可調(diào)度性保證的TTP總線能量有效優(yōu)化方法

趙天鶴，熊華鋼，程子敬，李 峭

(1.北京航空航天大學(xué),a.大型飛機(jī)高級(jí)人才班; b.電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2.北京衛(wèi)星信息工程研究所國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100080)

0 引言

時(shí)間觸發(fā)協(xié)議(Time-Triggered Protocol,TTP)是分布式容錯(cuò)實(shí)時(shí)系統(tǒng)電子模塊互連的實(shí)時(shí)通信協(xié)議[1]。TTP主要用于各種航空航天應(yīng)用，例如波音787發(fā)電系統(tǒng)和環(huán)境控制、空中客車A380的機(jī)艙壓力系統(tǒng)以及Aermacchi M-346 的全權(quán)數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制(FADEC)系統(tǒng)等。

節(jié)能環(huán)保的“綠色航電”理念已經(jīng)開始滲入到航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)層面[2]，在實(shí)時(shí)應(yīng)用條件下，有關(guān)通信的能量有效性研究關(guān)注于能量有效調(diào)度問題；文獻(xiàn)[3]基于具有并行度的調(diào)度提出靜態(tài)電源管理方法，配合兩個(gè)動(dòng)態(tài)電源管理方法(貪婪法和空隙填補(bǔ)法)來節(jié)省盡可能多的能量；文獻(xiàn)[4]權(quán)衡了能量有效和可靠性，提出一種約束邏輯編程算法對(duì)比了不同動(dòng)態(tài)錯(cuò)誤下能量有效和可靠性的相互制約；文獻(xiàn)[5]提出了一種啟發(fā)式能量意識(shí)隨機(jī)任務(wù)調(diào)度算法(ESTS)，比過去的多種能量有效的調(diào)度方法節(jié)省更多的能量。

上述研究提出了信號(hào)電平和信號(hào)頻率影響數(shù)字電路系統(tǒng)能耗公式，并加以改進(jìn)，但較少關(guān)注將能量有效目標(biāo)直接用于指導(dǎo)航空電子綜合化系統(tǒng)的調(diào)度問題。具體到TTP總線網(wǎng)絡(luò)，既有的可調(diào)度性分析方法[6]包括靜態(tài)單一消息(SM)、靜態(tài)多消息(MM)、動(dòng)態(tài)消息(DM)和動(dòng)態(tài)分片(DP)消息分配模型?？紤]文獻(xiàn)[3-5]提出的能量有效策略，給出適合碼元速率調(diào)整的靜態(tài)分片(SP)分配模型，提出一種以能量有效為優(yōu)化目標(biāo)的消息調(diào)度表生成方法。該方法可用于計(jì)算降頻節(jié)能的調(diào)度裕量，通過組合優(yōu)化得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含的調(diào)度裕量的最優(yōu)分配方案，對(duì)周期消息調(diào)度表進(jìn)行降頻節(jié)能優(yōu)化。

隨著航空電子綜合化設(shè)計(jì)向微小型化智能系統(tǒng)發(fā)展，時(shí)間觸發(fā)互連協(xié)議將應(yīng)用于芯片之間(off-chip)甚至是芯片內(nèi)部(on-chip)[7-8]，在這些應(yīng)用場(chǎng)景中將應(yīng)用主頻更高的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理單元，能量消耗對(duì)于碼元速率的變化更加敏感，本文方法有望對(duì)未來微小型智能航電系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型

1.1 TTP節(jié)點(diǎn)調(diào)度模型

TTP網(wǎng)絡(luò)采用總線式結(jié)構(gòu)將各個(gè)嵌入式節(jié)點(diǎn)聯(lián)接為分布式系統(tǒng)。TTP節(jié)點(diǎn)由主機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)接口(CNI)和TTP控制器組成，其中，在一個(gè)集群中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)從CNI接口獲得帶有狀態(tài)信息的消息數(shù)據(jù)后，立即組幀并發(fā)送給其他需要接收的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間被保存在事先設(shè)定好的消息描述列表(Message Descriptor List,MEDL)中[1]。MEDL是TTP/C控制器的調(diào)度矩陣，用來描述節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收發(fā)消息等相關(guān)屬性，存儲(chǔ)在控制器RAM中，如圖1所示。

圖1 TTP總線構(gòu)架圖Fig.1 TTP bus structure

在高安全性領(lǐng)域，一般采用雙冗余通道互連，通過相互冗余的通信通道連接的TTP節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)集群，采用時(shí)分多路訪問(TDMA)方法組織總線通信。一個(gè)集群包含多個(gè)TDMA round，各個(gè)TDMA周期的時(shí)隙劃分是固定的。給定的節(jié)點(diǎn)可以按靜態(tài)配置占據(jù)各個(gè)周期中的某個(gè)時(shí)隙，或占據(jù)集群中某個(gè)周期的固定時(shí)隙(虛擬時(shí)隙)；占據(jù)時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)具有在總線上發(fā)送消息的能力，其他節(jié)點(diǎn)可以偵聽接收到總線上的消息。

當(dāng)沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，傳統(tǒng)的TTP網(wǎng)絡(luò)的物理層處于MARK狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于沒有被消息占據(jù)的時(shí)隙，發(fā)送方發(fā)送填充字符，以保持碼元同步；在更高的協(xié)議層次，這些填充對(duì)應(yīng)于SAE AS6003標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的在沒有數(shù)據(jù)幀(N幀)傳輸時(shí)填充發(fā)送初始化幀(I幀)[9]，盡管此時(shí)并不需要初始化操作。

對(duì)于實(shí)用的航電互連設(shè)計(jì)，為了保證全生命周期的可擴(kuò)展性，總線利用率往往留有可觀的余量?？梢岳脮r(shí)間資源余量降低傳輸真正數(shù)據(jù)負(fù)載的能量消耗，且保證其不超出其應(yīng)占據(jù)的時(shí)隙區(qū)間，這就契合了綠色航電的設(shè)計(jì)理念，而實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于找到一種復(fù)雜度可以接受的能量有效消息組織的方法。

由上說明，由于TTP總線是靜態(tài)調(diào)度的，余量的利用不會(huì)影響可擴(kuò)展性，當(dāng)新型號(hào)的總線利用率提高時(shí)，重新設(shè)計(jì)調(diào)度表就可以釋放已占用的余量。

1.2 SP靜態(tài)分片模型

承載數(shù)據(jù)的N幀最長(zhǎng)為240字節(jié)，包含不到4字節(jié)的協(xié)議開銷(4 bit頭部+CRC校驗(yàn)24 bit)。消息包含一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用數(shù)據(jù)單元，嵌入幀中；顯然，當(dāng)消息長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，需要多條幀共同完成消息的發(fā)送，而數(shù)據(jù)單元的組織也為消息的分片提供了可能。TTP網(wǎng)絡(luò)完全通過預(yù)設(shè)的調(diào)度表控制幀的發(fā)送時(shí)刻，并在接收端識(shí)別幀的類型。

文獻(xiàn)[6]介紹了消息調(diào)度的4種組織方法，其中有靜態(tài)調(diào)度方法，即靜態(tài)單一消息(SM)、靜態(tài)多消息(MM)兩種消息分配模型；另外，還有動(dòng)態(tài)調(diào)度方法，即動(dòng)態(tài)消息(DM)和動(dòng)態(tài)分片(DP)兩種消息分配模型。經(jīng)過對(duì)比，認(rèn)為在精確的時(shí)鐘同步基準(zhǔn)下，如果將MM模型進(jìn)一步擴(kuò)展，事先將MM分片，同樣通過靜態(tài)的調(diào)度表控制各個(gè)分片的發(fā)送時(shí)刻，不僅可以利用分片調(diào)度的靈活性進(jìn)一步提高可調(diào)度性，而且不必像DP調(diào)度那樣付出動(dòng)態(tài)決策的開銷。

因此，提出靜態(tài)分片模型(SP)，由于TTP幀的協(xié)議開銷比例小，在調(diào)度表設(shè)計(jì)時(shí)可暫不考慮；實(shí)際工程中可以為每個(gè)時(shí)隙保留一定比例的開銷余量，將僅含純數(shù)據(jù)的消息封裝為實(shí)際的幀，所以在本文中只考慮僅含純數(shù)據(jù)的消息。SP模型的設(shè)計(jì)思路是消息在被發(fā)送到傳輸線之前，即被分成多個(gè)小分片，分別對(duì)分片進(jìn)行調(diào)度組織。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的時(shí)隙長(zhǎng)度在每個(gè)round中都是一樣的，并且時(shí)隙長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)大于最長(zhǎng)的消息長(zhǎng)度，所以采用靜態(tài)分片模型可以大大提高總線的利用率，并且更方便后面降頻節(jié)能的實(shí)現(xiàn)。

1.3 能量有效消息調(diào)度

在保證通信性能的前提下動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)字電路的電平和頻率，可以達(dá)到節(jié)能的目的[10]；考慮到總線傳輸抗干擾的特殊性，本文方法僅采用降頻節(jié)能。

當(dāng)有調(diào)度裕量存在時(shí)，傳統(tǒng)的總線傳輸會(huì)用無意義的碼元填充空閑時(shí)隙，這樣在無效數(shù)據(jù)傳輸時(shí)仍然耗能。考慮到實(shí)時(shí)通信主要關(guān)注消息傳輸?shù)慕刂蛊谙?，只要給定的消息能夠在截止期限之前發(fā)送到總線上，即使拉長(zhǎng)消息發(fā)送時(shí)間也可保證系統(tǒng)的性能，反之，提早完成傳輸沒有收益而且會(huì)增加緩存的負(fù)擔(dān)[10]。所以，只要能夠保證正好按時(shí)完成總線上各個(gè)消息的傳輸，就有望適當(dāng)、合理地動(dòng)態(tài)降低碼元發(fā)送頻率。

動(dòng)態(tài)降低碼元發(fā)送頻率增加了發(fā)送、接收器芯片實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，為了在能量有效和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度之間獲得權(quán)衡，本文方法規(guī)定(如圖2所示)：1)當(dāng)存在空閑時(shí)段，僅以偶數(shù)倍降低碼元頻率；2)只有在節(jié)點(diǎn)切換的邊沿，頻率才可以進(jìn)行改變。

TTP總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)加載靜態(tài)的消息調(diào)度表，在精確時(shí)鐘定時(shí)下對(duì)于降頻節(jié)能方案具有一致的操作。

圖2 降頻調(diào)度圖示Fig.2 Illustration of down-frequency scheduling

2 能量有效TTP消息調(diào)度方法

2.1 設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的方案流程如圖3所示。首先要設(shè)定節(jié)點(diǎn)數(shù)、各個(gè)節(jié)點(diǎn)的消息數(shù)以及消息周期和消息長(zhǎng)度。在SP模型下，計(jì)算可用于降頻節(jié)能的調(diào)度裕量數(shù)。在先不考慮調(diào)度裕量時(shí)，生成周期性消息調(diào)度表，然后通過組合優(yōu)化得到調(diào)度裕量分配給各個(gè)節(jié)點(diǎn)的最佳分配方案，生成優(yōu)化后的能量有效消息調(diào)度表。

值得說明的是，設(shè)SP模型下可允許的最小分片時(shí)間長(zhǎng)度Tmin由設(shè)計(jì)給定；不失一般性，令Tmin=1，并以其為單位，對(duì)round、消息周期、截止期限等參數(shù)的時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行歸一化。

圖3 總體方案流程圖Fig.3 Flow chart of the overall scheme

2.2 調(diào)度裕量的計(jì)算方法

降低碼元的發(fā)送頻率，相當(dāng)于拉長(zhǎng)消息的長(zhǎng)度，使之最接近它們的截止期限，就可以在保障調(diào)度性能的前提下降低功耗。設(shè)N個(gè)節(jié)點(diǎn)分時(shí)共享TTP總線的每個(gè)round，記為節(jié)點(diǎn)i(i=1，2，…，N)。設(shè)節(jié)點(diǎn)i的相對(duì)截止期限為Di，round的時(shí)間長(zhǎng)度記為D*，集群中含有round的數(shù)目為R。設(shè)計(jì)要求D*≤min(Di)。

由節(jié)點(diǎn)i發(fā)送的消息由二元組〈Pi,m,Ci,m〉表示，其中，參數(shù)Pi,m和Ci,m分別表示節(jié)點(diǎn)i的第m種消息的周期和長(zhǎng)度。

對(duì)于?m，令Di≤Pi,m，對(duì)Pi,m進(jìn)行規(guī)整

(1)

對(duì)于R的設(shè)定應(yīng)當(dāng)保證所有節(jié)點(diǎn)的所有消息都可以執(zhí)行完，定義

(2)

在消息靜態(tài)分片模型中，設(shè)消息是可以被分片的。以相同長(zhǎng)度的分片大小同時(shí)對(duì)消息和時(shí)隙進(jìn)行靜態(tài)分片分配。分片長(zhǎng)度T定義為

(3)

式中,n=?lbD*」，使得T∈[1,2)，使之盡可能接近Tmin。實(shí)際的分片長(zhǎng)度T作為分配和利用調(diào)度裕量的單位，進(jìn)而對(duì)消息長(zhǎng)度規(guī)整為

(4)

如果不通過降頻利用調(diào)度裕量，節(jié)點(diǎn)i在每個(gè)

round中發(fā)送消息必需的分片數(shù)目為

(5)

可以得到round中可用來進(jìn)行降頻節(jié)能操作的調(diào)度裕量數(shù)目為

(6)

2.3 周期性消息調(diào)度表生成

(7)

將集群周期內(nèi)的round標(biāo)記為r=1,2,…,R，時(shí)隙內(nèi)的分片位置標(biāo)記為g=1,2,…,Gi，則在節(jié)點(diǎn)i的時(shí)隙中任意分片的位置可用矩陣Sr×g表示。

節(jié)點(diǎn)消息分片調(diào)度安排算法如下。

andGi

Output:Sr×g,

(r=1,2,…,R;g=1,2,…,Gi)

fori=1 toNdo

fork=1 toKdo

num=0;

num=num+1;

end

else

break;

end

end

end

end

returnSr×g

算法中，通過find()函數(shù)進(jìn)行檢查，找到一組可行的位置，容納周期性重復(fù)的分片，并使其第一個(gè)位置在可行條件下最靠近調(diào)度表的起始點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)消息分片調(diào)度安排如圖4所示。其中，roundx(x=1,2,…,R)代表第x個(gè)round。相同顏色形狀的方框是同一個(gè)消息的周期性調(diào)度安排。

圖4 節(jié)點(diǎn)消息分片調(diào)度安排示意圖Fig.4 Illustration of node message SP scheduling

2.4 能耗的計(jì)算

在SP模型下，由式(6)求得的調(diào)度裕量分片通過組合優(yōu)化分配給各個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)各節(jié)點(diǎn)獲得裕量分片個(gè)數(shù)分別為L(zhǎng)1,…,Li,…,LN。當(dāng)Li=0,1,…,L時(shí)，節(jié)點(diǎn)i耗能為Ei,Li。節(jié)點(diǎn)i在第x個(gè)round中消息分片數(shù)為li,x。

降低時(shí)序同步邏輯數(shù)字電路的電平和主頻，都可以降低其動(dòng)態(tài)功耗。由于降低總線電壓在實(shí)現(xiàn)上有一定困難，所以本文采用降頻節(jié)能的方法。設(shè)節(jié)點(diǎn)i分配得到Li個(gè)分片在第x個(gè)round中降頻后的頻率為fi,Li,x，參照文獻(xiàn)[3]的式(4)，本文所討論的li,x和Li相當(dāng)于原文獻(xiàn)中的平行度為1時(shí)每個(gè)調(diào)度元素的長(zhǎng)度和分配給此調(diào)度元素的靜態(tài)裕量，未降頻的總線碼速率即是公式中的頻率fmax，可得

(8)

對(duì)li,x和Li以T為時(shí)間單位，并忽略常量fmax和轉(zhuǎn)換電容Cef，設(shè)ei,Li為簡(jiǎn)化的Ei,Li，簡(jiǎn)化的算式為

(9)

雖然式(9)失去了物理量綱的意義，但并不影響組合優(yōu)化問題的求解。下文中將ei,Li的單位統(tǒng)稱為“能量單位”，進(jìn)而可以得出所有節(jié)點(diǎn)的總耗能量為

(10)

2.5 調(diào)度裕量組合優(yōu)化分配算法

(11)

得到最優(yōu)的調(diào)度裕量分片的分配方案。常規(guī)可以采用混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)求解最優(yōu)分配，但考慮到TTP的調(diào)度表是離線生成的，可以采用復(fù)雜度較高但易于理解的方法，先枚舉計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)的ei，Li,然后采用樹結(jié)構(gòu)遞歸[11]的方法求解式(11)。這里的算法偽代碼如下所示。

Global variable：LandNand {L1，L2，…，LN} and Minenergy

treesearch (energysum,Li,i)

end

end

else

ifLi<=L-Lusethen

Compare and Update Minenergy andLi;

end

else

Li++;

treesearch(energysum,Li,i);

end

end

return{L1,L2,…,LN}。

3 案例研究

為了展示以能量有效為優(yōu)化目標(biāo)的消息調(diào)度表生成方法，這里選取某個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)N為4的案例作為典型算例；隨后再給出擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)數(shù)后能量有效TTP總線調(diào)度表優(yōu)化結(jié)果。

3.1 典型算例

設(shè)節(jié)點(diǎn)消息數(shù)上限為10條，在實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)生成4個(gè)節(jié)點(diǎn)的消息數(shù)以及每條消息的周期值，取D*=minDi=minPi,m，根據(jù)式(1)將消息周期以D*為單位進(jìn)行規(guī)整，如表1所示。

表1 規(guī)整后的消息周期(單位D*)Table 1 Regularized message cycle (the unit is D*)

根據(jù)式(4)將消息長(zhǎng)度以調(diào)度分片T為單位進(jìn)行規(guī)整，如表2所示,然后計(jì)算出所有消息長(zhǎng)度所需要的分片數(shù)量以及剩余的調(diào)度分片裕量。本案例中round數(shù)R為36，一個(gè)round的分片數(shù)為32，4個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要的分片數(shù)量分別為2，5，3，3。剩余的調(diào)度裕量L有19條。

表2 規(guī)整后的消息長(zhǎng)度(單位T)Table 2 Regularized message length (the unit is T)

根據(jù)2.3節(jié)中節(jié)點(diǎn)周期性消息分片調(diào)度安排算法將節(jié)點(diǎn)的所有消息分片分配到各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙中。如圖5所示的節(jié)點(diǎn)消息分片調(diào)度表，相同的顏色代表同一個(gè)消息類，白色表示沒有消息，灰色用來分隔不同節(jié)點(diǎn)，每個(gè)分片中消息的高度代表頻率，優(yōu)化前還未降頻節(jié)能，滿格表示最高頻率。

圖5 節(jié)點(diǎn)消息分片調(diào)度表Fig.5 SP scheduling of node message

通過枚舉法和樹結(jié)構(gòu)遞歸法求得不同調(diào)度裕量分配方案的耗能情況,如圖6所示。

圖6 不同調(diào)度裕量分配方案的耗能分布圖Fig.6 Energy consumption distribution map of different scheduling slack allocation schemes

由圖6可以看出,當(dāng)分配給4個(gè)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度裕量{L1,L2,L3,L4}={2,7,5,5}時(shí)，可以通過降頻節(jié)能方法節(jié)省最多的能量。選擇此分配方案并進(jìn)行降頻，得到能量有效優(yōu)化節(jié)點(diǎn)消息調(diào)度表，如圖7所示。

圖7 能量有效優(yōu)化節(jié)點(diǎn)消息調(diào)度表Fig.7 Energy-efficient optimal node message scheduling

通過式(10)、式(11)可以求得采用以能量有效為優(yōu)化目標(biāo)的消息調(diào)度表生成方法前后的能耗分別為232.0能量單位和38.4能量單位。

3.2 擴(kuò)展案例

將典型算例中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)由4節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展到8節(jié)點(diǎn)，其余不變。實(shí)驗(yàn)中得到調(diào)度裕量有5條，節(jié)點(diǎn)消息分片調(diào)度表和能量有效優(yōu)化節(jié)點(diǎn)消息調(diào)度表如圖8所示。

同樣可以求得采用以能量有效為優(yōu)化目標(biāo)的消息調(diào)度表生成方法前后的能耗分別為367.9能量單位和181.1能量單位。

圖8 8節(jié)點(diǎn)案例結(jié)果圖Fig.8 The case result of 8 nodes

4 結(jié)論

本文結(jié)合“綠色航電”的理念提出一種以能量有效為優(yōu)化目標(biāo)的消息調(diào)度表生成方法，提出了靜態(tài)分片分配方法，將調(diào)度裕量組合優(yōu)化以耗能最小的分配方案分配給各個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到合理降頻節(jié)能的效果，并通過了仿真案例驗(yàn)證。針對(duì)本文的應(yīng)用對(duì)象TTP總線，該方法可以保證消息的可調(diào)度性。

微小型智能片上系統(tǒng)的片間甚至片內(nèi)的互連有望采用類似的時(shí)間觸發(fā)總線的實(shí)時(shí)通信方式[7]，降頻等數(shù)字電路節(jié)能方法對(duì)于集成電路效果更加明顯[8]，本文方法有望對(duì)未來微小型智能航電系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)提供參考。

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