【文章內容簡介】 式控制位，用于標識模式變化請求。應用數(shù)據(jù)域可以達到16字節(jié)，CRC校驗位采用16位，提供最少4位的海明距離[18]。I－幀只包含控制器的狀態(tài)（C－state）信息，不包含任何數(shù)據(jù)信息。當幀頭的幀類型標志為I幀時，表示發(fā)送的是控制器狀態(tài)信息?？刂破鳡顟B(tài)信息用于初始化和恢復時間失效的結點，它包含了一個結點在參與通信前需要獲得的信息、該時刻在機群周期內的當前位置信息和哪一個結點正在起作用，此外，控制器狀態(tài)信息還包含當前的模式編號。如果一個結點因暫時的錯誤而失效，就要通過偵聽I－幀進行恢復，并用I－幀提供的信息與網(wǎng)絡進行同步。N幀用于攜帶正常操作中的應用數(shù)據(jù)和發(fā)送歷史狀態(tài)消息。應用數(shù)據(jù)的地址在當前的MEDL表中。如果時間失效的結點需要某個特定應用的數(shù)據(jù)以便對網(wǎng)絡進行恢復，它可以偵聽具體的歷史狀態(tài)（hstate）消息，該消息中攜帶著所需要的數(shù)據(jù)，以N－幀（正常幀）的形式傳送，歷史狀態(tài)消息的發(fā)送是由主機來完成的。 時間觸發(fā)高可靠嵌入式系統(tǒng)的調度機制TTP/C協(xié)議是一種基于TDMA（Time Division Multiple Access）的協(xié)議，因而采用的也是基于時間的調度。不同結點的時間槽系列組成一個TDMA輪（round），不同輪的系列組成一個TDMA機群周期(cluster cycle)，這樣，一個機群周期可能包括一個或多個TDMA輪。在設計時就給系統(tǒng)中的每個處理結點分配固定的周期性的時間槽。時間觸發(fā)協(xié)議采用絕對時鐘進行同步，由一個時間主站周期性地向每個結點廣播時鐘基準消息，它標志著一個消息交互系列的開始。當結點成功接收到一個消息后，立即初始化結點內部的計時器，此后在整個交互系列周期內，計時器指示相對于基準消息出現(xiàn)時刻的時間，各結點也將參照接收到的消息，對本結點時間進行設置或調整，以保持所要求的時間同步。計時器記錄的一個全程時間即是一個周期時間。圖4說明了有4個結點的時間觸發(fā)系統(tǒng)的運作圖，在這種情況下，每一輪總是只有一個發(fā)送方和三個接收方，所有結點協(xié)議的運行都在先驗點上及時得到初始化，以后隨著系統(tǒng)的運行，每個結點會根據(jù)消息發(fā)送的時間和自己MEDL中規(guī)定的消息到達時刻相對照，據(jù)此就可以調整時鐘，始終與系統(tǒng)保持同步。全局時間基準通過分布式時鐘同步算法而得到實現(xiàn)。當結點1的時間槽到來時，結點1成為消息發(fā)送結點，此時其余結點都是接收結點，同樣，結點4也是在自己的時間槽內進行消息發(fā)送。圖4 時間觸發(fā)系統(tǒng)的運作圖要實現(xiàn)高可靠時間觸發(fā)應用的調度，必須首先算出硬實時應用管理的處理器開銷、最壞情況下的內核開銷和系統(tǒng)調用開銷。在時間觸發(fā)系統(tǒng)中，所有的活動都是隨時間的推進而完成的，這就意味著，除了計時中斷外，系統(tǒng)不響應別的中斷。輪詢I/O和診斷I/O口這類活動，真接在計時中斷例程中產(chǎn)生。時間觸發(fā)系統(tǒng)一般采用靜態(tài)調度策略，將它們在一個周期內的調度信息列成一個表，調度方案就確定了，采用的調度策略只要按照時間的推進進行就可以了。也可以采用改善的時間觸發(fā)調度策略，在確定了機群周期中的輪數(shù)和其中各結點的時間槽之后，可以采用圖論的知識將各結點生成一棵樹，在保證各個結點實時可靠性的前提下，應用圖算法，算出最優(yōu)調度方案，隨著調度的進行，即時更新調度表，然后進行下一輪的調度。有關調度的更詳細信息，請參考文獻[7]。由于每個消息有各自的時槽，這種消息的一個最大優(yōu)點是各消息之間不會產(chǎn)生沖突，能很好地適應于要求硬實時高可靠系統(tǒng)的場合。 TTP/C結點的組合能力和采用的容錯機制（1）TTP/C的組合能力。在嵌入式分布式系統(tǒng)中，組合能力是一個重要的要求。一個運行良好的控制元件，在組成一個網(wǎng)絡后不一定就運行良好。要有可組合性，網(wǎng)絡中各控制元件必須滿足系統(tǒng)的要求。相對于事件觸發(fā)系統(tǒng)來說，采用TTP/C協(xié)議的時間觸發(fā)系統(tǒng)有比較良好的可組合性。（2）臨界瞬時沖突解決機制。事件觸發(fā)系統(tǒng)由于訪問網(wǎng)絡的隨機性，會產(chǎn)生臨界瞬時的沖突，而時間觸發(fā)TTP/C采用TDMA的機制，有效地解決了這個問題。（3）時序干擾的容錯機制。位于主機和通信控制器之間的CNI，是一個雙端口的RAM，除了前面介紹的作用外，還有一個重要的作用就是時間防火墻。如圖1所示，發(fā)送數(shù)據(jù)時，主機將需要傳輸?shù)骄W(wǎng)絡的數(shù)據(jù)寫到CNI的雙端口存儲器中；當接收數(shù)據(jù)時，TTP/C協(xié)議處理器把網(wǎng)絡上的傳輸數(shù)據(jù)也寫到CNI的雙端口存儲器中，CNI有效地隔離了主機與協(xié)議控制器的時序行為，解網(wǎng)絡和主機間的時序干擾。 第三章 實時通訊總線訪問優(yōu)化算法介紹及改善 消息調度算法簡介上一節(jié)中具體介紹了FFP協(xié)議的使用原理，為了實現(xiàn)高可靠性時間觸發(fā)應用的調度，提出了采用調度算法來實現(xiàn)其改善時間觸發(fā)調度的策略，由此本節(jié)將提出具體實現(xiàn)的算法。所提出的算法將考慮到四種不同的TTP消息調度方式。 靜態(tài)單消息第一種方法為使用的TTP消息調度為靜態(tài)（離線）形式，且每個消息的時間表加入到TDMA周期的時槽內，并對對應節(jié)點發(fā)送消息。并且認為時槽可以保存進每個最大消息內。這種方法比較適合應用于汽車電子領域，這樣的應用環(huán)境下，其消息的典型值較短，且比較容易診斷該系統(tǒng)是否達到瓶頸。當每個時槽只插入一個確定且滿足要求的消息，且沒有別的干擾消息。當消息m錯過響應時間時，就必須等待下一個消息對它進行分配才能再次執(zhí)行。則它的延時時間就是在一個連貫的時槽里面插入兩個相同節(jié)點之間的最大時間，并將它表示為，如圖所示。圖5 靜態(tài)單消息下最壞環(huán)境下所需要的時間在這種情況下，靜態(tài)單消息下最壞環(huán)境下該消息所需要的時間就可以表示為。因此，影響消息調度分析的主要方面為該消息為靜態(tài)分配的時槽，并得到相應的。的值不僅跟相關，還需要根據(jù)靜態(tài)單消息的連貫節(jié)點下發(fā)送出來的消息的長度，再加上所使用協(xié)議的控制幀和CRC校驗位。當在綜合的消息描述表中，設計者必須使用可調度的方式將消息分配到時間槽中。由于調整該過程的可調度性只能通過綜合的消息描述表中參數(shù)，因此該參數(shù)在設置過程必須是最優(yōu)的。根據(jù)圖6所描述的簡單例子，可知有三個處理器p1，p2，p3，并該三個處理都處于運行狀態(tài)。當處理器p1在完成一次操作時，向處理器p2發(fā)送消息m1，并且還向處理器p3發(fā)送了消息m2。在圖6a中提出的TDMA結構，只有運行在時間槽中的p1處理器對于算法的討論有影響，所以其它在時間槽上的處理器將都以灰色表示。根據(jù)圖中的表述，將消息m1分配在時間槽位置的1和4中，并將消息m2分配在2和3中，其中消息p2由于其任務釋放抖動那個而錯過了其執(zhí)行時間段時，故將其安排在位置2中。再根據(jù)圖6b中表述的TDMA的結構，當消息m1分配在位置2和4中，將消息m2分配在位置1和3中，這樣的形式可以實現(xiàn)將所有消息在規(guī)定的時間段內執(zhí)行。 靜態(tài)多消息第二種消息調度算法靜態(tài)多消息算法為第一種的擴展。在該形式中，允許將多個消息插入到時間槽中，并且所有消息將通過在相同的時間槽內打包一起傳輸。在這種情況下，就不會出現(xiàn)干擾的現(xiàn)象，所以消息m的進入延時機制是和第一種消息調度提出的機制一樣的，也就是說，在一個連貫的時槽里面插入兩個相同節(jié)點之間的最大時間也為 。圖6 消息調度算法靜態(tài)單消息和多消息的優(yōu)化消息描述表然而，這種方式在綜合消息表述表中提供了更多的自定義表述。但在使用這種方式中，必須先確定在時間槽中有多少個消息且這些消息分別是哪些。這樣的方法使得優(yōu)化參數(shù)更加得靈活。根據(jù)這種方式再次來描述下圖6中的表述，就可以知道使用靜態(tài)多消息的算法，TDMA的結構就可以描述為圖6c所表述的形式。在該描述中，消息m1和m2被分配到相同的時間槽的位置1和2內。因此，在這種情況下，消息可以在最后執(zhí)行時間內完成，并且釋放抖動會比在圖6b中描述的更進一步得減少，雖然在圖6b中描述的消息在最后執(zhí)行時間前也能完成，但是p3卻經(jīng)歷了很長的釋放抖動。 動態(tài)消息分配上述提到的兩種算法分別是靜態(tài)下的以單個消息或多個消息插入到它們相應的時間槽中。而現(xiàn)在提出的第三種算法是當消息產(chǎn)生時將以動態(tài)的形式插入到結構中。這樣，當一個消息在發(fā)送進程中產(chǎn)生時，它將以優(yōu)先級的順序放入到一個消息隊列中。根據(jù)消息的活躍度，在消息傳輸?shù)倪^程中需要從隊列的頭中獲取一個一定數(shù)量的消息和結構框架。而這些接受消息需要滿足其長度不能超過幀的數(shù)據(jù)字段的長度的要求。這個長度的限制是由其各自處理器連續(xù)的時間槽長度決定的。當這些以動態(tài)的形式發(fā)送時，必須確定它們以一種確定的方式，即當發(fā)送至接受進程內時該消息是被接受的。因此認為每個消息在其之前必須得加入已知的標志符。當將消息以動態(tài)得以列隊的形式打包進框架時，消息m在通信通道中的訪問延時將根據(jù)它之前的列隊中消息確定。根據(jù)文獻『17』中的分析，在打包列隊中的首個消息的優(yōu)先級將大于消息m，根據(jù)這種情況就可以知道，一個消息可以在通信通道內通訊前在打包數(shù)據(jù)內分離出來?？梢允褂孟嗤脑韺崿F(xiàn)，但是必須添加一定數(shù)量的消息來替代這個數(shù)據(jù)包。因此就需要考慮當消息的長度始終相等時是否會被長度不同的數(shù)據(jù)包所接受。因此，在窗體w中的消息m之前的更高優(yōu)先級的消息隊列的總長度可以表述為： (21)其中：為消息的長度。為消息發(fā)送過程中的相應時間。為消息的周期由此，就可以計算出在最壞環(huán)境下消息m在消息隊列中所花費的時間。在一些TDMA機制的環(huán)節(jié)中，當消息m在傳輸中被所加入的消息隊列移除時，可以表述為： (22)其中：為消息m的大小。為消息m在時間槽中的大小（對于任何消息x，其）。這樣就可以得到當在最壞的環(huán)境下，消息m在消息隊列中所花費的時間為： (23)其中為執(zhí)行一遍TDMA所花費的時間。接下來就需要確定插入的延時，其可以表述為： (24)而可以根據(jù)任意的截止時間確定，故其為： (25)應用給出的消息長度可以被充分利用在綜合消息描述表中時間槽的長度計算上。將圖7a所描述的和圖6a中所描述的進行對比，就可以知道時間槽是如何影響消息的調度的。它們的不同之處在于，消息m1的優(yōu)先級更高于消息m2，并且在它們產(chǎn)生時以動態(tài)的形式進行調度。根據(jù)圖7a中描述的TDMA結構，消息m1首先動態(tài)調度到第一個關節(jié)上，同時消息m2將等待，直到消息隊列輪到下一個關節(jié)時再調度，因此造成了進程p2錯過了它的截止時間。然而，如果擴大時間槽，就可以同時調度這兩個消息，消息m2就可以不需要等待消息隊列的響應而可以向消息m1一樣直接通訊。因此，p2可以在截止時間之前完成，它的描述如圖7b。然而，在一般情況下，不斷增長的時間槽不一定改善其調度性能， 例如當它的延時是由其它關節(jié)通訊是產(chǎn)生的時。 動態(tài)數(shù)據(jù)包分配 動態(tài)數(shù)據(jù)包分配的算法為上一個算法的擴展，這種算法的前提是允許消息以數(shù)據(jù)包的形式在通信通道內進行通訊。因此可以認為每一個時間槽長度都有一個容納多個數(shù)據(jù)包的結構的長度。這種算法比較適合應用到擁有較大消息長度的特殊情況，并將它們拆分到數(shù)據(jù)包中，就可以獲得更高利用率的總線并減少釋放擾動。然而，由于每個數(shù)據(jù)包必須確認每一個數(shù)據(jù)它的消息，并且這些消息必須拆分成發(fā)送消息，且在最后進行重組，其消耗將變得比上一個方法更高。圖7 消息調度算法動態(tài)數(shù)據(jù)包和消息分配的優(yōu)化消息描述表根據(jù)文獻可知公式： (26)其中：為消息m的數(shù)據(jù)包的數(shù)量為消息m的連續(xù)時間槽的大小且 (27)其中：為消息的數(shù)據(jù)包數(shù)量。在上一個算法中，混合消息描述表的優(yōu)化參數(shù)即為時間槽的大小。而根據(jù)這節(jié)中提出的動態(tài)數(shù)據(jù)包分配算法，可知數(shù)據(jù)包的大小即為另一個優(yōu)化參數(shù)。根據(jù)圖7c中所描述的，消息m1和消息m2的長度都為6個字節(jié)。在TDMA結構中數(shù)據(jù)包的大小被認為為4個字節(jié)，且相應的時間槽的長度為12個字節(jié)（3個數(shù)據(jù)包）。當消息m1擁有比消息m2更高的優(yōu)先級時，它將動態(tài)得被分配在時間槽的第一個節(jié)點處，并且它需要兩個數(shù)據(jù)包的大小。在剩下的數(shù)據(jù)包中，開頭的4個字節(jié)由消息m2調度。因此，消息m2中兩個空閑的字節(jié)必須等到下一個節(jié)點，這樣就導致了進程p2錯過了其截止時間。不管如何，如果需要將數(shù)據(jù)包大小改變?yōu)?個字節(jié)，并且又要保證它的長度在時間槽內仍舊為12個字節(jié)，就需要處理器p1提供