基于消息分割的FlexRay應(yīng)用層設(shè)計

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 611731)

FlexRay總線是為滿足日益增長的車載網(wǎng)絡(luò)通信需求而制定的下一代車載總線標(biāo)準(zhǔn)，與現(xiàn)行的CAN總線相比，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在通信速率、可靠性、安全性和靈活性4個方面。

FlexRay節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)符合ISO/OSI分層模型，包括第1層(物理層)、第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)和第7層(應(yīng)用層)[1]。其中，F(xiàn)lexRay標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的相關(guān)內(nèi)容，物理層規(guī)定了FlexRay總線機(jī)械、電氣等要求，鏈路層規(guī)定了幀結(jié)構(gòu)、幀傳輸方式、時鐘同步等問題[2]。對于應(yīng)用層協(xié)議并沒有做詳細(xì)規(guī)定，只規(guī)定了通信循環(huán)的最長持續(xù)時間、每個時隙的最大有效負(fù)載等限制參數(shù)。因此，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者需要根據(jù)FlexRay網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)南?，配置合適的協(xié)議參數(shù)，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信性能。

FlexRay靜態(tài)時隙長度是影響FlexRay網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)段通信性能的重要參數(shù)。目前，對靜態(tài)段時隙長度配置的研究主要從消息封裝優(yōu)化算法的角度入手，旨在提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率[3-7]。文獻(xiàn)[3]基于消息優(yōu)先級將多個消息封裝進(jìn)同一個靜態(tài)幀中并進(jìn)一步引入時隙復(fù)用機(jī)制，同一靜態(tài)時隙在不同的通信周期內(nèi)所傳輸?shù)南⑹强勺兊模晃墨I(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]分別從不同的角度設(shè)計消息封裝策略，其中，文獻(xiàn)[4]將具有相同周期和來自相同節(jié)點(diǎn)的信號優(yōu)先封裝進(jìn)同一靜態(tài)幀，文獻(xiàn)[5]則將同一個節(jié)點(diǎn)內(nèi)編號成整數(shù)倍關(guān)系的消息封裝到一個幀中。消息分割法是一種通過將負(fù)載較大的消息分割為多個子消息以優(yōu)化靜態(tài)段參數(shù)的FlexRay靜態(tài)段消息封裝策略，文獻(xiàn)[6]將長消息分割，并將子消息填充到被分配短消息的時隙內(nèi)；文獻(xiàn)[7]將長消息分割為多個子消息在靜態(tài)段傳輸，并進(jìn)一步對消息分割的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，得出總線負(fù)載率隨消息分割大小的變化曲線。

上述研究均在理論上對FlexRay消息封裝策略進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，對于算法在應(yīng)用上的實(shí)現(xiàn)方法則鮮有論述。因此，從應(yīng)用層的角度，設(shè)計了一種基于消息分割策略的FlexRay總線靜態(tài)段傳輸實(shí)現(xiàn)方法，保證發(fā)送端不同長度消息的準(zhǔn)確傳輸以及接收端數(shù)據(jù)的順序性和完整性，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證設(shè)計的可行性。

1 FlexRay總線技術(shù)

FlexRay的通信是基于“通信循環(huán)”實(shí)現(xiàn)的。通信循環(huán)是周期性的，且持續(xù)時間相等，因此也稱為通信周期。一個通信循環(huán)被依次分為靜態(tài)段、動態(tài)段、符號窗口和網(wǎng)絡(luò)空閑時間4個部分[8]，如圖1所示。其中，靜態(tài)段的長度一般占整個通信循環(huán)的70%以上[9]；動態(tài)段和符號窗口不是必須的；網(wǎng)絡(luò)空閑時間用于時鐘同步，保證通信控制器在最壞情況下，能夠有足夠的時間計算相位修正值和頻率修正值，并能進(jìn)行相位的修正。

圖1 FlexRay通信周期

靜態(tài)段是由靜態(tài)時隙(Static Slot)組成的，所有靜態(tài)時隙的持續(xù)時間相同。靜態(tài)段采用全局時分多路訪問型操作原理進(jìn)行媒體訪問控制[10]，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)只在被分配給它的靜態(tài)時隙內(nèi)有權(quán)向總線中發(fā)送數(shù)據(jù)。為便于分配，靜態(tài)時隙從1開始依次編號，記為時隙ID。每個靜態(tài)時隙只屬于一個節(jié)點(diǎn)，但每個節(jié)點(diǎn)可以被分配最多16個時隙。這些概念均被協(xié)議參數(shù)化，由網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者離線配置。

靜態(tài)段消息傳輸時間具有可預(yù)測型，一般用于傳輸對實(shí)時性要求比較高的報文，同時，靜態(tài)段適合基于時間觸發(fā)的報文，即在一個發(fā)送時隙到來時，無論被分配到該時隙發(fā)送的報文是否被更新，都將該報文發(fā)送到總線。

在協(xié)議運(yùn)行過程中，消息被封裝成FlexRay數(shù)據(jù)幀在總線上傳輸。FlexRay幀格式如圖2所示，包括頭部段、負(fù)載段和尾部段3個部分。頭部段包含5 bits指示位、11 bits幀ID、7 bits負(fù)載長度、11 bits頭部循環(huán)冗余校驗(yàn)碼和6 bits周期計數(shù);負(fù)載段可包含0～254 B的數(shù)據(jù)；尾部段含有24 bits尾部循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。

圖2 FlexRay靜態(tài)幀格式及封裝方式

幀ID字段指示了傳輸該幀的時隙，即時隙ID。有效數(shù)據(jù)負(fù)載段保存至多254個字節(jié)的有效數(shù)據(jù)，該段的長度由有效負(fù)載長度字段指定。在靜態(tài)段，所有幀的有效負(fù)載長度都是固定的。尾部段是一個3 B的CRC，用于校驗(yàn)前面的數(shù)據(jù)域傳輸是否正確，它的長度是頭部端的字長加上有效負(fù)載數(shù)據(jù)段的字長。

邏輯數(shù)據(jù)要在物理層進(jìn)行傳輸，必須要借助傳輸保護(hù)和預(yù)防措施對其進(jìn)行傳輸封裝，以消除傳輸媒介的影響。FlexRay以字節(jié)為單位進(jìn)行封裝，如圖2所示，在幀起始、幀結(jié)尾和每個字節(jié)前加上特殊符號。

2 FlexRay協(xié)議設(shè)計與軟件開發(fā)

2.1 應(yīng)用層設(shè)計

FlexRay協(xié)議規(guī)定，靜態(tài)時隙的時間長度由總線比特率和最長數(shù)據(jù)幀決定，靜態(tài)段時隙的長度至少是靜態(tài)段傳輸最長幀所需的時間加上集群內(nèi)任一控制器處理的最長時間和時間精度的持續(xù)時間以及時隙延時校正參數(shù)的最大值[11]。由此可見，在配置靜態(tài)時隙長度時，起決定作用的是靜態(tài)段傳輸?shù)淖铋L幀所需時間。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，在一個靜態(tài)幀只傳輸一則消息的前提下，這種時隙配置方式會降低總線帶寬利用率。以圖3為例，靜態(tài)段以幀c的長度被分為10個靜態(tài)時隙，可以發(fā)現(xiàn)，只有c充分利用了帶寬，而e對帶寬資源的浪費(fèi)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者和使用者都無法容忍的。

圖3 靜態(tài)段時隙分配方案示例

本例所示時隙分配模型參考汽車工程師協(xié)會提供的FlexRay消息基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，具有一定的代表性。因此，針對根據(jù)網(wǎng)絡(luò)最長幀配置靜態(tài)段協(xié)議參數(shù)的缺陷，出現(xiàn)了一種稱為消息分割法的消息封裝策略。消息分割算法的核心思想是對長消息進(jìn)行拆分，平衡消息的負(fù)載長度，并以此配置合適的靜態(tài)時隙長度，以達(dá)到提高FlexRay總線帶寬利用率的目的。

如圖4所示，對于根據(jù)消息a負(fù)載長度配置時隙參數(shù)的FlexRay靜態(tài)段通信來說，消息f封裝成的數(shù)據(jù)幀顯然無法在一個靜態(tài)時隙內(nèi)傳輸，因此，將其按照貪心策略分割為f1～f4 4個子消息，依序在4個連續(xù)通信周期的相同時隙內(nèi)傳輸。

FlexRay靜態(tài)段通信機(jī)制可以保證消息在總線上傳輸?shù)捻樞蛐?，但無法保證連續(xù)通信周期內(nèi)同一時隙中的消息在空間上的連續(xù)性。因此，利用消息分割算法封裝的消息，還需要在接收端對其進(jìn)行拼接。一種消息提交策略是定義一個由多個連續(xù)通信周期組成的信息交互周期[11]，在信息交互周期內(nèi)接收到的消息，在最后一個通信周期結(jié)束時，一并提交給接收端CPU。但是該方式會使消息得到處理的時間推遲到整個信息交互周期結(jié)束，影響了FlexRay消息的實(shí)時性。由此，提出一種消息分類處理的消息分割策略實(shí)現(xiàn)方式，利用FlexRay靜態(tài)幀負(fù)載段首字節(jié)作為標(biāo)志字段，以區(qū)分未分割消息和已分割消息。該字節(jié)前4位用于指示消息是否被分割，后4位用于指示該消息是否為被分割消息的最后一個子消息。發(fā)送端根據(jù)消息長度填充分割標(biāo)志字段，接收端根據(jù)標(biāo)志字段決定對消息的處理方式。為未分割消息和已分割消息配置不同的接收緩沖區(qū)，對于前者，可直接提交給CPU；對于后者，在完成所有子消息的接收后，對消息負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，再一并提交。通過這種二級緩沖的機(jī)制，與基于信息交互周期的消息分割策略相比，提高了未分割消息的實(shí)時性。

圖4 消息分割法

2.2 協(xié)議參數(shù)配置

基于本設(shè)計，消息在封裝成FlexRay幀時，會產(chǎn)生額外協(xié)議開銷。額外協(xié)議開銷的來源有兩個：① 數(shù)據(jù)負(fù)載段首字節(jié)的標(biāo)志字段；② 對于被分割的消息，新增的消息幀會增加額外協(xié)議開銷。協(xié)議開銷的增長取決于靜態(tài)幀負(fù)載段長度和消息負(fù)載長度。

由表1可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)載段長度增大會在一定程度上導(dǎo)致總線帶寬利用率的下降，但是減少了消息分割所產(chǎn)生的新FlexRay靜態(tài)幀的個數(shù)，而額外協(xié)議開銷主要來源于對新數(shù)據(jù)幀的封裝。同時，負(fù)載段長度過大則會使帶寬利用率嚴(yán)重下降，失去了消息分割的意義。因此，將FlexRay靜態(tài)幀負(fù)載段長度定義為16 B。

根據(jù)前文對FlexRay靜態(tài)幀格式和編碼方式的分析，對于負(fù)載段長度為jbits的FlexRay靜態(tài)幀，其長度可以表示為[12]

表1 不同負(fù)載段長度的額外協(xié)議開銷與帶寬利用率

LFL(j)=TSS+FSS+80+20wj+FES

(1)

式中，TSS、FSS和FES在圖2中已說明，80為幀頭和幀尾編碼后所占位數(shù)；wj為以字為單位的有效負(fù)載長度。由此，F(xiàn)lexRay靜態(tài)時隙的長度可以表示為

(2)

式中，TAPO為靜態(tài)時隙的動作點(diǎn)偏移；gdBit為傳輸1 bit所需時間；CID為空閑通道定界符；TMT為宏節(jié)拍持續(xù)時間。

FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)取表2中各值，可得靜態(tài)時隙長度LST的值為112 μs。故將靜態(tài)時隙長度配置為120個宏節(jié)拍，即120 μs。靜態(tài)段內(nèi)靜態(tài)時隙個數(shù)為20個，網(wǎng)絡(luò)空閑時間占30個宏節(jié)拍，整個通信周期持續(xù)時間為2.43 ms，小于協(xié)議規(guī)定最大通信周期長度16 ms。

表2 FlexRay網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

2.3 軟件設(shè)計

FlexRay數(shù)據(jù)收發(fā)通過中斷觸發(fā)。MC9S12XF512單片機(jī)內(nèi)集成FlexRay模塊，提供獨(dú)立的中斷源。節(jié)點(diǎn)的每一個時隙均與片內(nèi)的一個Message Buffer對應(yīng)。Message Buffer是FlexRay模塊中一塊連續(xù)的存儲區(qū)域，被抽象成存儲幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[13]。在程序初始化階段，為被使用的MB設(shè)置類型，并為其設(shè)置一個中斷服務(wù)程序。當(dāng)通信循環(huán)到達(dá)指定時隙時，即FlexRay模塊系統(tǒng)時鐘運(yùn)行到該時隙的動作點(diǎn)處，對應(yīng)MB的時隙狀態(tài)信息被更新，Message Buffer中斷標(biāo)志位被置位，觸發(fā)對應(yīng)中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

2.3.1 FlexRay通信程序設(shè)計

通信程序基于μC/OS嵌入式系統(tǒng)中的任務(wù)進(jìn)行管理，主要包括FlexRay收發(fā)任務(wù)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，其中數(shù)據(jù)處理任務(wù)負(fù)責(zé)將總線數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC上。所有任務(wù)均阻塞在μC/OS任務(wù)信號量等待，等待中斷服務(wù)程序發(fā)布信號量將其喚醒。

FlexRay發(fā)送任務(wù)和FlexRay接收任務(wù)共同維護(hù)一個時隙映射表，時隙映射表中元素為保存有每個時隙中待處理的消息的鏈表的頭節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)儲存有鏈表結(jié)構(gòu)信息。

typedef struct {

slotListNode_t *start;

slotListNode_t *end;

slotType type;

} listHead;

程序利用μC/OS內(nèi)存管理接口開辟一塊內(nèi)存池。對于發(fā)送時隙，其對應(yīng)鏈表中節(jié)點(diǎn)儲存的是待發(fā)送的消息；對于接收時隙，節(jié)點(diǎn)中儲存接收到的被分割的子消息。節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)域指針指向一塊從內(nèi)存池中申請的內(nèi)存塊。內(nèi)存塊大小都是16 B，因此在待發(fā)送消息入鏈時就需要對其以15 B為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分割。

struct slotListNode_s {

unsigned char *frMsg;

struct slotListNode_s *pNext;

};

typedef struct slotListNode_s slotListNode_t;

FlexRay發(fā)送任務(wù)從對應(yīng)時隙的消息鏈表中取出頭節(jié)點(diǎn)后第一個節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)(如果消息鏈表不為空)，填充分割標(biāo)志位后調(diào)用Fr_transmit_data函數(shù)發(fā)送，并將該節(jié)點(diǎn)從消息鏈表中移除。

圖5 發(fā)送任務(wù)流程

typedef struct {

unsigned char base[512];

unsigned char front;

unsigned char rear;

unsigned char size;

} circularBuffer;

FlexRay接收任務(wù)在被喚醒后，調(diào)用接收函數(shù)Fr_receive_data讀取MB中數(shù)據(jù)。Fr_receive_data函數(shù)是FlexRay驅(qū)動函數(shù)，對該函數(shù)進(jìn)行修改，添加參數(shù)uint8 *split區(qū)分接收到的數(shù)據(jù)是否是完整的一條消息。對于未被分割的消息，直接將其數(shù)據(jù)寫入到待處理隊列circularBuffer；對于被分割的消息，將數(shù)據(jù)暫存在該時隙對應(yīng)的消息鏈表中，待接收到全部子消息后一并寫入待處理隊列。

圖6 接收任務(wù)流程

數(shù)據(jù)處理任務(wù)在收到CPU發(fā)布的信號后，從待處理隊列中取出消息數(shù)據(jù)交由串口發(fā)送。

2.3.2 利用XGATE協(xié)處理器管理串口發(fā)送

為了提高程序執(zhí)行效率，降低系統(tǒng)因中斷而產(chǎn)生的實(shí)時性問題，采用XGATE處理串口通信。XGATE是一個獨(dú)立于主CPU (S12X)的可編程RISC內(nèi)核，用以提高應(yīng)用程序的反應(yīng)速度，減少主CPU的中斷負(fù)荷。XGATE由中斷驅(qū)動，可以獨(dú)立于CPU運(yùn)行中斷服務(wù)程序。XGATE與CPU之間，可以通過共享變量進(jìn)行通信[14]。

用XGATE處理串口通信，XGATE與S12X CPU之間采用雙緩沖機(jī)制進(jìn)行通信。XGATE將buf1中數(shù)據(jù)發(fā)送到串口緩沖區(qū)后，向CPU提交中斷請求；CPU中斷服務(wù)程序交換緩沖區(qū)，向數(shù)據(jù)處理任務(wù)發(fā)布信號，并重新置位串口發(fā)送中斷。此時，XGATE繼續(xù)通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)，CPU執(zhí)行數(shù)據(jù)處理任務(wù)。數(shù)據(jù)處理任務(wù)被喚醒后，將待處理隊列中的數(shù)據(jù)拷貝到buf2中。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用集成有FlexRay通信控制器的MC9S12XF512型單片機(jī)作為主控芯片，與總線收發(fā)器TJA1080組成通信節(jié)點(diǎn)，并搭建一個雙節(jié)點(diǎn)簡易通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖5所示，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖7 FlexRay節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖8 FlexRay網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置如表3所示，Node 2通過串口將FlexRay總線數(shù)據(jù)提交給PC。

表3 靜態(tài)段時隙分配

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，程序運(yùn)行穩(wěn)定，通過串口助手觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)1在時隙7中在3個周期內(nèi)發(fā)送的長消息在節(jié)點(diǎn)2中成功接收并實(shí)現(xiàn)拼接。

4 結(jié)束語

分析了基于消息分割策略的FlexRay總線靜態(tài)段消息封裝方式，提出了一種基于消息分類處理的消息分割策略實(shí)現(xiàn)方式，在此基礎(chǔ)上對FlexRay應(yīng)用層進(jìn)行設(shè)計，通過對消息分割所產(chǎn)生協(xié)議開銷和帶寬利用率進(jìn)行分析，確定FlexRay靜態(tài)段協(xié)議參數(shù)，并在μC/OS系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了基于該設(shè)計的FlexRay通信系統(tǒng)。本設(shè)計在保證帶寬利用率和消息傳輸延遲的同時，滿足了不同長度消息在靜態(tài)段上的可靠傳輸，并具有一定可擴(kuò)展性。最后，利用MC9S12XF512單片機(jī)搭建FlexRay網(wǎng)絡(luò)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證程序設(shè)計可行性。