時間觸發(fā)總線流量調(diào)度機(jī)制及其實(shí)時性分析

趙 罡，何 鋒，徐亞軍，李 峭

（北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

時間觸發(fā)總線流量調(diào)度機(jī)制及其實(shí)時性分析

趙 罡，何 鋒，徐亞軍，李 峭

（北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

根據(jù)航空航天綜合電子系統(tǒng)中的消息傳輸要求，在時間觸發(fā)總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及時間觸發(fā)協(xié)議（TTP）的基礎(chǔ)上，分析時間觸發(fā)總線的流量類型。針對TTP總線中時間觸發(fā)周期消息和事件觸發(fā)非周期消息2種類型的流量，設(shè)計基于流量轉(zhuǎn)換策略的消息調(diào)度機(jī)制，包括周期消息優(yōu)先級調(diào)度算法及非周期消息縮微重排序調(diào)度算法。通過建立TTP總線的消息傳輸模型，分析并計算TTP總線中周期消息的傳輸時延，結(jié)合通信降級機(jī)制及網(wǎng)絡(luò)演算方法，得到TTP總線中非周期消息的服務(wù)曲線、到達(dá)曲線和延遲上界。通過建立TTP總線仿真模型，得出實(shí)驗(yàn)最大時延與理論最大時延一致，從而驗(yàn)證基于流量轉(zhuǎn)換策略的消息調(diào)度機(jī)制能夠保證不同類型流量的實(shí)時傳輸。

時間觸發(fā)協(xié)議；調(diào)度；實(shí)時性；網(wǎng)絡(luò)演算；縮微重排序

DO I：10.3969/j.issn.1000-3428.2015.10.012

1 概述

航空航天綜合電子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的通信和收發(fā)操作具有嚴(yán)格的時間要求。在具有分布式綜合模塊化的航空航天電子平臺的互連技術(shù)的發(fā)展過程中［1］，引入了時間觸發(fā)通信體制，基于精確全局的同步時鐘引導(dǎo)全網(wǎng)活動。時間觸發(fā)總線技術(shù)是該通信體制在共享介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中的具體實(shí)現(xiàn)，美國機(jī)動車工程師學(xué)會（Society of Automotive Engineers，SAE）標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了時間觸發(fā)協(xié)議（Time-triggered Protocol，TTP）標(biāo)準(zhǔn)，即TTP總線。TTP總線在發(fā)展過程中提出TTP/A和TTP/C規(guī)范，其中，TTP/A適用于汽車電子等低成本的非關(guān)鍵應(yīng)用［2］；TTP/C面向航空航天應(yīng)用設(shè)計，是具有雙冗余故障容錯能力的高性能實(shí)時通信總線，已應(yīng)用于波音787飛機(jī)的環(huán)境控制系統(tǒng)、空客A 380艙壓控制系統(tǒng)等航空航天領(lǐng)域，并

可以在容納時間觸發(fā)周期消息的同時，支持非周期流量，除非特別說明，本文TTP總線均為TTP/C配置。

在基于時間觸發(fā)的實(shí)時通信研究領(lǐng)域中，SAE AS6003規(guī)范給出TTP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［3］，文獻(xiàn)［3-5］提出TTP網(wǎng)絡(luò)的時分多路復(fù)用（Time Division Multiple Access，TDMA）調(diào)度方式，但未涉及混合關(guān)鍵性設(shè)計準(zhǔn)則下的流量調(diào)度。TTP總線的實(shí)時調(diào)度在一定程度上可以借鑒交換式時間觸發(fā)通信中的成果，例如：對于TTE［6］，AFDX（Avionics Full DupleXed Switched Ethernet）［7］，CAN（Controller Area Network）［8］網(wǎng)絡(luò)實(shí)時通信的建模分析以及時分多路復(fù)用調(diào)度方式的研究［9］。文獻(xiàn)［10-11］對AFDX網(wǎng)絡(luò)時間關(guān)鍵流量的實(shí)時性進(jìn)行建模分析，提出網(wǎng)絡(luò)演算最壞情況分析方法。文獻(xiàn)［12］提出的TTE流量轉(zhuǎn)換策略對于TTP總線流量轉(zhuǎn)換調(diào)度機(jī)制的設(shè)計具有啟發(fā)意義。

為適應(yīng)目前航空航天電子綜合化電子系統(tǒng)中安全關(guān)鍵性和任務(wù)關(guān)鍵性的設(shè)計特點(diǎn)，本文在原有時間觸發(fā)體制的基礎(chǔ)上研究消息調(diào)度方法，提出一種基于流量轉(zhuǎn)換策略的消息調(diào)度機(jī)制，并給出TTP總線中周期流量實(shí)時性建模方法及非周期流量的演算實(shí)時分析方法，保證不同流量類型的實(shí)時通信完整性。

2 TTP總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及調(diào)度機(jī)制

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和調(diào)度方式

典型TTP網(wǎng)絡(luò)通過雙冗余總線形式連接多個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)包含應(yīng)用層主機(jī)、通信協(xié)議棧接口和通信控制器模塊，如圖1所示，習(xí)慣上將整體的TTP網(wǎng)絡(luò)稱為一個集群，而集群中的綜合化模塊在建模中可以被抽象為節(jié)點(diǎn)。

圖1 典型TTP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

TTP網(wǎng)絡(luò)采用時分多路復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)消息調(diào)度，通過一個全局時鐘進(jìn)行觸發(fā)，整個系統(tǒng)的行為不僅在功能上是確定的，而且在時序上也是確定的。TTP系統(tǒng)控制信號的產(chǎn)生是由時間推進(jìn)來觸發(fā)的，不同節(jié)點(diǎn)的時隙序列組成一個TP=1 ms的TDMA周期，而TDMA周期組成集群周期，這樣一個集群周期可以包括一二個或更多TDMA周期［13］。TTP協(xié)議的調(diào)度機(jī)制要求在系統(tǒng)設(shè)計時需給系統(tǒng)中的每個節(jié)點(diǎn)分配固定的周期性時隙，如圖2所示。

圖2 TTP總線的TDMA訪問方式

在網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)均按照離線設(shè)計的消息描述表（Message Description List，MEDL）配置表行事，使系統(tǒng)具有很高的時間確定性。

2.2 TTP網(wǎng)絡(luò)流量類型

TTP規(guī)范定義的時間觸發(fā)服務(wù)使得總線網(wǎng)絡(luò)上的時間觸發(fā)通信成為可能。TTP網(wǎng)絡(luò)中同一物理網(wǎng)絡(luò)上能夠在保證時間觸發(fā)的前提條件下容納事件觸發(fā)通信的流量，即：在各節(jié)點(diǎn)預(yù)先離線設(shè)計好任務(wù)調(diào)度表，調(diào)度表中包含一個由若干基本周期組成的矩陣周期，每個基本矩陣周期可分為2段，前一段周期中固定的時隙承載周期性時間觸發(fā)（Time-Triggered，TT）流量，其中空閑時隙資源在進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)度策略檢查的前提下允許事件觸發(fā)（Event-Triggered，ET）流量接入。

在TTP總線網(wǎng)絡(luò)中，TT流量消息在網(wǎng)絡(luò)上以預(yù)先定義的時刻發(fā)送；ET流量的優(yōu)先級低于TT消息，被用于時間確定性要求程度較弱的應(yīng)用，它們可以是周期性的，也可以是帶有突發(fā)度約束的非周期性流量。

傳統(tǒng)的TTP標(biāo)準(zhǔn)也支持事件觸發(fā)流量，但僅限節(jié)點(diǎn)內(nèi)部分配，ET消息只允許在靜態(tài)分配的時間窗內(nèi)發(fā)送。為更靈活地利用整體剩余帶寬，提出基于縮微重排序的ET消息訪問控制方法。

節(jié)點(diǎn)依據(jù)MEDL得知TT消息占用的時間窗，避免TT消息在剩余時間段調(diào)度ET消息。ET消息發(fā)送請求時，發(fā)現(xiàn)總線忙碌，說明其他節(jié)點(diǎn)正利用該時間段進(jìn)行發(fā)送，會自主等待，將待發(fā)送的ET消息緩存到自身節(jié)點(diǎn)，并采用縮微重排序的方式對該消息重新調(diào)度，即：規(guī)定在監(jiān)聽到總線從忙到閑后，以

前發(fā)送過請求的節(jié)點(diǎn)自主地在下一個 Tover=Tp/ Nshrink的仲裁排序時隙內(nèi)重新調(diào)度排序，如圖3所示，其中，Tp為周期；Nshrink為縮減系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)上取 Tp= 1 m s，Nshrink=128，可使大部分仲裁請求仍在TTP定時精度可分辨的能力之內(nèi)。這相當(dāng)于將需要重新排序的ET消息的時段等比縮小進(jìn)行排序，確保空閑時段 ET消息的發(fā)送不會互相搶占。對于降級的TT-ET消息而言，為保證其優(yōu)先級高于ET消息，可在Tover縮微重排序時段內(nèi)將其發(fā)送時刻T′TT-ET默認(rèn)為0；而規(guī)定在上一個忙時段沒有發(fā)送請求的原始ET消息，必須在忙時段結(jié)束后 Tover才能發(fā)出請求，相當(dāng)于T′ET=Tover。

圖3 ET消息縮微重排序

2.3 TTP總線網(wǎng)絡(luò)中的流量轉(zhuǎn)換策略

目前，TT消息依賴于離線設(shè)計的MEDL，但為了適應(yīng)先進(jìn)航空航天系統(tǒng)容錯和重構(gòu)的要求，可以考慮在TTP總線網(wǎng)絡(luò)中引入流量類型轉(zhuǎn)變策略，提高符合延遲界限約束條件消息的可調(diào)度比例。即：在TT消息因節(jié)點(diǎn)之間的時間偏差產(chǎn)生沖突時，或某一節(jié)點(diǎn)負(fù)載過大，TMDA周期無法對其調(diào)度時，將TT流量轉(zhuǎn)變?yōu)镋T流量調(diào)度。

為避免TTP總線網(wǎng)絡(luò)中時間觸發(fā)消息因沖突碰撞而丟失，在TTP總線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)中設(shè)計將TT流轉(zhuǎn)換為ET流的降級通信策略，用于完成消息類型由TT向ET的單向轉(zhuǎn)換。在該策略下，每個TT數(shù)據(jù)幀在進(jìn)入到交換機(jī)端口時，記錄到達(dá)時刻tIN，根據(jù)數(shù)據(jù)幀長估算出其離開當(dāng)前端口的時刻tOUT，并將該數(shù)據(jù)幀的時間窗定為［tIN，tOUT］。下一個TT數(shù)據(jù)幀抵達(dá)時，同樣記錄其到達(dá)時刻t2并進(jìn)行時間窗檢測，如果t2∈［tIN，tOUT］，則意味著該幀可能與上一個 TT數(shù)據(jù)幀發(fā)送碰撞，并將當(dāng)前幀轉(zhuǎn)換為ET類型進(jìn)行傳播。當(dāng)節(jié)點(diǎn)TT流量負(fù)載較大，有部分TT消息因帶寬沖突無法調(diào)度時，采用降級策略將TT消息轉(zhuǎn)化為ET消息，降級通信策略的流量轉(zhuǎn)換調(diào)度模型如圖4所示。

圖4 TTP控制器中的流量轉(zhuǎn)換模型

經(jīng)過流量轉(zhuǎn)換后，TT-ET流量具有比原始ET流量更高的優(yōu)先級，但它仍被作為事件觸發(fā)性質(zhì)的流量進(jìn)行多路復(fù)用。但是，為保證轉(zhuǎn)換后的流量對于低優(yōu)先級通信任務(wù)的影響可控，必須結(jié)合特定的優(yōu)先級調(diào)度算法和與轉(zhuǎn)換策略匹配的性能保證調(diào)度解決方案。

3 TTP總線網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)先級調(diào)度算法

TTP總線網(wǎng)絡(luò)的周期依賴于時刻調(diào)度表，調(diào)度表中的每行被定義為TDMA周期，SAE AS6003標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定調(diào)度表中每個TDMA周期為1 m s，而整個調(diào)度表所描述的整個時間段被定義為集群周期，包含多個TDMA周期［14］。在集群周期下，節(jié)點(diǎn)在分配的窗口內(nèi)發(fā)送消息。調(diào)度算法首先分別執(zhí)行各個節(jié)點(diǎn)主機(jī)的發(fā)送時刻調(diào)度算法，配置總線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送調(diào)度時刻表，然后通過節(jié)點(diǎn)的TTP控制器發(fā)送和接收消息。

3.1 算法定義

算法參數(shù)定義如下：定義鏈路帶寬為C，單位為M b/s；節(jié)點(diǎn)i的周期消息標(biāo)記為Mi，其最小周期為Pi，單位為m s，其數(shù)據(jù)包長度為Di；將其中第q個數(shù)據(jù)幀記為 Vk，q，q∈｛1，2，…，TP/Gi｝。設(shè)第 k個TDMA周期記為Tk，Tk周期上已配置的幀長和記為Lk。根據(jù)TTP協(xié)議，在傳輸攜帶有應(yīng)用數(shù)據(jù)的N幀時，同步幀的幀長 LT為2 Byte，其最大幀長可達(dá)124 bit；在傳輸攜帶控制器狀態(tài)消息時，其最大幀長D=124 bit，則在一個TDMA周期內(nèi)能夠發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長為Lmaxk=10-3×C×124/8，單位為Byte。

3.2 優(yōu)先級調(diào)度算法

在TTP總線網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)分別執(zhí)行如下的優(yōu)先級調(diào)度算法，對TTP網(wǎng)絡(luò)中的周期消息進(jìn)行發(fā)送時刻規(guī)劃，完成TT調(diào)度表。

（1）周期消息排序。按照消息周期（Pi）順序從小到大給所有節(jié)點(diǎn)的周期消息升序排序，若同周期

則按照其數(shù)據(jù)包的長度（Di）從大到小的順序降序排序。

（2）調(diào)度初始化。按照排序順序?qū)λ兄芷谙⑦M(jìn)行規(guī)劃，初始狀態(tài)令計數(shù)器 i=1，已配置幀長Lk=LTC。

（3）判定周期消息Vi的調(diào)度可行性。如圖5所示，Mi以Pi為最小周期，在時刻調(diào)度表TP的集群周期中需循環(huán)調(diào)度TP/Pi次；在調(diào)度表［0，TP］區(qū)間內(nèi)，找到已配置幀長Lk最大的TDMA周期Tk，若Lmaxk-Lk＞Dk，則消息可調(diào)度；否則帶寬有限，無法配置該周期消息，需進(jìn)行通信降級，將TT消息轉(zhuǎn)化為ET消息進(jìn)行調(diào)度。

圖5 空閑時段調(diào)度

（4）周期消息調(diào)度。若判定Mi在Pi時間范圍內(nèi)可調(diào)度，則配置 Mi，q的發(fā)送時刻。將 Mi，q的 TP/ Pi個調(diào)度時刻配置在第k個TDMA周期上，其起始位置為Lk+1，則發(fā)送時間ts為：

將相應(yīng)的TDMA周期Tk內(nèi)的已配置幀長和更新為Lk=Lk+Dr，返回繼續(xù)調(diào)度Vi，q+1，直至周期消息調(diào)度完成，如圖6所示。

圖6 TDMA調(diào)度

（5）判定消息沖突與流量轉(zhuǎn)換。在配置幀 Mi，q后，根據(jù)幀Mi，q在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時刻ts，節(jié)點(diǎn)間因時間漂移和傳輸時延造成的時間偏差記為ΔT，計算出Mi，q到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)的可能最晚時刻tr，單位為m s。

若tr在調(diào)度表中的空閑時段，即消息在接收窗區(qū)間內(nèi)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，則消息發(fā)送可以進(jìn)行，若到達(dá)時刻tr在調(diào)度表中與其他任務(wù)沖突，則將Vi消息降級為ET流量。

（6）判定調(diào)度完成。在判定消息 Vi調(diào)度成功后，若i＞n，則所有周期消息調(diào)度完成；否則i=i+1并返回步驟（3），繼續(xù)調(diào)度下一周期消息。

（7）按照SAE AS6003標(biāo)準(zhǔn)，對TT轉(zhuǎn)為ET的TT-ET降級消息及ET消息進(jìn)行調(diào)度。

4 TT消息實(shí)時性分析

4.1 實(shí)時性分析模型

時間觸發(fā)周期消息從產(chǎn)生到封裝成包，再到發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，最后被目的節(jié)點(diǎn)接收的整個過程如圖7所示，若是消息被分片為幀群，計算延遲只要針對最后一個數(shù)據(jù)幀。

圖7 總線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸過程

TTP網(wǎng)絡(luò)中端到端時延主要包括技術(shù)時延、滯后時延、傳輸時延、傳播時延和處理時延。由此得到實(shí)時性分析模型：

其中，總時延為Δ；技術(shù)時延為Δpsp；滯后時延為Δdelay；傳輸時延為Δtran；傳播時延為Δprop；處理時延為Δprp。

4.2 時延分析

航空航天電子環(huán)境中時延特性是實(shí)時性的具體體現(xiàn)，對TTP總線網(wǎng)絡(luò)的各段時延分析如下：

（1）技術(shù)時延 Δpsp

在TTP幀發(fā)送過程中，主機(jī)將發(fā)送幀的相關(guān)消息遞送給TTP控制器，并將需要傳輸?shù)膸瑪?shù)據(jù)存儲入主機(jī)接口中做好發(fā)送準(zhǔn)備，這段時延是發(fā)送時刻前的技術(shù)延遲，技術(shù)時延的長短由TTP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟硬件性能和物理環(huán)境決定。據(jù)SAE AS6003標(biāo)準(zhǔn)，TTP總線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)時延通常不超過10μs（Δ′psp），本文中引入修正系數(shù)X=1.5來分析技術(shù)時

延，即：

（2）滯后時延Δdelay

在理想狀況下，TTP幀的接收時刻應(yīng)該和延遲接收時刻是同時的。在實(shí)時性分析中，考慮由于發(fā)送端的時鐘比接收端的時鐘稍快一些，最終導(dǎo)致TTP幀的接收時刻比延遲接收時刻要早。

如圖8所示，為便于對TTP總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時性分析，引入時間偏差表示發(fā)送端和接收端時鐘的偏差，存在如下關(guān)系：

其中，Δrw為消息的接收窗口；ε為接收窗半窗長；tAT′r為延遲接收時刻。

其中，tAT′s為延遲發(fā)送時刻；tATs為起始發(fā)送時刻。

其中，Δcorr為時鐘校正值。在實(shí)際情況中，滯后時延Δdelay是由TTP控制器根據(jù)其內(nèi)部運(yùn)行并計算所得的時鐘校正Δcorr、傳播時延 Δprop和接收窗半窗長 ε等參數(shù)計算而得。滯后時延Δdelay是由總線網(wǎng)絡(luò)物理?xiàng)l件和節(jié)點(diǎn)本身的運(yùn)行性能決定的。

圖8 傳輸階段端到端時延

（3）傳輸時延Δtran

傳輸時延為數(shù)據(jù)幀長度與發(fā)送速率之比?？偩€帶寬是數(shù)據(jù)在信道上的最大發(fā)送速率，常稱為數(shù)據(jù)在信道上的最大傳輸速率。

（4）傳播時延 Δprop

傳播時延是指數(shù)據(jù)幀在傳輸介質(zhì)中的傳輸時延。傳播時延為發(fā)送距離與傳播速率之比，在光纖、雙絞線、電纜等傳輸媒體中，傳播速率是固定的，因此傳播時延主要是與傳輸距離有關(guān)，而與發(fā)送數(shù)據(jù)大小無關(guān)。

（5）處理時延 Δprp

處理時延包括消息到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)后協(xié)議服務(wù)處理時間（Δ′prp）和流量整形時間（Δrec）。

據(jù)SAE AS6003標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)TTP總線網(wǎng)絡(luò)的處理時延不超過10μs（Δ′prp），因此本文引入修正系數(shù)X′，即：

其中，M是當(dāng)前積壓在發(fā)送節(jié)點(diǎn)i的TTP控制器中屬于節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)幀總數(shù)；Pi是節(jié)點(diǎn)i周期任務(wù)的最小周期；Ti+1是節(jié)點(diǎn)TTP控制器中下一幀被整形所要等待的時間，單位為μs。

由實(shí)時性分析模型得到：

據(jù)SAE AS6003標(biāo)準(zhǔn)中所提供的最大傳播時延為25.6μs，取 Δprop=25.6μs；時間精度間隔 Π≤12.75μs，由于滯后時延不可大于時間精度間隔，因此取滯后時延Δdelay=12.75μs。技術(shù)時延Δpsp和處理時延 Δprp均取最大時延上界 Δpsp=15μs，Δprp= 20μs。最大時延上界為：

在航空航天電子應(yīng)用環(huán)境中，根據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)的性能情況及網(wǎng)絡(luò)帶寬、發(fā)送距離等參數(shù)可以準(zhǔn)確地分析TT消息的實(shí)時性，從而滿足TTP總線網(wǎng)絡(luò)的硬實(shí)時要求。

5 ET消息實(shí)時性分析

在TTP總線網(wǎng)絡(luò)中，ET消息優(yōu)先級低于TT消息，其調(diào)度等待時間無法通過4.2節(jié)的建模方法分析得出，本文采用網(wǎng)絡(luò)演算方法來分析TTP總線網(wǎng)絡(luò)ET消息的實(shí)時性參數(shù)。

在網(wǎng)絡(luò)演算理論中，可變的排隊延遲發(fā)生在多路復(fù)用元件（MUX）［15］。對于交換式網(wǎng)絡(luò)，ET消息調(diào)度在交換機(jī)上緩沖排隊；而對于本文研究的總線網(wǎng)絡(luò)，采用監(jiān)聽和縮微重排序的方法進(jìn)行仲裁，ET消息分別緩存在各節(jié)點(diǎn)［16］。然而，由于享有精確的全局定時調(diào)度，總體的積壓等于各節(jié)點(diǎn)緩存量之和，

仍然可以采用一個 MUX元件進(jìn)行建模。這樣文獻(xiàn)［12］提出的流量轉(zhuǎn)換策略下的優(yōu)先級排隊分析方法依然有效，只是需要在縮微重排序的開銷條件下進(jìn)行修正。

TTE網(wǎng)絡(luò)的流量轉(zhuǎn)換策略都是基于時間觸發(fā)的調(diào)度方式，且是基于周期消息到非周期消息的降級通信策略。因此，根據(jù)文獻(xiàn)［12］中PTCTS的相關(guān)定理，結(jié)合本文TTP總線網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度算法，可對降級轉(zhuǎn)流消息隊列QTT-＞ET與ET消息隊列QET作出分析。

5.1 算法假定

在［ts，t］時間周期內(nèi)，周期時長T=t-ts。對于ET消息隊列QET與降級轉(zhuǎn)流消息隊列QTT-＞ET而言，不妨規(guī)定QET中數(shù)據(jù)幀長為集合｛LET｝，QTT-＞ET中消息數(shù)目為N，數(shù)據(jù)幀長為集合｛LTT-ET｝。

5.2 服務(wù)曲線

隊列QET，QTT-＞ET服務(wù)曲線非負(fù)，周期時長與仲裁時間之和為ΔT=T+TP/Nshrink，根據(jù)定義，服務(wù)曲線為：

2個消息隊列提供的服務(wù)曲線分別為：

5.3 到達(dá)曲線

假定在TDMA集群周期中的ET消息均能在當(dāng)前時間段內(nèi)發(fā)送完畢，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)演算理論中到達(dá)曲線的基本定義，到達(dá)曲線可以表示為：

根據(jù)ET類型數(shù)據(jù)流的特性，原始ET數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)幀離開節(jié)點(diǎn)時的到達(dá)曲線為：

由TT類型轉(zhuǎn)換而來的ET流量，在轉(zhuǎn)換后添加了轉(zhuǎn)流標(biāo)識，并且有相應(yīng)的任務(wù)周期，因此此類型數(shù)據(jù)幀的到達(dá)曲線為：

到達(dá)曲線與服務(wù)曲線示意圖如圖9所示。

圖9 到達(dá)曲線與服務(wù)曲線示意圖

5.4 延遲上界

根據(jù)調(diào)度算法及網(wǎng)絡(luò)演算相關(guān)概念，服務(wù)曲線和到達(dá)曲線的最大偏差值即為流量延遲上界，可以計算2種流量延遲上界：

TT類型轉(zhuǎn)換而來的ET流量，延遲上界是關(guān)于N的減函數(shù)；未經(jīng)過轉(zhuǎn)換的ET流量，其延遲上界是關(guān)于N的增函數(shù)。根據(jù)2種流量的聚集情況以及航空航天電子環(huán)境的實(shí)際情況，設(shè)置N的門限值，滿足消息的實(shí)時性要求。

6 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

TTP實(shí)時性仿真實(shí)驗(yàn)采用典型的四節(jié)點(diǎn)總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鐖D10所示，共有4個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)主干，TDMA周期為1 000μs，集群周期由4個TDMA周期組成。節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)1～節(jié)點(diǎn)3是發(fā)送節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)4為接收節(jié)點(diǎn)，鏈路帶寬配置為C M b/s。

圖10 仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

假定節(jié)點(diǎn)1發(fā)送消息M1，周期為1 000μs、長度為40 Byte，節(jié)點(diǎn)2發(fā)送消息M2，周期為2 000μs、長度為10 Byte，節(jié)點(diǎn)3發(fā)送消息M3，周期為4 000μs、

長度為20 Byte。仿真過程采用TTTech-TTP仿真平臺進(jìn)行，根據(jù)TTP協(xié)議調(diào)度機(jī)制及所設(shè)計的調(diào)度算法，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度時間分配，以及調(diào)度可視化顯示。TTP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)采用N幀或I幀來傳輸數(shù)據(jù)消息，據(jù)TTP幀類型及結(jié)構(gòu)可知，在傳輸攜帶有應(yīng)用數(shù)據(jù)的N幀或I幀時，其最大幀長可達(dá)4+12×8+24= 124 bit［17-18］。根據(jù)式（12），在發(fā)送數(shù)據(jù)長度及鏈路帶寬確定的情況下，可計算出理論延遲上界，將計算結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)及分析結(jié)果，TTP網(wǎng)絡(luò)中的TT消息及ET消息的實(shí)驗(yàn)時延均低于理論時延上界，說明所設(shè)計的調(diào)度算法及所采用的降級通信策略可以有效保障TTP總線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，滿足航空航天電子環(huán)境對網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性的要求。

表1 最大時延的理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

7 結(jié)束語

本文在TTP標(biāo)準(zhǔn)原有調(diào)度規(guī)則的基礎(chǔ)上，結(jié)合同時包含TT和ET消息流量的系統(tǒng)設(shè)計和分析方法，提出一種基于縮微重排序的降級通信流量轉(zhuǎn)換策略，并據(jù)此設(shè)計任務(wù)優(yōu)先級調(diào)度算法。算法同時支持優(yōu)先級等級從高到低的TT流量、轉(zhuǎn)換后的TTET流量和原ET流量，并利用使得TT消息通過仲裁機(jī)制向ET消息進(jìn)行降級轉(zhuǎn)化處理的調(diào)度機(jī)制，解決了跨節(jié)點(diǎn)的動態(tài)ET消息訪問問題，對該TTP總線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法進(jìn)行建模，得到流量轉(zhuǎn)換方案下非周期消息計算服務(wù)曲線、到達(dá)曲線和延遲上界。分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文建模和分析方法的有效性，并且有助于TTP總線網(wǎng)絡(luò)在航空航天電子平臺上的應(yīng)用推廣。本文調(diào)度機(jī)制和建模分析策略不僅為均衡TTP網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性和運(yùn)行開銷提供了參數(shù)選擇的理論依據(jù)，也為進(jìn)一步分析TTP總線在航空電子環(huán)境中的消息動態(tài)訪問機(jī)制和流量實(shí)時性奠定了理論基礎(chǔ)。

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編輯 陸燕菲

Flow Scheduling Mechanism of Time-triggered Bus and Its Real-time Analysis

ZHAO Gang，HE Feng，XU Yajun，LI Qiao
（School of Electronic and Information Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

According to the requirement of information transmission in aviation and aerospace integrated electronic system，flow type is analyzed based on the architecture of time-triggered bus and Time-triggered Protocol（TTP）.An information scheduling mechanism based on flow conversion strategy is proposed，which includes periodic Time-triggered（TT）message scheduling algorithm and non-periodic Event-triggered（ET）message micro-reordering scheduling algorithm.The transmission delay for TT message in scheduling algorithm is analyzed by modeling message transmission in TTP bus.Moreover，combining with communication degrading strategy and network calculus method，the server curve，arrival curve and delay bound for non-periodic ET message are obtained.A TTP simulation case is constructed.The results show the maximal delay obtained in experiment is consistent with the worst-case delay in theory analysis，and the flow conversion strategy proposed in this paper can realize a real-time transmission for different flow type.

Time-triggered Protocol（TTP）；scheduling；real-time；network calculus；micro-reordering

趙 罡，何 鋒，徐亞軍，等.時間觸發(fā)總線流量調(diào)度機(jī)制及其實(shí)時性分析［J］.計算機(jī)工程，2015，41（10）：59-65.

英文引用格式：Zhao Gang，He Feng，Xu Yajun，et al.Flow Scheduling Mechanism of Time-triggered Bus and Its Realtime Analysis［J］.Computer Engineering，2015，41（10）：59-65.

1000-3428（2015）10-0059-07

A

TN914

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61301086）；教育部基礎(chǔ)科研業(yè)務(wù)費(fèi)基金資助項(xiàng)目（YWF-14-DZXY-018，YWF-14-DZXY-023）。

趙 罡（1990-），男，碩士研究生，主研方向：航空電子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通信；何 鋒，講師、博士；徐亞軍，副研究員、博士；李 峭，講師、博士。

2014-10-11

2014-11-07E-m ail：zhaogang@gmail.com