基于總線占用率的FlexRay消息時(shí)隙分配方法研究

張 利 張本宏 王躍飛 刁新超 劉征宇

合肥工業(yè)大學(xué)安全關(guān)鍵工業(yè)測(cè)控技術(shù)教育部工程研究中心，合肥，230009

0 引言

F1exRay總線是新一代汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，它為車內(nèi)控制系統(tǒng)提供所需的速度和可靠性。F1exRay與CAN、LIN等已成為現(xiàn)代汽車網(wǎng)絡(luò)總線的關(guān)鍵技術(shù)，它們根據(jù)傳輸帶寬和價(jià)格比的要求被應(yīng)用在汽車不同的領(lǐng)域，相互補(bǔ)充、相互支撐，組合成多種總線混合的汽車網(wǎng)絡(luò)［1－2］。

FlexRay總線系統(tǒng)將事件觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)兩種方式相結(jié)合，具有高速可確定性和故障容錯(cuò)等特點(diǎn)。隨著FlexRay重要性的日益顯現(xiàn)，對(duì)其研究也越來(lái)越多，然而對(duì)FlexRay網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率的研究很少。文獻(xiàn)［3］分析了通信周期中靜態(tài)部分和動(dòng)態(tài)部分的時(shí)間特性，計(jì)算了消息和任務(wù)在最壞情況下的響應(yīng)時(shí)間，但沒(méi)有進(jìn)行時(shí)序性能驗(yàn)證。文獻(xiàn)［4］計(jì)算了FlexRay消息幀的傳輸時(shí)間，在考慮有效FlexRay幀長(zhǎng)度情況下，分析靜態(tài)部分的網(wǎng)絡(luò)帶寬丟失率，進(jìn)一步得到了靜態(tài)部分的網(wǎng)絡(luò)利用率計(jì)算公式，但沒(méi)有考慮FlexRay動(dòng)態(tài)部分消息傳輸時(shí)間。文獻(xiàn)［5］提出一種消息的調(diào)度算法來(lái)減小總線占用率，但總線占用率計(jì)算方法中沒(méi)有考慮動(dòng)態(tài)消息的總線占用率。

1 FlexRay消息傳輸方式

1.1 FlexRay消息幀格式

FlexRay消息幀［6－7］由幀頭、有效數(shù)據(jù)和幀尾三部分組成。FlexRay幀格式如圖1所示。幀頭部分共由5個(gè)字節(jié)組成（共40位），包括保留位、有效數(shù)據(jù)指示位、空幀指示位、同步幀指示位、啟動(dòng)幀指示位、幀ID、有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、頭部循環(huán)校驗(yàn)CRC和周期計(jì)數(shù)。有效數(shù)據(jù)部分可由0～254個(gè)字節(jié)組成。幀尾部分只含有單個(gè)的數(shù)據(jù)域，即一個(gè)24位的CRC。

1.2 FlexRay媒體訪問(wèn)方式

FlexRay提供兩種媒體接入時(shí)序的選擇，一種是靜態(tài)的分時(shí)多址接入時(shí)序（TDMA），一種是動(dòng)態(tài)的基于最小時(shí)間片的柔性時(shí)分多址接入時(shí)序（FTDMA）［2，6］。在一個(gè)通信周期內(nèi)，有4個(gè)時(shí)間等級(jí)，從最低層到最高層分別是最小時(shí)間節(jié)拍層、最大時(shí)間節(jié)拍層、仲裁網(wǎng)格層和通信周期層［6－7］，如圖2所示。

圖1 FlexRay幀格式

圖2 通信周期時(shí)間分層

最高層即通信周期層，由靜態(tài)段、動(dòng)態(tài)段、特征窗和網(wǎng)絡(luò)閑置時(shí)間四部分組成。靜態(tài)段由若干個(gè)長(zhǎng)度相等的靜態(tài)時(shí)間片（static slot）組成，采用的是TDMA方式；動(dòng)態(tài)段由若干個(gè)長(zhǎng)度相等的最小時(shí)間片（minislot）組成，采用的是基于最小時(shí)間片的FTDMA方式。靜態(tài)時(shí)間片和最小時(shí)間片均由若干個(gè)最大時(shí)間節(jié)拍（Macrotick，MT）組成，1個(gè)MT的時(shí)長(zhǎng)通常被配置為1～6μs，本文用gdMacrotick表示1個(gè)MT的時(shí)長(zhǎng)。

2 總線占用率計(jì)算方法

2.1 時(shí)間片長(zhǎng)度

時(shí)間片長(zhǎng)度是指消息傳輸使用的時(shí)間長(zhǎng)度，這里用MT的數(shù)量表示。消息在傳輸過(guò)程中被分成獨(dú)立的字節(jié)進(jìn)行傳輸，為保證消息的正常傳輸，還需使用更多的空間，包括傳輸起始序列（3～15位）、幀起始序列（1位）、字節(jié)起始序列（2位）、幀結(jié)束序列（2位）、通信空閑分隔符（11位）和幀前與幀尾的觸發(fā)點(diǎn)偏移量。FlexRay的傳輸序列如圖3所示。

如果消息幀在動(dòng)態(tài)段進(jìn)行傳輸，則還要在幀結(jié)束序列后附加動(dòng)態(tài)尾部序列。動(dòng)態(tài)尾部序列時(shí)間值是變化的，最小值為2gdBit（gdBit指?jìng)鬏?位所需的時(shí)間）。

圖3 FlexRay幀物理層傳輸規(guī)則

當(dāng)消息i放在靜態(tài)段傳輸時(shí)，假設(shè)其長(zhǎng)度為k個(gè)字節(jié)，則傳輸該消息所需的靜態(tài)時(shí)間片長(zhǎng)度Ti（單位為MT的個(gè)數(shù)）為

其中，29為15位傳輸起始序列、1位幀起始序列、11位通道空閑分隔符和2位幀結(jié)束序列的位數(shù)之和；10為字節(jié)前的2位字節(jié)起始序列與字節(jié)的位數(shù)之和；TAPO1為靜態(tài)段觸發(fā)點(diǎn)偏移量（gdAction－PointOffset）。由于靜態(tài)段的靜態(tài)時(shí)間片長(zhǎng)度由最長(zhǎng)的消息決定，因此靜態(tài)時(shí)間片長(zhǎng)度為所有時(shí)間片長(zhǎng)度的最大值，即

當(dāng)消息i放在動(dòng)態(tài)段傳輸時(shí)，其最小時(shí)間片長(zhǎng)度Ti為

式中，TAPO2為最小時(shí)間片觸發(fā)點(diǎn)偏移量；2gdBit為動(dòng)態(tài)尾部序列時(shí)間。

2.2 總線占用率分析

假設(shè)系統(tǒng)中消息總數(shù)為N，其中有m條靜態(tài)消息和n條動(dòng)態(tài)消息，則總線占用率U計(jì)算公式為

式中，Tc為FlexRay總線的通信周期；fi為第i個(gè)消息的傳輸頻率；Tpi為i個(gè)消息的傳輸周期。

由式（4）可知，在幀數(shù)目、幀傳輸周期、幀長(zhǎng)度一定的情況下，F(xiàn)lexRay總線占用率由靜態(tài)時(shí)間片長(zhǎng)度、最小時(shí)間片長(zhǎng)度以及消息被分配到動(dòng)態(tài)段還是靜態(tài)段的分配方法決定。

3 消息分配方法設(shè)計(jì)

3.1 消息分配方法分析

在圖4a中，靜態(tài)時(shí)間片長(zhǎng)度由最長(zhǎng)的靜態(tài)消息決定，因此，F(xiàn)lexRay總線占用率為

式中，TM2為消息M2對(duì)應(yīng)的靜態(tài)時(shí)間片長(zhǎng)度。

由圖4a可以看出，靜態(tài)段傳輸?shù)南㈤L(zhǎng)度是變化的，但靜態(tài)段的靜態(tài)時(shí)間片長(zhǎng)度是相等的，由此導(dǎo)致總線占用率較大，帶寬利用率不是很高，特別是最長(zhǎng)靜態(tài)消息和最短靜態(tài)消息長(zhǎng)度差值很大的情況。本文提出一種消息分配規(guī)則，即將最長(zhǎng)的靜態(tài)消息分配到動(dòng)態(tài)段進(jìn)行傳輸，如圖4b所示，以降低總線占用率，提高帶寬利用率。

圖4 最長(zhǎng)靜態(tài)消息分配到動(dòng)態(tài)段

3.2 消息分配算法

本算法以獲得最小總線占用率為目標(biāo)，依據(jù)分配規(guī)則不斷重復(fù)運(yùn)行分配過(guò)程以獲得最小總線占用率。令Uk為k（k＝0，1，…，N）個(gè)消息被分配到動(dòng)態(tài)段的總線占用率，則最小總線占用率可表示為

其中，總線占用率Uk的計(jì)算依據(jù)式（4），計(jì)算時(shí)需要同時(shí)考慮靜態(tài)消息和動(dòng)態(tài)消息的總線占用率。

該分配算法以式（4）、式（5）為基礎(chǔ)，在計(jì)算最小總線占用率Umin時(shí)，除了不考慮消息傳輸失敗及其處理的情況以外，還必須保證所有的FlexRay消息的傳輸時(shí)間都在最壞情況下的響應(yīng)時(shí)間之內(nèi)。

圖5為算法的流程圖［8-11］。FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值必須提前給出，參數(shù)包括系統(tǒng)配置信息，如節(jié)點(diǎn)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)帶寬和消息參數(shù)等。

圖5 算法規(guī)則流程圖

獲取輸入?yún)?shù)值后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化配置，該過(guò)程包括消息分配與設(shè)定及計(jì)算時(shí)序值和占用率。消息分配包括將FlexRay消息分配到節(jié)點(diǎn)和根據(jù)性質(zhì)不同分配到靜態(tài)段或者動(dòng)態(tài)段。通常情況下，周期發(fā)送的消息分配到靜態(tài)段，隨機(jī)發(fā)生的消息分配到動(dòng)態(tài)段。在運(yùn)行分配規(guī)則過(guò)程中，當(dāng)消息重新分配后，需要重新計(jì)算靜態(tài)段中靜態(tài)時(shí)間片大小與數(shù)目，同時(shí)，需要依照所給出的消息優(yōu)先級(jí)次序重新設(shè)定消息傳輸次序，以保證消息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。時(shí)序值是指消息實(shí)際傳輸時(shí)間與所規(guī)定傳輸時(shí)間的比較值。通過(guò)時(shí)序值判斷消息是否在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)傳輸完，若所有消息在最壞情況下的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)傳送，則時(shí)序值為1，否則為0。

在進(jìn)行消息分配時(shí)，必須保證每個(gè)消息在截止時(shí)間前傳輸完畢。當(dāng)分配方法改變時(shí)，如果U＊＜U（U和U＊分別為分配方法改變前后的總線占用率），即總線占用率降低，則該消息將被分配到動(dòng)態(tài)段；否則該消息被分配到靜態(tài)段。在初始化網(wǎng)絡(luò)配置完成后，分配過(guò)程被重復(fù)執(zhí)行以得到總線占用率的最小值，該分配過(guò)程在沒(méi)有靜態(tài)消息被分配到動(dòng)態(tài)段時(shí)結(jié)束。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文引用文獻(xiàn)［5］中所用的美國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)（SAE）的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)（表1）對(duì)消息分配算法進(jìn)行驗(yàn)證。由于不同傳輸速率下，傳輸一幀要求的時(shí)間不一樣，而在gdMacrotick值一定的情況下，所需MT數(shù)目也不同，為了表述方便，表1中將幀的長(zhǎng)度用不同傳輸速率下所需時(shí)間片長(zhǎng)度即MT的數(shù)目來(lái)表示。進(jìn)行驗(yàn)證的FlexRay通信參數(shù)在表2中定義。

表1 FlexRay消息幀

表2 FlexRay通信參數(shù)

由表1可知，為了保證所有的消息在截止時(shí)間前傳輸完畢，F(xiàn)lexRay通信周期不能超過(guò)5ms。如果將傳輸周期為1000ms的幀放在靜態(tài)段中傳輸，則200個(gè)通信周期才能傳輸一次，這不符合FlexRay協(xié)議中通信周期計(jì)數(shù)器不能超過(guò)63的規(guī)定。因此，消息幀16、17和18首先被分配在動(dòng)態(tài)段中傳輸。

由表1可看出，消息12所需的時(shí)間片最多，當(dāng)傳輸速率為5Mbit／s時(shí)，初始階段靜態(tài)時(shí)間片長(zhǎng)度為60MT。在算法的初始階段，靜態(tài)時(shí)間片長(zhǎng)度由最長(zhǎng)消息12所需的MT數(shù)目決定。根據(jù)分配規(guī)則，靜態(tài)段最長(zhǎng)的消息幀被分配到動(dòng)態(tài)段傳輸。表3顯示了5Mbit／s速率下靜態(tài)段參數(shù)值的變化及總線占用率的變化。在分配算法的初始化階段，消息16、17、18被分配到動(dòng)態(tài)段，其他消息被分配到靜態(tài)段。通過(guò)運(yùn)行分配算法，最終8個(gè)消息被分配到動(dòng)態(tài)段，此時(shí)，靜態(tài)段時(shí)間片長(zhǎng)度為40MT，總線占用率減小到最小值4.8176%。

表3 參數(shù)變化及網(wǎng)絡(luò)利用率（傳輸速率5Mbit／s）

不同傳輸速率下，使用該消息分配算法后得到的總線占用率數(shù)據(jù)如表4所示，由表4可知，傳輸速率越低，該消息分配算法使總線占用率下降得越多，網(wǎng)絡(luò)利用率越高。

表4 網(wǎng)絡(luò)利用率前后對(duì)照表

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于FlexRay幀格式和物理層傳輸規(guī)則分析FlexRay消息幀的長(zhǎng)度，得到消息長(zhǎng)度計(jì)算方法。通過(guò)對(duì)FlexRay消息幀在靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段傳輸時(shí)間的分析，計(jì)算總線帶寬利用率，最終得到總線占用率的計(jì)算公式。實(shí)例驗(yàn)證表明，將靜態(tài)段最長(zhǎng)的消息幀放在動(dòng)態(tài)段進(jìn)行傳輸，在不同傳輸速率下，總線占用率都得到了降低。下一步工作將對(duì)動(dòng)態(tài)段消息傳輸?shù)臅r(shí)間性能和調(diào)度規(guī)則進(jìn)行研究。

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