添加新的接口模块，而且还需要修改网关模块。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种消息处理器。消息处理器被配置为响应于接收根据给定的通信协议被格式化并且包括包引导数据和有效载荷数据的数据包，生成具有包括头和有效载荷数据的预定数据格式的包，例如第2层包或第3层包。头包括根据包引导数据生成的地址，并且有效载荷包括包。
因此，用于不同通信协议的不同消息处理器可以在控制单元中提供，并被用于生成具有通用数据格式的包。这有助于促进两个或更多个通信总线与主处理器之间的数据交换，并且使得基于硬件的交换机或路由器能够用于在总线之间交换数据。因此，无论使用何种特定的通信协议，无论它们是相同还是不同的协议，都可以使用相同的路由机制。
传入数据包可以不包括循环冗余校验数据。传入数据包可以包括时间戳。
包引导数据可以包括消息标识或消息内容标识符(可以用于标识多播目的地)，或目的地节点地址。地址可以是流标识符。
消息处理器可以被配置为将数据从包引导数据中的第一字段复制到头中的对应字段中。消息处理器可以被配置为将预定数据添加到头中的第二字段。预定数据可以由主处理器提供。消息处理器可以被配置为根据来自第一字段的数据将计算数据添加到头和/或根据来自第二字段的数据将计算数据添加到头中的第二字段，将计算数据添加到头。
消息处理器可以被配置为响应于接收具有包括头和有效载荷数据的预定数据格式的包，提取根据给定的通信协议被格式化并且包括包引导数据和有效载荷数据的数据包。
根据本发明的第二方面，提供了一种消息处理器，被配置为响应于接收具有包括头和有效载荷数据的预定数据格式的包，提取根据给定的通信协议被格式化并且包括包引导数据和有效载荷数据的数据包。
具有预定数据格式的包可以是IEEE 1722帧。预定数据格式可以符合IEEE 1722。具有预定数据格式的包可以是AVTP控制消息。地址可以是流ID。具有预定数据格式的包可以是第2层帧。具有预定数据格式的包可以是IP包，例如IPv4或IPv6包。
给定的通信协议可以是ISO 11898-1(或“CAN 2.0”)。给定的通信协议可以是控制器局域网灵活数据速率(CAN-FD)协议。给定的通信协议可以是FlexRay协议。给定的通信协议可以是IEEE 802.3(即以太网)。给定的通信协议可以是面向媒体的系统传输(MOST)协议。给定的通信协议可以是基于以太网的。给定的通信协议可以是EtherCAT、CC-Link IEField、PROFINET、EtherNet/IP、Modbus TCP或FL-net。
根据本发明的第三方面，提供了一种网络接口模块，该网络接口模块是硬件实现的，包括协议引擎和消息处理器，并且被配置为与协议引擎交换根据给定的通信协议被格式化的数据包。
根据本发明的第四方面，提供了一种中央处理单元子系统，包括中央处理单元、存储器和存储在存储器或其它储存器中的计算机程序，当由中央处理单元执行时，该计算机程序使得中央处理单元执行消息处理器。
根据本发明的第五方面，提供了一种消息转发器，被配置为与第一消息处理器和第二消息处理器交换具有预定数据格式的包，该第一消息处理器和第二消息处理器用于根据相应的第一通信协议和第二通信协议处理消息。消息转发器可以是第2层交换机和/或第3层路由器。
根据本发明的第六方面，提供了一种控制单元，包括：第一消息处理器或网络接口模块，被配置为处理根据第一通信协议被格式化的数据包；第二消息处理器或网络接口模块，被配置为处理根据第二通信协议被格式化的数据包；和消息转发器，被配置为在第一消息处理器和第二消息处理器之间交换具有预定数据格式的包。消息转发器可以是第2层交换机或第3层路由器。
第一通信协议和第二通信协议可以是不同的。第一通信协议和第二通信协议可以是相同的。
控制单元可以进一步包括第三消息，被配置为处理根据第三通信协议(可以与第一通信协议和/或第二通信协议相同或不同)被格式化的数据包。
控制单元可以进一步包括中央处理单元系统，其中消息转发器被配置为在中央处理单元子系统与第一消息处理器和/或第二消息处理器之间进行交换。
控制单元可以是集成电路，例如微控制器或片上系统。
根据本发明的第七方面，提供了一种通信系统，包括至少两组总线和连接到总线的至少一个根据本发明第二方面的控制单元。总线可以包括不同类型的(例如CAN、CAN-FD和以太网)总线。
根据本发明的第八方面，提供了一种包括通信系统的交通工具。
交通工具可以是机动车辆。机动车辆可以是摩托车、汽车(有时称为“轿车”)、小巴、公共汽车、卡车或载货汽车。机动车辆可以由内燃机和/或一个或多个电动机提供动力。交通工具可以是火车或火车的一部分，例如机车、铁路车辆或多个单元。
交通工具可以是飞机。通信系统可以是航空电子全双工交换以太网(AFDX)系统。
根据本发明的第九方面，提供了一种包括通信系统的工业系统，例如工厂或机器。工厂或机器可以包括用于制造或加工的工业系统。
根据本发明的第十方面，提供了一种包括通信系统的医疗系统。
附图说明
现在将参考附图中的图2至8通过示例描述本发明的某些实施例，其中：
图1是其中可以通过软件在总线之间交换数据的通信系统的示意框图；
图2是其中可以通过硬件在总线之间交换数据的通信系统的示意框图；
图3是控制单元的示意框图；
图4示出了依赖于通信协议的包到通用格式的包的转换；
图5示出了通用格式的包到依赖于通信协议的包的转换；
图6示出了包括依赖于CAN的包的CAN帧；
图7示出了AVTP常见消息；
图8是交通工具通信网络和交通工具的示意图；和
图9是工业通信网络和机器人的示意图。
具体实施方式
通讯系统1
图2示出了包括第一部分21和第二部分22的通信系统1，第一部分21和第二部分22连接到第一组总线31和第二组总线32，用于实现第一通信协议和第二通信协议的最低协议层(例如控制器局域网(CAN)和以太网)。
第一部分21包括物理层模块41，协议引擎模块51和消息处理器61。协议引擎模块51和消息处理器61在网络接口模块71(图3)中以硬件实现。
第二部分22包括物理层模块42、协议引擎模块52和消息处理器62。协议引擎模块52和消息处理器62在网络接口模块72(图3)中以硬件实现。
消息处理器61,62通过包(package)或消息(message)转发器8互连，该包或消息转发器8可以采取第2层交换机或第3层路由器的形式。消息转发器8优选地以包括适当的硬件逻辑、硬件寄存器等的硬件实现。消息转发器8不进行任何协议转换。消息转发器8还经由统一网络堆栈9连接到更高层10。统一网络堆栈9和更高层10以软件实现。
物理层模块41,42将输入帧121,122传递到协议引擎51,52，协议引擎51,52可以移除帧成分，例如帧校验序列(FCS)，并生成包131,132。协议引擎51,52可以向包131,132添加诸如时间戳的信息。
协议引擎51,52将包131,132传递给消息处理器61,62，消息处理器61,62生成通用格式包14。如稍后将更详细解释地，消息处理器61,62可以将通用格式包14传递给消息转发器8，以将通用格式包14切换或路由到另一个消息处理器61,62和/或统一网络堆栈9。因此，包不仅可以在消息处理器61,62之间转发，而且可以转发到更高层10。
如果有多于两个消息处理器61,62，则消息转发器8可以在必要时将包切换或路由到多于一个消息处理器61,62，以及更高层10。消息转发器8可以单播或多播消息。
还参考图3，物理层模块41,42采取PHY收发器41,42的形式。协议层51,52、消息处理器61,62、消息转发器8、统一堆栈9和更高层10在控制单元16中以微控制器或片上系统的形式实现。控制单元16包括提供协议引擎51,52和消息处理器61,62的网络接口模块71,72(或“通信控制器”)。控制单元16包括中央处理单元子系统17，中央处理单元子系统17包括至少一个中央处理单元(CPU)18、存储器19和片上互连(未示出)。物理层模块41,42也可以在微控制器或片上系统中实现。
CPU 18能够配置网络接口模块71,72和消息转发器8。CPU 18还能够绕过消息转发器8而访问消息处理器61,62，以能够更直接地读取、写入和处理帧。因此，消息转发机制不需要用于所有帧。例如，消息转发可以用于针对某些预定类型的帧来自动地路由帧。尽管可以绕过消息转发器8，但CPU 18仍然可以使用通用格式，尽管它也能够处理特定媒体格式的数据，例如CAN。
CPU 18可以运行基于软件的消息处理器20。这可以允许CPU 18准备通用格式消息14，然后通用格式消息14可以被直接地发送或通过消息路由器8发送到一个或多个消息处理器61,62。
消息处理器61 ,62
如前所述，消息处理器61,62从相应的协议引擎51,52(例如CAN协议引擎)接收数据包131,132，并生成通用格式包14。
还参考图4，每个数据包131,132包括依赖于协议的地址22和有效载荷23。
地址22的格式以及如何使用地址22取决于通信协议。例如，以太网使用48位媒体访问控制(MAC)地址来识别用于对包进行单播或多播的目标节点。CAN使用11位或29位消息标识符来标识用于对消息进行多播的消息内容。FlexRay使用临时关系来标识用于对消息进行多播的消息内容。
优先级控制可以被包括在地址中、有效载荷23中或以其它方式发信号通知。例如，在以太网中，优先级信息包含在有效载荷中，而在CAN中，消息优先级被包括在消息标识中。在FlexRay中，消息优先级基于预定义周期中的重复(repetition)。
消息处理器61,62从数据包131,132提取依赖于协议的地址22，并准备通用格式头24和有效载荷25。通用格式头24包括通用格式地址26。
消息处理器61,62将依赖于协议的地址22映射到通用格式地址26。优选地，地址和消息标识被分成不同的字段。这可以帮助简化通用格式包14的路由。消息处理器61,62将从协议引擎51,52接收的数据包131,132封装到通用格式消息14的有效载荷25中。因此，通用格式消息14可以携带用于所有支持的数据链路层的信息，例如CAN消息ID以及通用格式地址。如果通用格式消息14使用不允许所有字段(例如CAN的波特率位)的隧道化的第2层或第3层协议，以致导致丢失信息，则消息处理器61,62可以被配置为填写丢失信息，例如，消息处理器61,62可以被在CPU 18上运行的软件配置。
还参考图5，当消息处理器61,62从消息转发器10接收通用格式包14时，消息处理器61,62丢弃头26并从有效载荷25提取数据包131,132。然后，消息处理器71,72将包131,132转发到协议引擎51,52。
如前所述，消息转发器8可以将通用格式包14转发给多于一个目标。一个或多个目标可以包括一个以上的消息处理器61,62。一个或多个目标可以包括CPU 18。
通用格式包14提供通用寻址格式，该通用寻址格式允许对在控制单元16(图3)外部的目标节点(未示出)以及在CPU 18上运行的目标服务(未示出)的识别。通用寻址格式优选地还提供服务质量(QoS)级别。通用寻址格式提供允许进行切换或路由的最小信息集。
通用格式包14提供允许通信协议(诸如以太网、CAN或FlexRay)将该通信协议的消息映射回该通信协议的协议特定的消息格式的容器。
通用格式包14可以是任何合适类型的第2层或第3层数据容器。优选地，通用格式包14采取根据IEEE 1722定义的音频视频传输协议(AVTP)控制格式(ACF)消息的形式，使用根据用于信令优先级的IEEE 802.1Q的作为通用格式地址26的64位流ID和8级QoS。这允许第2层以太网交换机用作消息转发器8。
不需要使用将流ID用作通用格式地址的ACF消息。可以使用其它类型的数据容器，例如使用IP地址作为通用格式地址(例如，基于IPv4或IPv6)的第3层数据报(datagram)(即“IP分组”或简称“分组”)，或使用MAC地址作为通用格式地址的第2层数据报(即“帧”)。
图6示出了从CAN数据帧获取的数据包131，CAN数据帧被从协议引擎51传递到消息处理器61。
图7示出了如何将图6中所示的数据包131转换成通用格式包14。
如图6所示，通过从数据包131复制数据获得字段中的一些字段中的数据，例如RTR、IDE和DATA(即有效载荷数据)。根据预定义的方案将数据添加到其它字段，该预定方案可以基于接受过滤器列表(AFL)或查找表。根据在数据包131中的字段中找到的数据，将数据添加到其它字段。尽管消息处理器61以硬件实现，但是它可以由CPU 18配置。
因为IEEE 1722消息通常封装在以太网包中，所以IEEE 802.1头和802.1Q头不是必需的，但是是有益的。
参考图8，示出了交通工具通信网络31。网络31包括多个不同的总线31、32、33，例如CAN和以太网。该网络包括可以采取连接到总线31、32、33的微控制器的形式的多个控制单元32。控制单元32中的至少一部分是包括网络接口模块71,72(图3)和消息转发器8的控制单元16。交通工具通信网络31部署在交通工具33中。
参考图9，示出了工业通信网络41。网络41包括多个不同的总线31、32、33，例如CAN和以太网。该网络包括可以采取连接到总线31、32、33的微控制器的形式的多个控制单元42。控制单元42中的至少一部分是包括网络接口模块71,72(图3)和消息转发器8的控制单元16。工业通信网络41部署在工厂、机器或系统(诸如制造或处理系统)43中。
消息处理器61,62可以具有一个或多个益处。
消息处理器61,62可以帮助提供消息转发方式的一致性，而不管总线类型和消息是否到达通信总线或是否由CPU生成。它还可以提供可配置的灵活性，例如，允许将消息转发到多个目标。此外，在添加新协议时，使用公共网络堆栈降低了第3层软件堆栈适应的程度。此外，无论协议如何，都可以使用通用的一组功能，例如抽象QoS机制(例如，映射到CAN上的ID、以太网上的802.1Q PCP以及FlexRay上的调度)、抽象节点寻址机制(例如，映射到CAN上的ID、以太网上的MAC、VLAN、AVTP或IPv4)和统一的时间戳机制(例如，基于802.1AS)。此外，它可以在更改协议时简化软件维护(例如，将基于CAN的控制单元移植到以太网)。
修改
将会理解，可以对上文描述的实施例进行许多修改。
控制单元可包括两个以上的网络接口模块。两个或更多个网络接口模块可以是相同类型的，例如CAN控制器。因此，控制单元可以被连接到两种以上的总线。消息转发器可以被连接到两个以上的网络接口模块。因此，控制单元可以被连接到两个以上相同类型的总线。消息转发器可以被连接到两个以上的网络接口模块。因此，消息转发器可以在三个或更多个消息处理器之间切换或路由通用格式消息。

Claims (20)

1.一种硬件实现的网络接口模块(71,72)，包括：
协议引擎(51,52)；
消息处理器(61,62；20)，被配置为响应于接收根据给定的通信协议被格式化并且包括包引导数据(22)和有效载荷数据(23)的数据包(131,132)，生成具有包括头(24)和有效载荷(25)的预定数据格式的包(14)，其中所述包引导数据和所述有效载荷数据的相交被支持，其中所述头包括根据所述包引导数据生成的地址，并且其中所述有效载荷包括所述数据包；
其中根据所述给定的通信协议被格式化的所述数据包从所述协议引擎或者从统一网络堆栈(9)被接收。
2.根据权利要求1所述的硬件实现的网络接口模块，其中所述具有所述预定数据格式的包(14)是第2层包或第3层包。
3.根据权利要求1所述的硬件实现的网络接口模块，其中所述消息处理器(61,62；20)被配置为执行选自以下操作中的一个或多个操作：
将数据从所述包引导数据中的第一字段复制到所述头(24)中的对应字段；
将预定数据添加到所述头中的第二字段；以及
根据来自所述包引导数据中的第一字段的数据将计算数据添加到所述头和/或根据来自所述包引导数据中的第二字段的数据将计算数据添加到所述头中的所述第二字段。
4.根据权利要求1所述的硬件实现的网络接口模块，其中所述消息处理器(61,62；20)被配置为响应于接收具有包括头(24)和有效载荷(25)的预定数据格式的包(14)，提取根据给定的通信协议被格式化并且包括包引导数据(22)和有效载荷数据(23)的数据包(131,132)。
5.一种硬件实现的网络接口模块，包括：
协议引擎(51,52)；和
消息处理器(61,62,20)，被配置为响应于接收具有包括头(24)和有效载荷(25)的预定数据格式的包(14)，提取根据给定的通信协议被格式化并且包括包引导数据(22)和有效载荷数据(23)的数据包(131,132)，其中所述包引导数据和所述有效载荷数据的相交被支持，并且所述消息处理器(61,62,20)被配置为将所述数据包转发到所述协议引擎或者统一网络堆栈(9)。
6.根据权利要求1所述的硬件实现的网络接口模块，其中所述具有所述预定数据格式的包(14)是第2层帧。
7.根据权利要求1所述的硬件实现的网络接口模块，其中所述具有所述预定数据格式的包(14)是IP分组。
8.根据权利要求1所述的硬件实现的网络接口模块，其中所述给定的通信协议是FlexRay协议。
9.根据权利要求1所述的硬件实现的网络接口模块，其中所述给定的通信协议是面向媒体的系统传输协议。
10.一种中央处理单元子系统，包括：
中央处理单元(18)；
存储器(19)；
存储在存储器或其它储存器中的计算机程序，所述计算机程序当由所述中央处理单元执行时，使得所述中央处理单元执行消息处理器(61,62；20)，所述消息处理器(61,62；20)被配置为响应于接收根据给定的通信协议被格式化并且包括包引导数据(22)和有效载荷数据(23)的数据包(131,132)，生成具有包括头(24)和有效载荷(25)的预定数据格式的包(14)，其中所述包引导数据和所述有效载荷数据的相交被支持，其中所述头包括根据所述包引导数据生成的地址，并且其中所述有效载荷包括所述数据包。
11.一种控制单元(16)，包括：
根据权利要求1所述的所述硬件实现的网络接口模块，所述硬件实现的网络接口模块是第一硬件实现的网络接口模块(71)，并且所述消息处理器是第一消息处理器(61)，所述第一消息处理器(61)被配置为处理根据第一通信协议被格式化的数据包(131,132)；
第二硬件实现的网络接口模块(72)，包括第二消息处理器(62)，所述第二消息处理器(62)被配置为处理根据第二通信协议被格式化的数据包(131,132)；和
消息转发器(8)，被配置为在所述第一消息处理器和所述第二消息处理器之间交换具有所述预定数据格式的包。
12.根据权利要求11所述的控制单元，其中所述消息转发器是第2层交换机和/或第3层路由器。
13.根据权利要求11所述的控制单元，其中所述第一通信协议和所述第二通信协议是不同的。
14.根据权利要求11所述的控制单元，进一步包括：
第三硬件实现的网络接口模块，包括第三消息处理器，所述第三消息处理器被配置为处理根据第三通信协议被格式化的数据包(131,132)。
15.根据权利要求11所述的控制单元，进一步包括：
中央处理单元子系统(17)；并且
其中所述消息转发器被配置为在所述中央处理单元子系统与所述第一消息处理器和/或所述第二消息处理器之间进行交换。
16.一种通信系统(31)，包括：
至少两组总线(31,32)；和
至少一个根据权利要求11所述的控制单元(16)，被连接到所述总线。
17.根据权利要求1所述的硬件实现的网络接口模块(71,72)，其中具有所述预定数据格式的所述包(14)是由UDP网关可读取的。
18.根据权利要求1所述的硬件实现的网络接口模块(71,72)，其中所述给定的通信协议是ISO 11898-1。
19.根据权利要求11所述的控制单元(16)，其中消息转发器(8)被配置为采用以太网消息网关交换包。
20.根据权利要求11所述的控制单元(16)，进一步包括：
中央处理单元子系统(17)；并且
其中，所述中央处理单元子系统被配置为允许绕过所述消息转发器(8)而直接访问所述第一消息处理器(61)和所述第二消息处理器(62)。
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