（机械电子工程专业论文）flexray动态段长度和消息窗口优化方法研究.pdf

表格清单 表1 1汽币网络分类标准2 表2 1f 1 e x r a v 协议集9 表3 1 通信周期的部分数据2 1 表4 1 动态消息参数列表31 表4 2 动态消息优化调度方案3 1 表5 1 系统参数配置3 9 表5 2 消息分配前需求分析表4 0 表5 3 消息分配后需求分析表4 0 表5 4 优化配置前后消息时间对比4 3 表5 5 优化配置前后的网络利用率进行对比分析4 3 第一章绪论 1 1课题的背景及意义 随着汽车产业的不断发展，眭f = 界汽车工业也在不断的进步，汽车电子设备 在车辆上的应用也是原来越广泛。在高档汽车中，甚至有5 0 以上的功能都是 由电控单元组成。所以，汽车电子化能力已经成为一个围家高端汽车发展水平 的衡量标准。汽车电子的高速发展必然导致汽车网络系统的革新。传统的 c a n l i n 总线网络由于带宽和安全性的限制已经不能满足目前汽车对于安全 性和可靠性，甚至是舒适性的要求。所以具有高速、安全和容错能力的f l e x r a y 总线技术作为新一代的汽车总线协议被提出【i 。j 。在目前的实际应用中，f 1 e x r a y 总线作为车身总线的丰t 网络，和l i n 、c a n 、m o s t 等传统总线相结合，根 据不同的通信速率，功能和性价比应用于车身上的不同模块，形成互补，组成 具有多种功能的混合总线系统 4 1 ，图1 1 即为汽车的混合网络系统示意图。 幽1 - 1混合汽下l 网络系统 f l e x r a y 总线是汽车专用网络1 力、议，由于总线系统搭建、硬件成本过高等 原因，短时间内还无法完全取代现在普遍使用的c a n 、l i n 等网络协议。与其 他网络协议配合使用，组成完整的多功能的车身总线系统是目前高档汽车的普 遍做法。 f 1 e x r a v 是一种高速、可确定、且具有错误冗余能力的总线技术。f l e x r a y 和现有总线相比有其独特的优势。首先，f 1 e x r a y 在消息处理上有时问触发和 事件触发两种方式，能够非常灵活应对各种消息的收发问题：其次，f 1 e x r a y 有两条速率均为1o m b p s 的相瓦独立的信道，两条信道的总带宽可以达到 2 0 m b p s ，是现有c a n 总线标准的2 0 倍，基本可以满足目前任何车身系统的对 带宽的要求；第三，f l e x r a y 协议的消息确定性和容错能力能够提高车身系统 的可靠性和安全性【5 j 。 作为新一代的汽车总线协议，f l e x r a v 总线协议在困内的研究还处：f 初级 阶段。在f l e x r a y 总线系统的研发和应用过程中，f l e x r a y 总线将作为丰t 网 络存在：在大量系统信息和高速传输的数据的影响下，f l e x r a v 系统的网络利 用率将是衡量f l e x r a y 系统性能的重要指标之一，对系统的实时性、可靠性有 着重要的影响。因此，f l e x r a y 网络利用率的高低对系统性能有重要的影响。 本课题研究的f l e x r a y 动态段长度和段内消息窗口优化方法对系统网络利用率 有着直接影响，对f 1 e x r a y 系统设计与研究具有积极的理论价值。 1 2国内外研究现状 目前，汽车技术正在不断的发展，尤其是以车载网络为代表的电子控制技 术的发展尤为突出。汽车中电子线控系统( x - b y w i r e ) 将逐步取代液压机械系 统，汽车将向电子化、模块化、信息化和网络化方向发展；这将使汽车的安全 性、可靠性、舒适性和可操控性得到提升，是今后汽车工业发展的必然趋势。 1 2 1 车载网络研究现状 汽车已经成为当代人类社会j 不可或缺的交通工具，随着电子技术在汽车工 业上发挥着越来越重要的作用，汽车电子化程度越来越高；每个电控模块间的 信息交换已经不能依靠传统的线束连接方式来实现，汽车总线应运而牛。 汽车总线是指汽车内部导线采用总线控制的一种技术，通常称为汽车总线 技术。汽车总线技术作为汽车产业重要的发展方向，它的研究与应用受到了国 际汽车制造业界的广泛关注；美国机动车工程师学会( s a e ) 按照不同的协议 特性将汽车总线分为a 、b 、c 、d 四类6 9 1 ，如表1 1 ： 表1 】汽下网络分类标准 类别 abcd 速率 小丁10 1 ( ) 一1 2 51 2 5 1 0 0 0 02 0 0 0 以上 k b p s 总线标 t t p a ，l i n 等 c a n s a e jl8 5 0 准 等 f l e x r a y ，t t p c 等 m o s t 下身应 电动l 、j 窗，座椅电子下辆信息中悬架控制、牵引控汽车导航系统、 调节，灯光照明心、仪表显示、制、发动机控制、车载娱乐系统 川范围 等控制安全气囊等系统a b s 等系统 等 随着电子技术与汽车工业的高速发展，汽车中许多机械液压控制单元都逐 渐被电控单元所取代，汽车内外的信息交换及共享需要新的布线方式来满足， 传统的布线方式将被淘汰。下面，对：表1 1 中所示的四种类型的总线及其具体 应用做简要说明： ( 1 ) 低速总线标准协议( a 类网络) 该类总线丰要包括t t p a ( t i m et r i g g e r e dp r o t o c 0 1 a ) 和l i n ( l o c a l i n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) ，传输速率较低，是通信速率小于1o k b p s 的低速网络。 l i n 是一种串行通信网络，用于工业分布式电子系统控制。l i n 总线技术的提 出是为现有汽车总线( 如c a n 总线) 提供辅助功能，因此，l i n 总线可以定义为 辅助性总线技术。在不需要c a n 总线的带宽和多功能的场合，比如在转向灯 和雨刮器等低实时性的通信节点中，使用l i n 总线技术可大大节省成本。l i n 总线在汽车中丰要用于转向灯、电控门窗、电控座椅等系统。 ( 2 ) 中速总线协议标准( b 类网络) 该类总线丰要面向独立模块间的消息交瓦，是目前使用最为广泛的车用总 线网络，其通信速率在1o k b p s 12 5 k b p s 之间。围外许多的汽车制造商和汽车 电子开发商提出了多种车载网络协议，如v a n 、a b u s 、c a n 和s a e 儿8 5 0 等： 其中c a n 是丰要的网络标准：是由博世等公司提出的多丰总线的串行数据通 信标准。c a n 总线丰要应用于车身电子的舒适型模块和显示仪表等设备中。在 车载网络系统中，c a n 以其独特的可扩展性，优异的性能和可靠性得到了广泛 的应用。 ( 3 ) 高安全性网络协议标准( c 类网络) 该类总线丰要面向闭环实时控制的多路传输高速网络，用于车身动力系统 中对通信的实时性要求比较高的场合，丰要服务于动力传递系统。丰要有 t t p c 、f l e x r a y 、高速c a n 等协议标准，是通信速率在1 2 5 k b p s l o m b p s 之 间的高速网络。其中f l e x r a y 为丰要的网络标准。现代汽车中，线控系统 ( x _ b v w i r e ) 的使用，使越来越多的电子控制系统加入车身网络；为满足电控 系统之间安全有效的通信，传统的c a n 总线已经不再适用，而f l e x r a y 则能很 好的满足这些要求。该类总线多用于悬架、发动机、a b s 等系统中。 ( 4 ) 多媒体网络协议标准( d 类总线网络) 该类总线丰要是m o s t 标准。面向媒体系统的传输协议m o s t ( m e d i a 0 r i e n t e ds y s t e m st r a n s p o r t ) 是一种汽车制造商和配件商共同认定的网络标准。 它提供了一个可以管理所有多媒体设备的单个界面，其强势所在，是能够处理 针对不同目标的多个数据流，而不失和谐。丰要运用与车载导航等多媒体模块 中。 汽车电子化正在加速，为了提升汽车电子控制系统的安全性、可靠性、舒 适性以及各项其它功能，新一代的汽车网络协议f l e x r a y 将会是继l 【n 和c a n 之后未来汽车总线技术发展的丰流。 1 2 2 f l e x r a y 协议研究现状 f 1 e x r a y 是一种用于汽车的高速可确定性的，且具备故障容错的总线系统。 f l e x r a y 总线协议作为新一代的汽车网络协议，以其高速、安全、可靠的特点 为众多汽车牛产厂商及汽车配件商所重视。在欧美围家，f l e x r a y 总线已经进 入了实际应用领域。宝马x 5 型汽车引入f 1 e x r a y 总线作为减震器控制系统， 使其成为第一款使用f 1 e x r a y 的量产车型。随后，a u d i 、b e n z 等公司先后推出 了带有f 1 e x r a y 总线的车型。而在国内，由于汽车工业起步晚，汽车制造商和 配件商的技术水平参差不齐，导致国内汽车电子研发牛产水平还较低，汽车电 子产品多数是以c a n l i n 技术为丰的低端控制模块。但是近年来，国内很多高 校和科研机构已经开始对f l e x r a y 总线协议的通信层协议及物理层规范进行研 究。 目前国内外对f l e x r a y 协议的研究丰要有以下几个方面： ( 1 ) f l e x r a v 时钟同步的研究 时钟同步是f 1 e x r a y 协议的一个重点，也是人们研究的重点。常见的研究 方法是从f 1 e x r a y 协议入手，研究f 1 e x r a y 的时钟同步机制以及时钟同步算法， 并且提出对于f 1 e x r a y 自带时钟同步算法的改进方法【l j 。 文献 1 0 介绍了f 1 e x r a y 的同步机制的模型，并且对该模型进行了验证， 并提供了用于实际f l e x r a y 网络同步机制的审定模型的参数。文章中用常规的 编程语言建立模型，并且通过公式分析验证了测量模型的合理性。文献 13 描 述f 1 e x r a y 网络的基本特点及f 1 e x r a y 网络时钟同步算法的具体过程，介绍 f 1 e x r a v 网络的容错中间点算法，提出时钟同步算法的数学模型，并对数学模 型进行分析。从理论上说明f 】e x r a y 时钟同步算法具有较强的容错性和适用性。 ( 2 ) f l e x r a v 实时性调度方面的研究 实时性作为网络传输条件的重要判定指标，一直是网络协议研究的重点。 f 1 e x r a y 实时性的研究丰要从f l e x r a y 的媒体访问控制入手，针对静态段和动 态段分配方法在实际应用中的不足，提出各种调度算法，以保证消息的可靠性 和实时性1 4 _ 24 1 。 文献 1 4 分析了f l e x r a y 动态段的各项配置参数，并对关键参数的各项性 能指标进行了灵敏度分析，并且发现协议中规定的参数p l a t e s t t x 对f 1 e x r a y 动态段消息调度有着至关重要的作用。文献 17 研究在f 1 e x r a y 动态段中的， 以最坏响应时间为上边界的帧传输的时序问题，然后提出了一种算法重新分配 帧标识符( 优先级) ，优化设计目标，并给出具体的计算过程。最后通过实验验 证了方法的有效性。 ( 3 ) 其他关于f 1 e x r a v 的研究【7 5 。o j 对于f l e x r a v 的研究还包括有网关的研究，以及总线技术应用：号面的研究。 文献 2 5 在总结了f l e x r a y 总线特性的基础上，介绍了工业现场总线技术的需 要，并比较了两者之间的特点，阐述了f l e x r a y 总线在工业自动化领域的优势， 并举例说明了f l e x r a y 总线应用到煤矿开采领域的具体应用。文献 2 6 2 8 中 提出了f l e x r a v 和c a n 的网关设计方法，详细讨论了系统设计、硬件设计以及 4 不同的消息帧相可编码和解码的问题。设计的网关可以满足f 1 e x r a y 和c a n 消 息的双向传输，可以消息在实现两种不同协议f 的相可：转换。 1 3课题来源与研究内容 1 3 1课题来源 国家电子信息产业发展基金“具有远程监控功能的汽车智能多节点网络系 统( 工信部财函 2 0 11 5 0 6 号) ；安徽省自然科学基金“基于时间隔离的汽车实 时网络防危调度研究”( 1 2 0 8 0 8 5 q f l l 8 ) 。 1 3 2 研究内容与章节安排 木文以f l e x r a y 协议为研究核心，重点分析了f 1 e x r a y 网络的通信机制， 并且在分析了国内外对f 1 e x r a y 通信周期中动态消息调度的基础上，提出了基 于动态消息的动态段长度优化方法，使得f 1 e x r a y 通信周期动态段长度更加合 理；并在动态段长度优化后，提出基于最大网络利用率的动态消息窗口分配算 法，以提高总线网络利用率并减少消息响应时间。使用专业的汽车总线开发工 具d a v i n c in e t w o r kd e s i g n e r 和c a n o e f 1 e x r a y 对所提出的网络优化方法进行 了仿真验证，证明提出方法的有效性和可行性。 论文一共分为六章，具体安排如下： 第一章绪论。介绍本课题的背景以及研究的意义，以及在围内外的研究 现状，并分析了f l e x r a v 协议的特点和优势。在车载网络的研究背景下，高速、 高可靠、带容错能力的f l e x r a v 协议的消息调度的研究是十分有意义的。 第二章f l e x r a y 协议研究。分析了f 1 e x r a y 通信层协议规范，介绍了 f 1 e x r a y 协议的总体规范，帧格式以及其编码和解码过程，f 1 e x r a y 网络结构以 及时钟同步等；重点介绍了f 1 e x r a y 协议的媒体访问控制机制及执行过程。这 些技术规范是研究f 1 e x r a v 消息调度的关键。 第三章f l e x r a v 动态段长度优化研究。本章在对f 1 e x r a y 动态段消息传 输规则以及网络性能分析研究的基础上，对f 1 e x r a y 网络配置参数和动态段长 度优化方法进行了分析，提出了基于动态消息的动态段长度优化配置方法，并 在优化后取最大网络利用率为最优配置。 第四章动态消息窗口分配算法研究。木章对调度进行了概述，在已进行 优化配置的动态段长度的基础上，对常用的f l e x r a v 动态段的优化方法进行研 究分析，并以最小消息总体响应时间抽优化目标，建立优化数学模型，在动 态段长度优化配置后的基础上提出相关的动态消息分配算法。并结合动态段长 度优化方法和动态消息窗口优化方法设计流程图。设计的优化方法在理论上可 以提高网络利用率并减少消息响应时间，并以一个简单的实例对优化方法进行 了t 弹明。 e t w o r kd e s l g n e r 节点模型。根据 n o e 中运行仿真 调度算法进行验 析，本：艾所提出 络带宽，减少消 文中本人所做的 作进行了展望。 第二章f i e x r a y 协议研究 2 1f l e x r a y 基本概念 2 1 1 f l e x r a y 简介 f 1 e x r a v 为戴姆勒一克莱斯勒公司的注册商标。l9 9 9 年，戴姆勒和宝马 ( b m w ) 公司就开始进行f l e x r a y 的研究。在2 0 0 0 年，f l e x r a y 协会成立， 丰要成员有宝马、b o s c h 、戴姆勒一克莱斯勒、g m 、飞思卡尔、恩智浦等公司。 在2 0 0 2 年，大众公司( v w ) 在美围f 1 e x r a y 大会上宣布支持f 1 e x r a y ，汽车 工业宣布将来使用f l e x r a y 协议。2 0 0 3 年，f 1 e x r a y 协会开始鉴定f l e x r a y 用 于x - b y w i r e 系统的可行性。在2 0 0 6 年，f 1 e x r a y 首次应用于量产车，作为数 据丰t 网用在了b m wx 5 上。在未：来的应用研究上，f l e x r a y 将作为标准总线 将用于所有x b v w i r e 系统( 制动、转向) 、其它安全关键领域( 工业、航空) 和用作数据丰t 网( 相比c a n 有更高的带宽) 。 作为新一代汽车总线，f 1 e x r a y 具有高可靠性、高安全性( 冗余错误) 、更 高的通信速率、通信确定性等优点。作为一种高速的时间触发型总线协议， f l e x r a v 协议支持分布式控制系统的通信需求，并且能够兼容c a n 、l i n 以及 面向多媒体应用的m o s t 等车用协议，能够满足未来先进汽车高速控制应用的 需求。f 1 e x r a y 协议丰要是应用在需要高速通信和决定性容错数据传输能力的 底盘控制、车身、悬架和动力总成等场合。 作为新型的汽车总线通信协议，f 1 e x r a y 除了具有一般车用网络通信协议 的基木功能外，还具有其特有的核心技术功能【5 川。2 j ： ( 1 ) 2 x 10 m d s 的高速带宽 f 1 e x r a v 支持双通道消息传输，每个信道的传输速率为10 m b p s ，双信道系 统可以通过冗余网络传输数据一一这也是保证高可靠系统的一项重要性能。可 以设置一通道传输、一通道冗余，也可配置为两个通道传输不同的消息。与c a n 网络( 1m b p s ) 相比，f 1 e x r a y 的可用带宽将提高10 4 0 倍，具体带宽取决于总 线配置情况，完全可以满足汽车网络高速通信对带宽的要求。 ( 2 ) 消息传输的确定性 f l e x r a v 协议是基于时间触发和事件触发的媒体访问控制机制，所有消息 都是基于时分多址( t d m a ) 或者柔性时分多址( f t d m a ) 形式发送的。所有 的节点消息都是在一个不断循环的通信周期中传输，每个周期长度相等。特定 的消息在整个通信集群( c l l l s t e r ) 中有特定的位置，每个消息接收器在接收前 已经知道将要接收到的消息到达的时间。f l e x r a y 传输的确定性保证消息到达 时间的准确性，并使得消息的延时和抖动性达到最小。 ( 3 ) 时钟同步 f 1 e x r a y 总线是通过访问同步时基的方法进行时钟同步的。通信集群中有 一个精度介于o 5 u s 1 0 u s 之间时问同步基准。该同步时基在通信过程中自动 建菠并且能够保持系统时钟的。一致性。网络的同步信息通过静态同步帧周期的 在静态段中传输的。f l e x r a y 通过其独特的时钟同步方式完成节点之间的同步。 ( 4 ) 容错性 f 1 e x r a v 在高带宽下能够保持消息准确可靠安全的传输，它的容错性起到 非常关键的作用。为了增强系统的可用性，f l e x r a y 协议提供了冗余消息传输 选项，网络设计者可以设置冗余传输或非冗余传输的方式，灵活的分配消息的 传输信道。消息能够配置为冗余传输，但是并非所有的消息都需要冗余传输， 否则的话将会导致网络负载率过高，对网络性能会有一定的影响。 ( 5 ) 灵活性 通信协议的灵活性是f 1 e x r a y 网络开发过程中关注的重要问题。f l e x r a y 作为一种汽车专用网络，其灵活性毋庸置疑。白先，它支持冗余和非冗余的消 息通信方式，支持系统的进一步优化，以提高可用性( 静态带宽分配) 和吞吐量 ( 动态带宽分配) 。其次，系统扩展的灵活性。系统的扩展性很高，可以往f l e x r a y 丰t 网络上挂载新的节点或者剔除无用的节点，而不需要改变原有节点的软件 和通信方式。第三，f 1 e x r a y 具有灵活的拓扑结构。在双通道系统和单通道系 统中，f 1 e x r a v 都支持总线型拓扑结构，星形拓扑结构以及星形总线混合型拓 扑结构( 图2 1 ) ，让网络设计者能够灵活的设计拓扑结构。f l e x r a y 还提供大 量可配置参数，支持对系统运行过程中的调整，如通信周期的长度、时隙大小 等参数，以满足特定应用的需求与网络优化设置。 “” 。+ + ，一_ “1 图2 1 灵活的网络拓扑结构 2 1 2 f l e x r a y 协议规范文档集 f l e x r a y 协议集 5 3 3 。7 1 对f 1 e x r a y 总线的通信层、物理层、数据链路层的各 种性能，参数标准，功能规范都进行了定义。f 1 e x r a y 联盟还通过联盟中优秀 的工具牛产商以及配件商提供了用于f 1 e x r a y 总线开发的成套设计、检测、仿 真工具以及应用产品。以下是当前官方发布的f l e x r a y 协议规范，如表2 1 所 不： 协议规范功能描述 f 1 e x r a y c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m p r o t o c o l 该协议规定f l e x r a y 的基本性能，包括： s p e c i f i c a t i o n ( 通信层协议)同步利异步帧传输、帧编码解码以及帧格 式、j i ! f l 体访问控制、时钟同步、唤醒和启 动，控制器主机接口等。 f l e x r a y c o m m u n i c a t i o n s s y s t e me l e c t r i c a l该协议介纠f 1 e x r a y 协议的物理层规范， p h y s i c a ll a y e rs p e c i f i c a t i o n ( 物理层协议)包括：电气特性定义和总线驱动、总线监 护中心殴备等基本功能。 f l e x r a yc o m m u n i c a t i o n ss y s t e md a t a l i n k该规范是基丁lf l e x r a y 通信系统协议规范 l a y e rc o n f o r m a n c et e s ts p e c i f i c a t i 伽l ( 数据链的，其主要功能是纠正已通过测试的 路层协议) f l e x r a y 标准兼容设备错误。 f 1 e x r a yc o m m u n i c a t i o n ss y s t e me 1 e c t r i c a l该测试规范是心丁提供验证标准来检查 p h y s i c a ll a y e r c o n f o r m a n c et e s t f 1 e x r a y 总线驱动和中心产r i 1 1 是否符合标 s p e c m c a t i o n ( 物理层一致性测试规范) 准的f l e x r a y 通信系统物理层协议规范。 f 1 e x r a y c o m m u n i c a t i o n s s y s t e mp h y s i c a l l a y e rc o m m o nm o d ec h o k ee m ce v a l u a t i o n 该评价协议被1 l j 作为f l e x r a y 协议共模扼 s p e c i f i c a t i o n ( 物理层共模扼流圈e m c ：评价 流罔评价的标准化通用尺度，该说明包括 测试程序和测试没置。 规范) 2 2网络拓扑结构 f l e x r a y 的网络拓扑结构具有非常灵活的特点，它可以配置为单通道或双 通道总线拓扑、单通道或双通道星型拓扑或总线型与星型的各种组合，其中星 形拓扑结构还存在联级组合方式【38 1 。 f l e x r a y 通信集群( c l u s t e r ) 由两个通道组成，定义为通道a 和通道b 。 任何集群中的节点可能连接到一个或两个通道。在无故障条件下，所有连接到 通道a 的节点可以与其他连接到通道a 的节点通信，连接到通道b 的节点情 况相同。如果一个节点需要连接一个以上的集群，那么该节点需要通过不同的 通信控制器与另外的集群相连。总线型和星型网络拓扑结构如图2 2 ，图2 3 中所示 5 1 。 9 图2 4 与一个 线拓扑 节点进 下，不 b 使用 幽2 5 ，义通道混合型网络拓扑结构 2 3 f l e x r a y 节点结构 f l e x r a v 通信节点一般由丰机控制器( h o s t ) 、通信控制器 ( c c c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r 、) 、总线驱动器( b d b u sd r i v e r ) 、总线保护器 ( b g b u sg u a r d i a n ) 、电源( p o w e rs u p p l y ) 等五个部分组成最小可替换单元，如图 2 6 所示。 其中，系统通信信道的数目对应总线驱动器( b d ) 和总线保护器( b g ) 的个数，并且总线保护器( b g ) 是用于避免通道定时错误的一个独立部分，与 通信控制器和微处理器相连。：# 机向通信控制器提供控制和配置信息，并在通 信周期内提供负载信息。通信控制器向丰机提供状态信息并通过通信帧传达负 载信息接收消息。节点的两个通信过程如下： ( 1 )数据的发送：丰机( h o s t ) 将通信数据发送给通信控制器( c c ) 在通信控制器中完成编码，形成数据比特流( b i ts t r e a m ) ，通过总线驱动器( b d ) 发送到相应的通道上。 ( 2 ) 数据的接收：在节点规定的某一时刻，由总线驱动器访问总线，将 数据比特流送到通信控制器进：，亍解码，将有效数据部分由通信控制器送给丰机。 图2 6f l e x r a y 节点内部逻辑图 2 4 f l e x r a y 通信机制 2 4 1 通信流程 f l e x r a y 通信协议的丰要由以下几个核心规范组成：控制器丰机接口、协 议操作控制( p o c ) 、数据帧与特征符处理、媒体接入控制、时钟同步、编码与 解码处理。具体操作流程图如图2 7 中所示。 】机 图2 ，- 7f l e x r a y 协议流程图 图2 7 中所示的流程为单通道流程图，在双通道模式下，另一个通道具有 相同的工作流程。 2 4 2 编码和解码 编码过程就是把校验位和帧i d 与待发送的数据帧组成用于发送的比特流 的过程。解码过程就是把接收到的数据帧里的校验位与帧i d 符过滤掉以获得 有效数据的过程。为了支持每个节点双通道工作，f l e x r a y 协议必须支持两套 独立的编码和解码进程。编码和解码的过程丰要包含在三个过程中：这些过程 是丰要的编码和解码过程( c o d e c ) 以及位选通过程( b i t s t r b ) 和唤醒模式解 码过程( w u p d e c ) 两个子过j 陧。通信控制器与总线驱动器之间的通信丰要靠 编码和解码完成。具体编码解码通信过程如图2 8 所示。 r x d 通信控制器t x d总线驱动器 ( c c 、( b d ) t x e n 图2 8 通信控制器与总线驱动器问的通信 字节起始序列( b s s ) 、帧结束序列( f e s ) 以及动态消息帧特有的动态尾部序 最小时长为1g d b i t 的连续低电平。f s s 用于补偿在t s s 之后第一个字节的肩动 顺序中可能的量化误差，为一段时长为1g d b i t 的高电平。b s s 用于为接收设备 提供定时信息，包括1 b i t 的低电平和1 b i t 的高电平。f e s 用于标记最后一帧字 节序列的结束，长度与b s s 相同。d t s 只用于动态部分的传输，用于指示发送 器的最小时间片偏移量( m i n i s l 0 1 a c t i o np o i n t ) 的确切点。具体静态数据帧和动 飘一碍皿避：ij ? ? 翘霈 r 百一气唰b 刮ll iil 黧 。 陆畦j j 。陋皿好 卜1 孬一唔鬣一h 磊瓣面筒一| l h ，崦h j 1 l专，叫鞣t k f 1 e x r a v 通信协议定义了三三个特征符，表示两个不同的符号位模式：模式 1 一冲突避免符号( c 0 1 1 i s i o na v o m a n c es y m b o l ，c a s ) 和媒体访问测试符号( m e d i a 中在节点中c a s 和m t s 使用相同方式进行编码和解码，而编码过程并没有对 这两种符号进行区分，接收器基于节点当前的协议状态区分这两种标识符。 2 4 3 数据帧格式 f l e x r a y 帧结构在图2 1 1 中给出。一个f l e x r a y 数据帧包含三部分，包括 帧头，负载段以及帧尾。 f i e x r a y 消息 | 一叫 帧头 负载段 帧尾 ，l 寸一弋“、 ，、 7，、 p 叫p 叫扛叫社叫廿鲫矬蝤避垃斗j 业 1 5 瞄动帧指示位 l - l l - ( 1 ) 帧头部分 f 1 e x r a v 的帧头有5 个字节( 4 0 位) 组成。其中包括保留位( 1 位) 、有效 数据指示位( 1 位) 、空帧指示位( 1 位) 、同步帧指示位( 1 位) 、有效帧指示 位( 1 位) 、帧i d ( 1 1 位) 、数据长度( 7 位) 、头部c r c 校验( 1 1 位) 、周期 计数( 6 位) 。 ( 2 ) 负载段 负载段由0 2 5 4 个字节( o 一12 7 个字) 组成，并且负载段是以字为单位进行 设置的。在负载段中分别以d a t ，a 0 、d a t a l d a t a 2 5 3 表示。在帧的c r c 校验中， 有效数据部分的前6 个字节设为海明距离( h a m m i n gd i s t a n c e ) 。 如果消息帧为静态帧，则有效数据部分的头13 个字节( d a t a 0 一d a t a l2 ) 通 常用作网络管理向量( n e t w o r km a n a g e m e n tv e c t o r ，n m v ) 。在同一个集群内， 所有的节点 l2 所示。 负载段 图2 12 网络管理向量 如果消息帧为动态帧，则有效数据部分的头两个字节通常用作消息识别域 ( m e s s a g e i d 仃e l d ) 。消息识别( 又叫消息i d ) 标明应用数据的物理内容，长 度为16 位。m e s s a g ei d 的滤波结果能够决定接收节点是否会接收此数据帧。 节点在发送消息时，辛机把消息的i d 和应用数据一起写入到传输节点的信道 中。消息i d 的作用是在接收节点中根据消息的i d 对其进行过滤处理来获得有 效数据部分。如图2 13 所示。 1 4 式格占叭 y arxef 付 一 示 2 张黼 幽 芏三数似帧效主三个仃三薹 卜巍1 麓藏 张_ 撕 姒抛z 。1。 召v 以l i n 数据。 数据1 一“ 16 位 h l 一一叫o 2 5 4 字节 负载段 图2 13 消息i d ( 3 ) 帧尾部分 f l e x r a y 帧的尾部段只有一个2 4 位的c r c 校验。帧的c r c 是通过头部段 和负载段计算得来的，由硬件完成运算。有效的负载数据所占用的字节数与帧 的c r c 校验中的海明距离( h a m m i n gd i s t a n c e ) 相关。两个通道的c r c 采用同 一个牛成多项式。 2 4 4 媒体访问控制 在f 1 e x r a y 协议中，媒体访问控制是基于一个反复出现的通信周期进行的。 在一个通信周期中，f l e x r a y 提供了两种媒体访问控制的方式，静态段的时分 多址传输方式( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 以及动态段的基于最小 时间片( m i n i s l o t ) 的传输方式。如图2 14 所示： 图2 1 4 通信周期的时序层次 最高层为通信周期层，定义了整个通信周期。它包括静态段( s t a t i c s e g m e n t ) 、动态段( d y n a m i cs e g m e n t ) 、符号窗口( s y m b o lw i n d o w ) 以及网络 空闲时间( n e t w o r ki d l et i m e ) 四个部分。第二层为仲裁网格层，包含了组成 f l e x r a v 媒体仲裁基础结构的仲裁网格。在静态段和动态段中，仲裁网格都包 含有连续的时间间隔，分别称为静态段的静态时间片( s t a t i cs l o t ) 和动态段的 最小时间片( m i n i s l o t ) 。仲裁网格层是建立在最大时间节拍( m a c r o t i c k ) 层的 基础上的。系统将指定一个最j k 时间节拍的边界作为一个a c t i o np o i n t 。这些特 定的时间指定传输时间的开始( 在静态段，动态段及符号窗口中) 和结束时间 ( 仪在动态段) 。最小时间节拍( m i c r o t i c k ) 层作为通信周期的最底层，它本身 由通信控制器的外部晶振决定，而最小时间节拍又决定最大时间节拍的大小。 每个节点通过其独特的帧标识符发送消息。在整个通信周期中。系统只允 许帧标识符( f i d ，f r a m ei d ) 与当前的时间片计数器值相等的那个唯一的节点向 总线上发送数据，为了保证总线上不会发牛消息冲突，帧标识符与节点是一一 对应的，也就是每个帧i d 只能分配给一个节点，但一个节点可以有多个帧i d 。 在通信周期中，f l e x r a y 静态段基于t d m a 传输方式，用于传输确定的周 期性消息，静态段由若t 时长相等的静态时间片组成。静态时间片的大小由最 长的静态消息决定。而动态段用于传输非周期性消息，它由一定数目且大小相 等的最小时间片组成。动态段将在第3 章中做详细介缁。 2 4 5时钟i 司步 对于一个时间触发系统，最基本的假设是在集群中的每一个节点都有近乎 相同的时间观，并且这个共同的时间观作为每个节点通信时间的基础。f l e x r a y 节点内部的时序表是以周期( c y c l e s ) 、最大时间节拍( m a c r o t i c k ) 、最小时间 节拍( m i c r o t i c k ) 为基础的。如媒体访问控制中所述，个m a c r o t i c k 由固定 数量的m i c r o t i c k 组成，而c y c l e s 则由固定数量的m a c r o t i c k 组成。 f l e x r a v 协议采用分布式的时钟同步机制，其中每个节点本身单独同步到 群集，通过观察其他节点发送同步帧的时间。f l e x r a y 协议没有绝对或引用全 局时间；每一个节点都有它自己的作为全局时间的本地时间观。 时钟同步过程的丰要任务是保证集群节点之间的时间偏差在一定的精度范 围内。f 1 e x r a y 时钟同步包含两个丰要的并发进程：最大时间节拍牛成进程 ( m t g ) 控制整个周期和最大时间节拍计数器，以及赋予该计数器初值并对其 进行修正。时钟同步进程( c s p ) 对通信周期初始化，测量并存储偏差值，计 算相位偏差和频率偏差。时间偏差可分为相位偏差( o f f s e t ) 和频率偏差( r a t e ) 。 相位偏差为两个时间片计数器之间的绝对差值，而相位偏差在某个时段的变化 率即频率偏差。f 1 e x r a y 网络切议有其自有的时钟同步算法用于网络时钟同步。 图2 15 为f 1 e x r a y 时钟同步执行过程示意图。 j 8 濑辩， 礴，黪参t 蝴誉一， 希妇鼢j渗雅。5 i ? 麟麟一 彰骥。磷够囊秽。，鼢融t 多鳓。 礴警 鲥i 正 l k 襁畦一i 曲心 潲傅雾矿嚣：| 。t ：；。颡察瓣整鬻黪黟。t 嬲泽0 够磐j j 。 j 。 髑瀚露j ? 岁要k 计篡 l l ! l liu t 酶獬! 陶榭僦l 网鹂髓孽慨l 离燃簿l 簿嘲 测量相位纠正值的计茸频率纠正值的计簋 幽2 _ 15 时钭，同步执行过稃 2 5 本章小结 f l e x r a y 作为新一代的，营、线，：有其特有的性能和优势。本章首先概述了 f 1 e x r a y 网络协议的特点以及协议规范；然后对f l e x r a v 的网络结构进行了解 析：重点分析了f l e x r a y 的通信流程和通信机制，尤其对媒体访问控制进行了 详细的描述。f l e x r a v 的通信机制特别是媒体访问控制机制是网络性能评估的 关键，是网络消息调度的基础。 第三章f l e x r a y 动态段长度优化研究 3 1动态段消息传输规则 3 1 1 动态段的结构 f 1 e x r a v 动态段是由固定数目的m i n i s l o t 组成的。而动态段的通信时间片 d v n a m i cs l o t 的长度是变化的，用以容纳不同长度的动态消息。因此，基于最 小时间片的通信方式又称为柔性时分多址访问方式，即f 1 e x i b l et i m ed i v i s i o n m u l t i d l ea c c e s s ， f t d m a 。 3 1 2动态段的执行及时序 在动态段中，为了能够知道最小时间片( m i n i s l o t ，m s ) 以及动态时间片 ( d v n a m i cs 1 0 t ，d s ) 的时间点，分别配置了m sc o u n t e r 和d sc o u n t e r 两个计 数器对两种时间片计数。在动态段中，d s 由一串连续的m s 组成，d s 的长度 取决于动态消息的长度。如果有：动态消息传输，则d s 的长度等于消息帧的长 度，如果没有消息传输，当前d s 的长度等于1 个m s 的长度，如图3 一i 所示。 在一个指定的集群中，最小时间片m s 的数目g n u m b e r o 州i n i s l o t s 是一个集群 常鼍。 图3 1 动态段的结构 每一个最小时间片都包含有消息触发点( a c t i o np o i n t ) ，用来表示最小时间 片开始传输消息帧的准确时间。从最小时间片开始到触发点的这段时间称为最 小时间片触发点偏移量，用g d m i n i s l o t a c t i o n p o i n t o f f s e t 来表示。图3 2 表示了 m s 的详细时序。 m 。姒 m s 姒卜一1 m a 删馥p 谢 莩f 马 l 嚣搿咄l n i n l s | o ta 。t l o np o i n to 释当e t | g a 螨n i 蜘t a c 毫i o f l p o 衲t o 鞋s e l r 叫l l 到 图3 2m s 的详细时序 在动态段中，f 1 e x r a y 消息的传输是从触发点开始，并e l 以触发点结束， 后者是依靠动态尾部序列( d t s ) 的补偿来实现的。动态时间片分为动态时间 片传输相和动态时间片空闲相。空闲相是动态时间片中紧跟在网络传输后的一 段空闲时间，用来解决通信信道空闲检测等待时间，如图3 3 所示。 c h a n n 。li 吐妇e 埘e i 潞培 f 咖；m n l # p l ed 自i n l l _ ”n h a n n 耐酣f c h ；m n n l 删i v d n i l m t e rm a n n b li d k m e e 州。薯e a c 魏a y n a m l cs 雠 幽3 3 动态段时序 在动态段中，m s 计数器一直在汁数直到动态段结束，而d s 计数器 ( v s l o t c o u n t e r ) 将在以下两个条件满足一个的情况下停止计数，并清零：直到下 个周期重新开始：1 ) v s l o t c o u n t e r 的值等于c s l o t i d m a x 。2 ) 动态段已经达到 最小时间片的数量，即动态段结束。 f l e x r a v 动态段本质上是在通信周期中用于传输事件触发的消息的一部分 时间。消息丰要是通过优先级进行分配传输的。f 1 e x r a y 动态段的特点有： ( 1 )动态消息必须等到与它帧i d 想匹配的动态时间片才能发送( 否则， 即使总线上有空闲，消息也不能传输) ，并且在动态段结束之前占用足够的 m i n i s l o t 用于完成传输。 ( 2 )消息优先级是消息传输的重要参数，如果一个节点中不同的消息分 配了相同的帧i d ，则需要比较消息：艺间的优先级。处于较高优先级的消息能 够先传输。处于较低优先级的消息延迟到下个周期传输。 ( 3 )e c u 中有一个具体参数p l a t e s t t x ( p l a t e s t t x 是在系统设计阶段根 据最大的动态帧的大小设定的一个固定值) ，来表示动态消息能够传输的最后一 个m i n i s l o t 。