GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率準(zhǔn)確計(jì)算和傳輸效率分析

劉 龍，李智龍，代慧珍，蔣祖歆

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

GJB 289A 總線（數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線）具有高可靠性、實(shí)時(shí)性、確定性[1]等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于航空航天飛行器[2]的安全關(guān)鍵或任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)[3]中，是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基本保證。GJB 289A 總線主要由總線控制器（bus controller，BC）、總線監(jiān)控器（bus monitor，BM）、遠(yuǎn)程終端（remote terminal，RT）組成?？偩€控制器是總線網(wǎng)絡(luò)中組織信息傳輸?shù)慕K端，負(fù)責(zé)總線的調(diào)度和管理；總線監(jiān)控器用于監(jiān)視總線的運(yùn)行狀況，遠(yuǎn)程終端（最多31 個(gè)）用于連接各子系統(tǒng)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[4]。

隨著各機(jī)載系統(tǒng)數(shù)字化、信息化程度的加深，用戶對(duì)機(jī)載數(shù)據(jù)總線的吞吐率提出了更高要求。GJB 289A 總線的帶寬僅1Mb/s，在使用GJB 289A 網(wǎng)絡(luò)作為機(jī)載數(shù)據(jù)總線時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注其負(fù)載率和傳輸效率，以判斷GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)的帶寬余量是否滿足設(shè)計(jì)要求。

基于以上分析，本文針對(duì)GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率和傳輸效率計(jì)算的問(wèn)題，提出一種負(fù)載率和傳輸效率計(jì)算的策略。根據(jù)GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)消息傳輸協(xié)議，在計(jì)算過(guò)程中考慮了影響GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率和傳輸效率的消息格式、指令字、數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字、消息間隔、遠(yuǎn)程終端響應(yīng)有效指令字的間隔時(shí)間和消息內(nèi)的數(shù)據(jù)量等因素，給出了所有消息格式下總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率和傳輸效率的準(zhǔn)確計(jì)算，并對(duì)總線負(fù)載率和傳輸效率進(jìn)行分析。

1 總線負(fù)載計(jì)算策略

總線負(fù)載率即總線利用率，表示實(shí)際傳輸時(shí)間與最大可能允許傳輸時(shí)間之比值，反映了允許系統(tǒng)擴(kuò)充的余量[5]。即：

式（1）中，LR 為總線負(fù)載率，T 為計(jì)算總線負(fù)載率時(shí)所取傳輸周期時(shí)間；M 為對(duì)應(yīng)周期時(shí)間內(nèi)處理的消息總數(shù)；Lj為某消息的傳送時(shí)間。

總線傳輸效率為傳輸數(shù)據(jù)位所需的時(shí)間與總線上實(shí)際傳輸時(shí)間之比，即：

式（2）中，BE 為總線傳輸效率，Pj為某消息內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)位的時(shí)間。

由式（1）、（2）可知，為得出總線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率和傳輸效率，關(guān)鍵在于計(jì)算總線負(fù)載。在GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)中，共有總線控制器向遠(yuǎn)程終端的傳輸、遠(yuǎn)程終端向總線控制器的傳輸、遠(yuǎn)程終端向遠(yuǎn)程終端的傳輸、不帶數(shù)據(jù)字的方式指令、帶數(shù)據(jù)字的方式指令(發(fā)送)、帶數(shù)據(jù)字的方式指令(接收)、總線控制器向各遠(yuǎn)程終端的傳輸（廣播）、遠(yuǎn)程終端向各遠(yuǎn)程終端的傳輸（廣播）、不帶數(shù)據(jù)字的方式指令（廣播）、帶數(shù)據(jù)字的方式指令（廣播）10 種消息通訊格式。

為方便計(jì)算總線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，設(shè)一條消息內(nèi)的數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)量為Q（1≤Q≤32）。

根據(jù)GJB 289A-97 要求，GJB 289A 數(shù)據(jù)總線帶寬為1Mb/s[4]，即1bit/μs。遠(yuǎn)程終端響應(yīng)有效指令字的間隔時(shí)間為4.0～12.0μs，典型值為10μs，消息之間的典型間隔時(shí)間為50μs[6]。

1.1 總線控制器向遠(yuǎn)程終端的傳輸

總線控制器發(fā)出一個(gè)接收指令字及規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)字到遠(yuǎn)程終端，后者在核實(shí)消息之后，發(fā)回一個(gè)狀態(tài)字給控制器，指令字和數(shù)據(jù)字應(yīng)以沒有字間間隔的連續(xù)形式發(fā)出[4]。詳見圖1。

圖1 總線控制器向遠(yuǎn)程終端的傳輸過(guò)程

其中，根據(jù)GJB 289A-97 要求，傳輸各數(shù)據(jù)所需時(shí)間如下：

接收指令：20 μs；

數(shù)據(jù)字：20Q μs；

狀態(tài)字：20 μs；

響應(yīng)時(shí)間：10 μs；

消息間隔：50 μs。

故在GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸一條總線控制器至遠(yuǎn)程終端的消息共需t1μs：

1.2 遠(yuǎn)程終端向總線控制器的傳輸

總線控制器向遠(yuǎn)程終端發(fā)出一個(gè)發(fā)送指令字，該遠(yuǎn)程終端在核實(shí)指令字之后，發(fā)回一個(gè)狀態(tài)字給總線控制器，繼之以規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)字。狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字應(yīng)以沒有字間間隔的連續(xù)形式發(fā)出[4]。詳見圖2。

圖2 遠(yuǎn)程終端向總線控制器的傳輸過(guò)程

根據(jù)總線控制器至遠(yuǎn)程終端的消息傳輸時(shí)間計(jì)算方法和圖2 所述，在GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸一條遠(yuǎn)程終端至總線控制器的消息共需t2μs：

1.3 遠(yuǎn)程終端向遠(yuǎn)程終端的傳輸

總線控制器向遠(yuǎn)程終端A 發(fā)出一個(gè)接收指令字，緊接著向遠(yuǎn)程終端B 發(fā)出一個(gè)發(fā)送指令字。遠(yuǎn)程終端B 在核實(shí)指令字之后，發(fā)送一個(gè)狀態(tài)字，繼之以規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)字。狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字以沒有字間間隔的連續(xù)形式發(fā)送。遠(yuǎn)程終端B 發(fā)出的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)及遠(yuǎn)程終端A 在接收到規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)字之后，發(fā)送一個(gè)狀態(tài)字[4]。詳見圖3。

根據(jù)總線控制器至遠(yuǎn)程終端的消息傳輸時(shí)間計(jì)算方法和圖3 所述，在GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸一條遠(yuǎn)程終端至遠(yuǎn)程終端的消息共需t3μs：

圖3 遠(yuǎn)程終端向遠(yuǎn)程終端的傳輸過(guò)程

1.4 不帶數(shù)據(jù)字的方式指令

總線控制器使用規(guī)定的方式代碼向遠(yuǎn)程終端發(fā)出一個(gè)發(fā)送指令字，該遠(yuǎn)程終端在核實(shí)指令字之后，回送一個(gè)狀態(tài)字[4]。詳見圖4。

圖4 不帶數(shù)據(jù)字的方式指令傳輸過(guò)程

根據(jù)總線控制器至遠(yuǎn)程終端的消息傳輸時(shí)間計(jì)算方法和圖4 所述，在GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸一條不帶數(shù)據(jù)字的方式指令的消息共需t4μs：

1.5 帶數(shù)據(jù)字的方式指令（發(fā)送）

總線控制器使用規(guī)定的方式代碼向遠(yuǎn)程終端發(fā)出一個(gè)發(fā)送指令字，該遠(yuǎn)程終端在核實(shí)指令字之后，回送一個(gè)狀態(tài)字，繼之以一個(gè)數(shù)據(jù)字，狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字以沒有字間間隔的連續(xù)形式發(fā)送[4]。詳見圖5。

圖5 帶數(shù)據(jù)字的方式指令（發(fā)送）的傳輸過(guò)程

根據(jù)總線控制器至遠(yuǎn)程終端的消息傳輸時(shí)間計(jì)算方法和圖5 所述，在GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸一條帶數(shù)據(jù)字的方式指令（發(fā)送）的消息共需t5μs：

1.6 帶數(shù)據(jù)字的方式指令（接收）

總線控制器使用規(guī)定的方式代碼向遠(yuǎn)程終端發(fā)出一個(gè)發(fā)送指令字，繼之以一個(gè)數(shù)據(jù)字。指令字和數(shù)據(jù)字以沒有字間間隔的連續(xù)形式發(fā)送。該遠(yuǎn)程終端在核實(shí)指令字和數(shù)據(jù)字之后，回送一個(gè)狀態(tài)字[4]。詳見圖6。

圖6 帶數(shù)據(jù)字的方式指令（接收）的傳輸過(guò)程

根據(jù)總線控制器至遠(yuǎn)程終端的消息傳輸時(shí)間計(jì)算方法和圖6 所述，在GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸一條帶數(shù)據(jù)字的方式指令（接收）的消息共需t6μs：

1.7 總線控制器向各遠(yuǎn)程終端的傳輸（廣播）

總線控制器發(fā)出一個(gè)遠(yuǎn)程終端地址字段為11111 的接收指令字，繼之以規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)字，指令字和數(shù)據(jù)字以沒有字間間隔的連續(xù)形式發(fā)送。具有接收廣播指令能力的各遠(yuǎn)程終端在核實(shí)消息之后，按照規(guī)定在狀態(tài)字中將廣播指令接收位置位，但不回送狀態(tài)字[4]。詳見圖7。

圖7 總線控制器向各遠(yuǎn)程終端的傳輸（廣播）過(guò)程

根據(jù)總線控制器至遠(yuǎn)程終端的消息傳輸時(shí)間計(jì)算方法和圖7 所述，在GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸一條控制器向各遠(yuǎn)程終端的廣播消息共需t7μs：

1.8 遠(yuǎn)程終端向各遠(yuǎn)程終端的傳輸（廣播）

總線控制器發(fā)出一個(gè)遠(yuǎn)程終端地址字段為“11111”的接收指令字，繼之以使用遠(yuǎn)程終端A 的專有地址向遠(yuǎn)程終端A 發(fā)出一個(gè)發(fā)送指令字。遠(yuǎn)程終端A 在核實(shí)指令字之后，回送一個(gè)狀態(tài)字，繼之以規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)字，狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字以沒有字間間隔的連續(xù)形式發(fā)送。具有接收廣播指令能力的各遠(yuǎn)程終端（除遠(yuǎn)程終端A 之外）均應(yīng)在核實(shí)消息之后，按照規(guī)定在狀態(tài)字中將廣播指令接收位置位，但不回送狀態(tài)字[4]。詳見圖8。

圖8 遠(yuǎn)程終端向各遠(yuǎn)程終端的傳輸（廣播）過(guò)程

根據(jù)總線控制器至遠(yuǎn)程終端的消息傳輸時(shí)間計(jì)算方法和圖8 所述，在GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸一條遠(yuǎn)程終端向各遠(yuǎn)程終端的廣播消息共需t8μs：

1.9 不帶數(shù)據(jù)字的方式指令（廣播）

總線控制器發(fā)出一個(gè)含有方式代碼且遠(yuǎn)程終端地址字段為“11111”的發(fā)送指令字，具有接收廣播指令能力的各遠(yuǎn)程終端在核實(shí)指令字之后，按照規(guī)定在狀態(tài)字中將廣播指令接收位置位，但不回送狀態(tài)字[4]。詳見圖9。

圖9 不帶數(shù)據(jù)字的方式指令（廣播）的傳輸過(guò)程

根據(jù)總線控制器至遠(yuǎn)程終端的消息傳輸時(shí)間計(jì)算方法和圖9 所述，在GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸一條不帶數(shù)據(jù)字的方式指令的廣播消息共需t9μs：

1.10 帶數(shù)據(jù)字的方式指令（廣播）

總線控制器發(fā)出一個(gè)含有方式代碼且遠(yuǎn)程終端地址字段為“11111”的接收指令字，繼之以一個(gè)數(shù)據(jù)字，指令字和數(shù)據(jù)字應(yīng)以沒有字間間隔的連續(xù)形式發(fā)送。具有接收廣播指令能力的各遠(yuǎn)程終端應(yīng)在核實(shí)消息之后，按照規(guī)定在狀態(tài)字中將廣播指令接收位置位，但不回送狀態(tài)字[4]。詳見圖10。

圖10 帶數(shù)據(jù)字的方式指令（廣播）的傳輸過(guò)程

根據(jù)總線控制器至遠(yuǎn)程終端的消息傳輸時(shí)間計(jì)算方法和圖10 所述，在GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸一條帶數(shù)據(jù)字的方式指令的廣播消息共需t10μs：

2 某系統(tǒng)GJ B 289A 總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率和傳輸效率計(jì)算

某系統(tǒng)的GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)中各消息格式的數(shù)據(jù)量如表1，因總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)非周期消息數(shù)據(jù)量小，對(duì)總線負(fù)載率的影響較小，故在下述計(jì)算過(guò)程中，將非周期消息等同于周期消息處理。

表1 某系統(tǒng)GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通訊數(shù)據(jù)

2.1 負(fù)載率計(jì)算

根據(jù)式（3）、（4）、（5）、（9）、（11）和表1 可知，該系統(tǒng)GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)的總線負(fù)載Load 為：

不考慮通訊出錯(cuò)和通訊重發(fā)的情況，可知一個(gè)50ms的通訊周期內(nèi)，傳輸所有消息的時(shí)間為21700μs。根據(jù)式（1），某系統(tǒng)GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率LR 為：

2.2 傳輸效率計(jì)算

根據(jù)表1 和式（2）可知，一個(gè)通訊周期內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)位的時(shí)間為：

故，根據(jù)式（2）、（13）、（15），某系統(tǒng)GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)傳輸效率BE 為：

當(dāng)表1 中每條消息均可傳輸32 個(gè)數(shù)據(jù)字時(shí)，則達(dá)到該總線網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸效率BEmax，即：

2.3 負(fù)載率和傳輸效率分析

由式（1）、（14）可知，總線負(fù)載率與總線網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)量和通訊周期有關(guān)，數(shù)據(jù)量越小，通訊周期越長(zhǎng)，總線負(fù)載率越低。同時(shí)降低響應(yīng)時(shí)間和消息間隔也可降低總線負(fù)載率。

由式（2）、（16）可知，總線傳輸效率與每條消息內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量的大小相關(guān)，每條消息內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字越多，總線傳輸效率越高。

總線負(fù)載率和傳輸效率的大小均與采用的消息格式密切相關(guān)，例如，一個(gè)RT 需要另一個(gè)RT 的數(shù)據(jù)，如采用RT 至RT 的消息格式比采用RT 至BC，BC至RT 的傳輸形式具有更低的總線負(fù)載率和更高的總線傳輸效率。同時(shí)，總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)選用傳輸數(shù)據(jù)的消息格式越多，總線傳輸效率也越高。

由式（17）可知，GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸效率和負(fù)載率無(wú)必然聯(lián)系，總線的最大傳輸效率只與采用的消息格式相關(guān)，消息格式選定后，每條消息最多傳輸32 個(gè)數(shù)據(jù)字，因此最大傳輸效率亦已確定。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率和傳輸效率計(jì)算的問(wèn)題，提出一種負(fù)載率和傳輸效率準(zhǔn)確計(jì)算的策略。以GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)消息傳輸協(xié)議為基礎(chǔ)，綜合考慮消息內(nèi)的數(shù)據(jù)量、消息傳輸格式、指令字、數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字、消息間隔、遠(yuǎn)程終端響應(yīng)有效指令字的間隔時(shí)間等影響總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率和傳輸效率的因素，給出了所有消息格式下總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的計(jì)算策略，有效、準(zhǔn)確地計(jì)算了GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率和傳輸效率，并對(duì)總線負(fù)載率和傳輸效率進(jìn)行分析，以便更為準(zhǔn)確、有效地評(píng)估GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)的帶寬余量，提高其傳輸效率，為后續(xù)GJB 289A 總線網(wǎng)絡(luò)組建和設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。