（信號(hào)與信息處理專(zhuān)業(yè)論文）容錯(cuò)模式下ttcan總線中系統(tǒng)矩陣的實(shí)行時(shí)設(shè)度算法研究.pdf

b yx i ez h i q i a n g s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rd i n gs h a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 中取得的 撰寫(xiě)過(guò)的 一同工作 表示誠(chéng)摯表不城掣 學(xué)位論文作者簽名 竹列致 簽字日期 d 7 d6 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論 文的規(guī)定 即學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和 磁盤(pán) 允許論文被查閱和借閱 本人同意東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部 或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 交流 如作者和導(dǎo)師同意網(wǎng)上交流 請(qǐng)?jiān)谙路胶灻?否則視為不同意 學(xué)位論文作者簽名 諜怎強(qiáng) 導(dǎo)師簽名 丁扒 簽字日期 c 7 6 簽字日期 啊 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 容錯(cuò)模式下t t c a n 總線中系統(tǒng)矩陣的實(shí)時(shí)調(diào)度算法研究 摘要 傳統(tǒng)c a n 采用的是事件觸發(fā)機(jī)制 在總線負(fù)荷率上限 實(shí)時(shí)性和處理多控制器總 線沖突方面略顯不足 而b o s c h 公司推出的t t c a n 協(xié)議采用時(shí)間觸發(fā)機(jī)制與事件觸 發(fā)機(jī)制相結(jié)合的方式 基本解決了上述問(wèn)題 t t c a n 協(xié)議是c a n 協(xié)議的一種擴(kuò)展 它 提高了總線利用率和消息的實(shí)時(shí)性 滿足對(duì)安全性要求苛刻的實(shí)時(shí)系統(tǒng)以及總線日益增 長(zhǎng)的信息負(fù)載的需求 由于t t c a n 是基于時(shí)間觸發(fā)的 必然帶來(lái)了消息的調(diào)度問(wèn)題 本論文基于t t c a n 總線研究應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度問(wèn)題 首先 學(xué)習(xí)了t t c a n 協(xié)議及其一些關(guān)鍵技術(shù) 為 后面問(wèn)題的提出以及優(yōu)化做了準(zhǔn)備 其次根據(jù)消息組構(gòu)建系統(tǒng)矩陣 采用遺傳算法對(duì)其 優(yōu)化 目的是為了最大限度的減少獨(dú)占窗的時(shí)間 并且采用最大公約數(shù)算法 g r e a t e s t c o m n l o r ld i v i s o r g c d 解決不滿足t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣限制因素的消息組 第三 進(jìn)行 了系統(tǒng)矩陣容錯(cuò)的研究與設(shè)計(jì) 本文采用仲裁窗容錯(cuò)技術(shù)方案對(duì)系統(tǒng)矩陣進(jìn)行容錯(cuò)設(shè) 計(jì) 并且提出后面優(yōu)先原則 較好的達(dá)到了容錯(cuò)的效果 最后以兩個(gè)經(jīng)典消息組s a e 和p s a 作為應(yīng)用實(shí)例 結(jié)合了遺傳算法和g c d 算法 對(duì)t t c a n 總線中系統(tǒng)矩陣的調(diào) 度算法進(jìn)行了驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好的驗(yàn)證了該算法在t t c a n 協(xié)議在通信實(shí)時(shí)性和總線利用率方面的優(yōu) 勢(shì) 并且有效的提高了在實(shí)際應(yīng)用中的靈活性 而且 容錯(cuò)性的設(shè)計(jì)大大降低了消息傳 輸失敗率 驗(yàn)證結(jié)果為t t c a n 協(xié)議應(yīng)用在通信可靠性要求較高的硬實(shí)時(shí)通信環(huán)境中提 供了重要的參考價(jià)值 關(guān)鍵詞 t t c a n 時(shí)間觸發(fā) 實(shí)時(shí)調(diào)度 遺傳算法 t j 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nr e a l t i m es c h e d u l i n ga l g o r i t h m f o rt i m e t r i g g e r e dc a n s y s t e m a t i cm a t r i x w i t hf a u l t t o l e r a n tm o d e l a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lc a ni sb a s e do ne v e n t t r i g g e r e dm e c h a n i s m i th a ss o m ed i s a d v a n t a g e s s u c ha sl o a dl i m i t r e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n dm u l t i p r o c e s s o rc o n f l i c t i no r d e rt os o l v et h o s e p r o b l e m s b o s c hc o m p a n yi n t r o d u c e st t c a n w h i c hi sac o m b i n a t i o no ft i m e t r i g g e r e d a n de v e n t t r i g g e r e dm e c h a n i s m t t c a ni se x t e n s i o n so fc a n w h i c hi m p r o v e st h er e a l t i m e p e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r ka n dm a k e st h ec o m m u n i c a t i o nn o to n l ym e e t i n g t h ed e m a n do f s e c u r i t yc r i t i c a lr e a l t i m es y s t e mb u ta l s oi n c r e a s i n gb u s l o a d s i n c et t c a ni sb a s e do nt i m e t r i g g e r e d i tw i l li n e v i t a b l yl e a dt ot h es c h e d u l i n g p r o b l e m so fm e s s a g e s t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nr e a l t i m es c h e d u l i n gp r o b l e m b a s e dt t c a n t h ef i r s ts t e p i ti n t r o d u c e sw h a tt t c a ni sa n ds o m eo fk e yt e c h n o l o g i e sa b o u tt t c a n w h i c hc a n h e l pp e o p l ec l e a r l yu n d e r s t a n dt h ep r o b l e ms t a t e m e n ta n do p t i m i z a t i o n a f t e rt h a t a c c o r d i n gt ot h es e to fm e s s a g e s s y s t e mm a t r i xi sc o n s t i t u t e d g e n e t i ca l g o r i t h mi su s e df o r o p t i m i z a t i o nt h a ta i m st o m i n i m i z et h et i m eo fe x c l u s i v ew i n d o w l a r g e s tc o m m o n d e n o m i n a t o r g c d a l g o r i t h m sa r et a k e na d v a n t a g eo fs o l v i n gt h es c h e d u l i n gp r o b l e mw h i c h m e s s a g es e ti sn o ts a t i s f i e dw i t ht h ec o n s t r a i n t so ft t c a n t h e n i tf o c u s e so ns t u d y i n ga n d d e s i g n i n gt h ef a u l t t o l e r a n tm o d e lo fs y s t e mm a t r i x t h i sp a p e ru s e st h ea r b i t r a t i o nw i n d o w f a u l t t o l e r a n tt e c h n o l o g yt od e s i g ns y s t e mm a t r i x m e a n w h i l e i ta l s ot a k e sa d v a n t a g eo f f o r w a r dl a t t e rp r i o r i t yp r i n c i p l ef o ra r b i t r a t i o nw i n d o wf a u l t t o l e r a n tm o d e l a tl a s t t h ea u t h o r t a k et w oc l a s s i cm e s s a g es e t ss a ea n dp s aa se x a m p l e s c o m b i n eo fg e n e t i ca l g o r i t h ma n d t h eg c d a l g o r i t h mi no r d e rt ov a l i d a t et h es c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o rs y s t e mm a t r i x t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h ea l g o r i t h mw ep r o p o s e dh a st h ea d v a n t a g eo f r e a l t i m et r a n s m i s s i o no fs i g n a la n db a n d w i d t hu t i l i z a t i o nr a t i o a n da l s oe n h a n c et h e f l e x i b i l i t yo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o ne f f e c t i v e l yi nt t c a np r o t o c l i na d d i t i o n f a u l t t o l e r a n t g r e a t l yr e d u c e st h ef a i l u r er a t eo fm e s s a g e st r a n s m i s s i o n f i n a l l y t h es u c c e s s f u le s t a b l i s h m e n t o fm o d e lp r o v i d e sa ni m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o rt t c a np r o t o c o lw h i c hi sa p p l i e di nt h e h a r dr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n tt h a tr e q u i r i n gh i g h e rc o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t y k e y w o r d s t t c a n t i m e t r i g g e r e d r e a l t i m es c h e d u l i n g g e n e t i ca l g o r i t h m t i t f 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 目錄 獨(dú)創(chuàng)性聲明 i 摘要 i i a bs t r a c t i i i 第1 章緒論 1 1 1t t c a n 協(xié)議的產(chǎn)生背景 1 1 1 1c a n 協(xié)議分析 1 1 1 2t t c a n 協(xié)議的應(yīng)用研究與優(yōu)勢(shì) 2 1 2 實(shí)時(shí)調(diào)度理論在t t c a n 總線中的必要性 3 1 3 論文研究的內(nèi)容及意義 5 1 3 1 論文研究的內(nèi)容 5 1 3 2 論文研究的意義 6 第2 章t t c a n 總線協(xié)議及關(guān)鍵技術(shù) 9 2 1t t c a n 總線底層協(xié)議 9 2 1 1c a n 總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 9 2 1 2c a n 總線的分層結(jié)構(gòu) 1 0 2 1 3c a n 總線的報(bào)文格式 1 2 2 1 4c a n 總線的非破壞性 逐位仲裁 機(jī)制 1 5 2 2t t c a n 總線協(xié)議 1 5 2 2 1t t c a n 總線的時(shí)間觸發(fā)機(jī)制 1 5 2 2 2t t c a n 總線的時(shí)間基準(zhǔn) 1 6 2 2 3t t c a n 總線的主節(jié)點(diǎn) 18 2 3 本章小結(jié) 19 i v 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第3 章容錯(cuò)模式下t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣的調(diào)度分析 3 1t r c a n 總線的系統(tǒng)矩陣 3 1 1t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣的結(jié)構(gòu) 3 1 2 系統(tǒng)矩陣的基本周期 3 1 3t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣的設(shè)計(jì) 3 1 4t t c a n 總線利用率 2 5 3 2t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣的容錯(cuò) 2 7 3 2 1 系統(tǒng)容錯(cuò)的概述 2 7 3 2 2t t c a n 總線協(xié)議的容錯(cuò)機(jī)制 2 7 3 2 3t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣的容錯(cuò)方法 2 8 3 3t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣的調(diào)度問(wèn)題 3 0 3 3 1 消息的分析 一3 0 3 3 2t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣的限制因素 3 l 3 3 3t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣調(diào)度的可行性分析 3 1 3 3 4 系統(tǒng)矩陣的調(diào)度問(wèn)題分析 3 2 3 4 本章小結(jié) 3 4 第4 章容錯(cuò)模式下t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣的調(diào)度算法研究 3 5 4 1 遺傳算法簡(jiǎn)介 3 5 4 2 基于遺傳算法的t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣的實(shí)時(shí)調(diào)度 3 7 4 2 1 時(shí)間觸發(fā)消息的系統(tǒng)矩陣構(gòu)造 3 7 4 2 2 時(shí)間觸發(fā)消息的系統(tǒng)矩陣實(shí)時(shí)調(diào)度 4 0 4 2 3 事件觸發(fā)消息系統(tǒng)矩陣的實(shí)時(shí)調(diào)度 4 4 4 3t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣的容錯(cuò)理論及改進(jìn) 4 5 4 1m a i l b o xm e t h o d 4 5 4 3 2a r b i t r a t i o nw i n d o wm e t h o d 及其改進(jìn) 4 9 4 4 本章小結(jié) 5 1 v 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 第5 章t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣的實(shí)時(shí)調(diào)度算法的驗(yàn)證 5 3 5 1 系統(tǒng)矩陣的實(shí)時(shí)調(diào)度算法驗(yàn)證 5 3 5 1 1 系統(tǒng)矩陣的構(gòu)造實(shí)驗(yàn) 5 3 5 1 2 系統(tǒng)矩陣優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析 5 6 5 2 系統(tǒng)矩陣容錯(cuò)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證 5 9 5 3 本章小結(jié) 6 0 第6 章結(jié)論與展望 6 1 6 1 結(jié)論 6 l 6 2 展望 6 2 參考文獻(xiàn) 6 3 致謝 6 7 作者攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文 6 9 v i 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第1 章緒論 第1 章緒論 1 1t t c a n 協(xié)議的產(chǎn)生背景 1 1 1c a n 協(xié)議分析 c a n c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 是由德國(guó)b o s c h 公司開(kāi)發(fā)的有效支持分布式實(shí)時(shí) 控制的串行通信網(wǎng)絡(luò) 由于其成本低 可靠性高 抗干擾能力強(qiáng)和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)而得 到廣泛的應(yīng)用 卜2 c a n 總線作為汽車(chē)中微控制器 m c u 的通信總線 能夠?yàn)檐?chē)載電子 控制裝置e c u 之間提供交換信息服務(wù) 并可以形成汽車(chē)電子控制網(wǎng)絡(luò) 比如 發(fā)動(dòng)機(jī) 管理系統(tǒng) 變速箱控制器 儀表設(shè)備 電子主干系統(tǒng)中均嵌入c a n 控制裝置 作為國(guó) 際上應(yīng)用最廣泛的總線之一 c a n 總線在汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)成為很多相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó) 際標(biāo)準(zhǔn) 1 9 9 1 年 b o s c h 公司制定并發(fā)布了c a n 技術(shù)規(guī)范 v e r s i n n 2 o 1 9 9 3 年 c a n 總線成為了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)1 5 0 1 1 5 9 5 高速應(yīng)用 和1 5 0 1 1 5 1 9 低速應(yīng)用 在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中 存在兩種不同的消息傳輸機(jī)制 3 卅 事件觸發(fā)機(jī)制和時(shí)間觸發(fā) 機(jī)制 c a n 總線的通信方式本質(zhì)上屬于事件觸發(fā)機(jī)制 介質(zhì)訪問(wèn)控制采用帶沖突檢測(cè) 的基于優(yōu)先級(jí)的非破壞性仲裁機(jī)制 c s m a c d 方式 總線沖突時(shí)具有最高優(yōu)先權(quán)的節(jié)點(diǎn) 贏得仲裁 可以進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送 當(dāng)通信負(fù)載較輕時(shí) 可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求 而通信 負(fù)載較重時(shí) 將不能保證通信的實(shí)時(shí)性以及確定性 由于普通c a n 總線協(xié)議缺乏決定機(jī)制 同步和容錯(cuò)等特性 其不可避免地存在以 下一些問(wèn)題 5 j 1 c a n 總線的通信方式本質(zhì)上屬于事件觸發(fā)機(jī)制 介質(zhì)訪問(wèn)控制采用帶沖突檢測(cè) 的基于優(yōu)先級(jí)的非破壞性仲裁機(jī)鉗 c s m a c d 當(dāng)通信負(fù)載較輕時(shí) 可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí) 性要求 而通信負(fù)載較重時(shí) 消息間的沖突會(huì)引起延遲時(shí)間的不確定性 將不能保證通 信的實(shí)時(shí)性及確定性 2 c a n 協(xié)議采用事件觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行通信 只有當(dāng)總線上的一個(gè)模塊有事件發(fā)生時(shí) 才會(huì)向總線發(fā)送數(shù)據(jù) 這樣如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)有連續(xù)變化的數(shù)據(jù)需要記錄或顯示時(shí) 數(shù)據(jù)就 會(huì)有丟失的可能 3 c a n 總線協(xié)議的位速率最高可達(dá)1 m b p s 而且此時(shí)最大總線長(zhǎng)度只能是4 0 m 傳輸時(shí)也不夠穩(wěn)定 實(shí)際應(yīng)用中 波特率最高只能用到5 0 0 k b p s 由于允許的頻帶和最 大總線長(zhǎng)度的限制 c a n 總線不能滿足快速增長(zhǎng)的多對(duì)象 高靈敏 高穩(wěn)定及高容錯(cuò) 1 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第1 章緒論 性能的要求 因此 對(duì)一些實(shí)時(shí)性要求很高的控制系統(tǒng) c a n 總線并不能滿足其要求 4 c a n 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是總線型的 而且各節(jié)點(diǎn)是平等的 沒(méi)有主從節(jié)點(diǎn)之分 任 何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以接收或者發(fā)送數(shù)據(jù) 沒(méi)有任何的限制 如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)惡意重復(fù)的發(fā)送 數(shù)據(jù)到總線上 可能就會(huì)導(dǎo)致其它節(jié)點(diǎn)無(wú)法發(fā)送數(shù)據(jù) 對(duì)于這種惡意節(jié)點(diǎn) c a n 協(xié)議 沒(méi)有辦法進(jìn)行解決 5 因?yàn)閳?bào)文的優(yōu)先權(quán)是根據(jù)標(biāo)識(shí)符來(lái)判別的 而標(biāo)識(shí)符一般是根據(jù)內(nèi)容來(lái)制定的 所以當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí) 有可能會(huì)牽扯到優(yōu)先權(quán)的重新排序問(wèn)題 這樣就給系統(tǒng)的擴(kuò)充帶來(lái) 了一定的復(fù)雜度 在硬實(shí)時(shí)應(yīng)用中 可靠性要求極高 確?？深A(yù)知的通信以及減少消息 的傳輸延遲是至關(guān)重要的 為了達(dá)到這一目的 可以將基于事件觸發(fā)的c a n 和時(shí)間觸 發(fā)機(jī)制相結(jié)合 充分發(fā)揮兩種機(jī)制的優(yōu)勢(shì) 為此 i s 0 118 9 8 4 在c a n 協(xié)議棧的會(huì)話層 中提出了一種基于時(shí)間觸發(fā)機(jī)制t t c a n t t i m e t r i g g e r e dc c o m r o l l e ra a r e an n e t w o r k 協(xié) 議 5 1 b o s c h 公司開(kāi)發(fā)了t t c a n 總線協(xié)議 t t c a n 協(xié)議在c a n 協(xié)議事件觸發(fā)基礎(chǔ)上引 入了時(shí)間觸發(fā)協(xié)議機(jī)制 采用了時(shí)間觸發(fā)和時(shí)分多路 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 方式進(jìn)行通信 其消息的傳輸可預(yù)測(cè) 可管理 并且總線利用率高 通信延時(shí)低 提高了總線的實(shí)時(shí)性能 并使得總線利用率大大提高 目前 t t c a n 協(xié)議主要的研究 工作是t t c a n 協(xié)議調(diào)度算法以及其控制芯片的研究 1 1 2t t c a n 協(xié)議的應(yīng)用研究與優(yōu)勢(shì) 自從i s o 將t t c a n 協(xié)議作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)后 全球領(lǐng)先的幾家制造商就開(kāi)始采用 t t c a n 協(xié)議 許多公司也在其c a n 控制器中嵌入了時(shí)間觸發(fā)操作 但總的來(lái)說(shuō) t t c a n 仍處于研發(fā)階段 b o s c h 公司在其生產(chǎn)的硅片f p g a f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣 列 中嵌入了t t c a n 協(xié)議的l e v e l l 和l e v e l 2 功能 6 1 生產(chǎn)出t t c a n 協(xié)議評(píng)估芯片 t t c a n t c 其封裝為l q f p 4 4 最大波特率為10 0 0 k b s 有3 2 個(gè)可單獨(dú)配置的信息 體 t t c a n t c 與c p u 實(shí)現(xiàn)無(wú)縫聯(lián)接 并提供t t c a ni pm o d u l e 集成開(kāi)發(fā)系統(tǒng) a t m e l 半導(dǎo)體公司在t 8 9 c 5 1 8 0 5 1 中植入了t t c a n 協(xié)議的l e v e l l 功能 n e c 公司開(kāi)發(fā)的所 有c a n 微控制器系列已經(jīng)可以支持t t c a n 協(xié)議的l e v e l l 功能 對(duì)t t c a n 協(xié)議的 l e v e l 2 功能的研究仍處于研發(fā)階段 h i t a c h i 公司也己經(jīng)開(kāi)展了t t c a n 硬件支持的研究 工作 m i c r o c h i p 公司在其推出的m c p 2 5 1 5 中增加了與t t c a n 相關(guān)的硬件資源 一2 一 o 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第1 章緒論 t t c a n 協(xié)議是對(duì)c a n 協(xié)議的一種改進(jìn)方法 b o s c h 公司在2 0 0 3 年發(fā)布了t t c a n 協(xié)議的i p 模塊 根據(jù)對(duì)所查閱資料的分析與研究 t t c a n 協(xié)議較c a n 協(xié)議具有以下 一些優(yōu)勢(shì) 6 1 1 t t c a n 協(xié)議將消息交換設(shè)定在預(yù)先安排好的獨(dú)占時(shí)間窗口內(nèi) 避免消息的競(jìng) 爭(zhēng) 當(dāng)消息在仲裁窗發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí) 采用c a n 的非破壞性仲裁機(jī)制 不管是時(shí)間觸發(fā)還 是事件觸發(fā)類(lèi)型消息 它都能較理想的保證消息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性 2 對(duì)于實(shí)時(shí)性通信來(lái)說(shuō) 傳統(tǒng)的c a n 協(xié)議當(dāng)總線利用率較低時(shí)可以滿足實(shí)時(shí)性的 要求 但當(dāng)利用率較高時(shí)將產(chǎn)生不確定的傳輸延時(shí) 對(duì)于t t c a n 協(xié)議雖然其響應(yīng)有一 定的延時(shí) 但該延時(shí)的上界限是可以得到的 因此可以設(shè)計(jì)合理的方案滿足消息的截止 期 3 c a n 網(wǎng)絡(luò)的同步質(zhì)量要受到各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘容差以及網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲等諸多 因素的影響 t t c a n 協(xié)議在矩陣周期的每個(gè)基本周期開(kāi)始時(shí)都利用參考消息進(jìn)行一次 時(shí)鐘同步 比傳統(tǒng)c a n 網(wǎng)絡(luò)有更高的同步質(zhì)量 4 t t c a n 協(xié)議在錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制方面有了提高 其在會(huì)話層定義了消息狀態(tài)計(jì)數(shù) m s c 寄存器 它實(shí)現(xiàn)的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制可以避免傳輸失敗的消息對(duì)網(wǎng)絡(luò)的阻塞 實(shí)現(xiàn)了 節(jié)點(diǎn)的自診斷功能 5 t t c a n 網(wǎng)絡(luò)的最大總線利用在理想情況下可以達(dá)到1 0 0 m b p s 通常可以達(dá)到 8 0 m b p s 9 0 m b p s 對(duì)于傳統(tǒng)的c a n 協(xié)議 在非嚴(yán)格實(shí)時(shí)的控制系統(tǒng)中 總線利用率通 常推薦為2 0 3 0 t t c a n 協(xié)議中最主要的研究工作就是要確定矩陣周期的整體結(jié)構(gòu) 并將消息合理的安排到各個(gè)時(shí)間窗口中 1 2 實(shí)時(shí)調(diào)度理論在t t c a n 總線中的必要性 1 實(shí)時(shí)調(diào)度 在分布式控制系統(tǒng)中的調(diào)度器依據(jù)各個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用任務(wù)對(duì)時(shí)間要求的緊迫程度等因 素對(duì)多個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用任務(wù)的執(zhí)行時(shí)刻和次序的統(tǒng)籌安排上 在多任務(wù)并發(fā)運(yùn)行的控制系統(tǒng) 中 調(diào)度器在何時(shí)選擇某個(gè)任務(wù) 直接關(guān)系到該任務(wù)能否在截止期之前完成計(jì)算 若給 定一個(gè)包含多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的集合 那么對(duì)這一組消息來(lái)說(shuō) 它們按照什么樣的次序被調(diào) 度 直接關(guān)系到這組任務(wù)的時(shí)間約束能否都被滿足 調(diào)度的問(wèn)題處理起來(lái)較為靈活 但 容易對(duì)計(jì)算結(jié)果造成根本性影響 需要在理論和技術(shù)上做深入的研究 本小節(jié)對(duì)實(shí)時(shí)調(diào) 度及其在t t c a n 總線中的必要性做專(zhuān)門(mén)的介紹 3 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第1 章緒論 實(shí)時(shí)系統(tǒng)在調(diào)度策略層面的問(wèn)題是關(guān)系到時(shí)間約束能否得到滿足的關(guān)鍵問(wèn)題之一 實(shí)時(shí)計(jì)算任務(wù)與普通系統(tǒng)中只要求邏輯正確性的計(jì)算任務(wù)之間的最大不同之處就是要 滿足執(zhí)行與時(shí)間的關(guān)系 特別是在多任務(wù)并發(fā)的系統(tǒng)中 如果要保證各個(gè)實(shí)時(shí)計(jì)算任務(wù) 的時(shí)問(wèn)約束都能夠得到滿足 就需要對(duì)并發(fā)運(yùn)行的任務(wù)集合在處理器上的運(yùn)行時(shí)序做出 合理的安排 這樣才能達(dá)到充分利用系統(tǒng)計(jì)算資源完成實(shí)時(shí)處理的目的 這就引出了實(shí) 時(shí)計(jì)算研究領(lǐng)域中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù) 即實(shí)時(shí)調(diào)度 調(diào)度的實(shí)質(zhì)是資源的分配 包括處理器和其他運(yùn)算 交互 存儲(chǔ)資源 調(diào)度就是來(lái) 用來(lái)將這些資源合理地分配給各個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的一種方法 調(diào)度算法決定系統(tǒng)如何進(jìn)行資 源分配 它是一種服務(wù)于系統(tǒng)目標(biāo)的策略 對(duì)于不同的系統(tǒng)及系統(tǒng)目標(biāo) 應(yīng)設(shè)計(jì)不同的 調(diào)度算法 實(shí)時(shí)調(diào)度面臨著與原來(lái)的非實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的調(diào)度所不同的設(shè)計(jì)目標(biāo) 這是因?yàn)閷?shí)時(shí)計(jì) 算的成功除了依賴于結(jié)果的邏輯正確性外 還要確保結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間滿足預(yù)定需求 所 以 它同時(shí)還要強(qiáng)調(diào)任務(wù)的時(shí)間約束 為一系列任務(wù)決定何時(shí)得到何種資源運(yùn)行 有效 地保障系統(tǒng)中的每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的實(shí)時(shí)性能是實(shí)時(shí)調(diào)度的一個(gè)重要目標(biāo) 這里的實(shí)時(shí)性能 是指響應(yīng)時(shí)間 截止期等與時(shí)間相關(guān)的指標(biāo) 學(xué)術(shù)界對(duì)在使用t t c a n 總線中分布式控 制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)調(diào)度問(wèn)題與總線容錯(cuò)問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究工作 下面做簡(jiǎn)單介紹 2 t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣調(diào)度算法的研究 t t c a n 總線的調(diào)度本質(zhì)上是對(duì)其系統(tǒng)矩陣的實(shí)時(shí)調(diào)度 目前主要的研究者是針對(duì) t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣的實(shí)時(shí)調(diào)度算法的研究 有的從提高時(shí)間觸發(fā)消息的實(shí)時(shí)性能出 發(fā) 有的則從提高事件觸發(fā)消息的實(shí)時(shí)性能出發(fā) 提出有基于遺傳算法的靜態(tài)調(diào)度算法 和基于裝箱問(wèn)題的靜態(tài)調(diào)度算法 f o n s e c a 等人提出一種調(diào)度系統(tǒng)矩陣的方法 它的目標(biāo)是為了減少所有消息抖動(dòng)之 和 7 j 提高了時(shí)間觸發(fā)消息的實(shí)時(shí)性能 但是它沒(méi)有考慮事件觸發(fā)消息的實(shí)時(shí)性能 a l b e r t 等人較大的提高了事件觸發(fā)消息實(shí)時(shí)性能 8 但是他為了簡(jiǎn)單 把系統(tǒng)矩陣中所 有列的寬度都設(shè)為等長(zhǎng) 但實(shí)際上 各個(gè)消息的傳輸時(shí)間可以不同 因此列寬可以不同 x i nq i a o 根據(jù)a l b e r t 研究的缺陷 提出了優(yōu)化時(shí)間觸發(fā)消息 減少它們傳輸時(shí)間和 提 高了事件觸發(fā)消息的實(shí)時(shí)性能 9 但是他只考慮滿足系統(tǒng)矩陣限制因素消息組的情況 對(duì)于不滿足限制因素的消息組 把其中大于矩陣周期的消息放入仲裁窗里調(diào)度 然而對(duì) 于重要的 關(guān)鍵性的消息可能會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生 本文基于此做了下一步的研究 本文對(duì)系統(tǒng)矩陣調(diào)度的創(chuàng)新點(diǎn)是 在遺傳算法中嵌入采用g c d 通過(guò)對(duì)時(shí)間觸發(fā) 4 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第1 章緒論 消息的在時(shí)間窗里的調(diào)度 減少時(shí)間窗的浪費(fèi) 提高系統(tǒng)矩陣的總線利用率 從而保證 了事件觸發(fā)消息有更多的執(zhí)行時(shí)間 從而保證了它們的實(shí)時(shí)性 3 t t c a n 總線容錯(cuò)的研究 與c a n 不同的是在t t c a n 中 如果有錯(cuò)誤發(fā)生 禁止消息重傳 這導(dǎo)致可能丟 失關(guān)鍵的消息 b m u l l e r 等人是通過(guò)提供多通道 2 3 個(gè) 達(dá)到容錯(cuò) 1 0 1 這個(gè)技術(shù)主要的 缺點(diǎn)是需要多條系統(tǒng)總線 這就帶來(lái)了這些總線同步的問(wèn)題 另一個(gè)缺點(diǎn)是這個(gè)方法 的多余總線要與主總線的速度十分接近 m a t j ac o l n a r i c 等人提出了利用多余的總線來(lái) 分擔(dān)負(fù)載 在正常的條件下每條總線有它自己的時(shí)間表 在一般情況下 總線利用 率是非常低的 另外 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)向另一條總線 一些信息在時(shí)間表上被清除了 因?yàn)?降低了總線效率同時(shí)也影響了實(shí)時(shí)性能 l a nb o s t e r 等人提出系統(tǒng)矩陣?yán)锩總€(gè)獨(dú)占窗被 重復(fù)兩次 1 2 每個(gè)獨(dú)占窗被它下一個(gè)窗重復(fù) 研究結(jié)果表明發(fā)送失敗概率降低 但是 每個(gè)消息傳輸兩遍 導(dǎo)致發(fā)送效率大幅度較低 a a k a s h 等人提出了m a i l b o xm e t h o d 和a r b i t r a t i o nw i n d o wm e t h o d t l3 1 但是a r b i t r a t i o nw i n d o wm e t h o d 里是針對(duì)所有的列寬 都相等的情況下 并且沒(méi)有考慮仲裁窗是否能夠?yàn)槊總€(gè)獨(dú)占窗分配等寬窗口 本文基 于此做了下一步的研究 本文在容錯(cuò)方面的創(chuàng)新點(diǎn)是對(duì)于a r b i t r a t i o nw i n d o wm e t h o d 提出了基于后面優(yōu)先 原則的仲裁窗方法 有效的解決了仲裁窗為獨(dú)占窗分配窗口的問(wèn)題 達(dá)到了較好的容 錯(cuò)效果 1 3 論文研究的內(nèi)容及意義 1 3 1 論文研究的內(nèi)容 本文通過(guò)對(duì)t t c a n 協(xié)議總線技術(shù)的分析和研究 針對(duì)t t c a n 協(xié)議調(diào)度算法研究 不足的現(xiàn)狀 以具體經(jīng)典消息組為應(yīng)用實(shí)例 研究t t c a n 協(xié)議的調(diào)度算法與容錯(cuò)技術(shù) 算法研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是v i s u a ls t u d i oc 6 0 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了t t c a n 協(xié)議的通信特性 以及本文調(diào)度算法的優(yōu)勢(shì) 本文主要的研究?jī)?nèi)容如下 第一章主要介紹了t t c a n 協(xié)議產(chǎn)生的背景 研究現(xiàn)狀及實(shí)時(shí)調(diào)度理論在t t c a n 總線總的必要性 第二章介紹t t c a n 協(xié)議在繼承c a n 協(xié)議的基礎(chǔ)上的一些特征 包括時(shí)間觸發(fā)機(jī) 制 時(shí)間同步機(jī)制 主節(jié)點(diǎn)以及一些基本概念 通過(guò)對(duì)t t c a n 協(xié)議基本概念的介紹為 后面t t c a n 總線系統(tǒng)矩陣的實(shí)時(shí)調(diào)度算法的研究打下基礎(chǔ) 5 東北大學(xué)碩士學(xué)位 第三章主要 定義以及如何提 時(shí)性能 針對(duì)這 的容錯(cuò)機(jī)制進(jìn)行 第四章主要 消息和非周期性 總線中系統(tǒng)矩陣 窗來(lái)分別進(jìn)行時(shí) 息的影響 然后 因素的消息組 究與改進(jìn) 在a r b i t r a t i o nw i n d o wm e t h o d 的基礎(chǔ)上提出了基于后面優(yōu)先的仲裁窗容錯(cuò)原 則 第五章主要通過(guò)兩個(gè)經(jīng)典消息組p s a 與s a e 對(duì)調(diào)度算法與容錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證 通 過(guò)對(duì)驗(yàn)證結(jié)果中對(duì)總線傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性以及總線的利用率的分析 驗(yàn)證了本文系統(tǒng)矩陣調(diào) 度算法的實(shí)用性以及t t c a n 總線在通信實(shí)時(shí)性和總線利用率方面的優(yōu)勢(shì) 第六章是結(jié)論與展望 1 3 2 論文研究的意義 當(dāng)通信負(fù)載較輕時(shí) 可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求 而通信負(fù)載較重時(shí) 消息間的沖 突會(huì)引起延遲時(shí)間的不確定性 將不能保證通信的實(shí)時(shí)性及確定性 如果一個(gè)c a n 節(jié) 點(diǎn)有連續(xù)快變的消息或記錄需要顯示時(shí) 數(shù)據(jù)會(huì)有延遲時(shí)間不確定的可能 會(huì)造成系統(tǒng) 的不穩(wěn)定和增加控制的難度 如果一個(gè)站點(diǎn)惡意重復(fù)地發(fā)送信號(hào)就有可能導(dǎo)致其他結(jié)點(diǎn) 無(wú)法發(fā)送數(shù)據(jù) c a n 協(xié)議無(wú)法判斷總線上的某個(gè)結(jié)點(diǎn)是否出現(xiàn)故障 對(duì)于傳統(tǒng)的c a n 協(xié)議 在非嚴(yán)格實(shí)時(shí)的控制系統(tǒng)中 總線利用率通常推薦為2 0 3 0 帶寬浪費(fèi)嚴(yán)重 針對(duì)c a n 的這些問(wèn)題 t i c a n 做了一些改進(jìn) 既有時(shí)間觸發(fā) 又保留了事件觸 發(fā) 一定程度上提高了總線的實(shí)時(shí)性能 本文分析了t t c a n 協(xié)議產(chǎn)生的背景 學(xué)習(xí)了 t t c a n 協(xié)議的一些關(guān)鍵技術(shù) 研究了t t c a n 總線的系統(tǒng)矩陣的實(shí)時(shí)調(diào)度算法與容錯(cuò) 技術(shù) 同時(shí)對(duì)原有調(diào)度算法與容錯(cuò)技術(shù)都做了一些改進(jìn) 在理論上研究t t c a n 總線中 系統(tǒng)矩陣的優(yōu)化算法后 又通過(guò)具體實(shí)例驗(yàn)證改進(jìn)的調(diào)度算法的系統(tǒng)性能 包括可靠性 事件觸發(fā)消息的實(shí)時(shí)性和時(shí)間觸發(fā)消息的總線利用率 由于t t c a n 總線的系統(tǒng)矩陣主 6 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第1 章緒論 要有仲裁窗口和獨(dú)占窗口構(gòu)成 本文通過(guò)盡可能的減少獨(dú)占窗傳輸時(shí)間的辦法來(lái)增長(zhǎng)獨(dú) 占窗的傳輸時(shí)間 這樣不僅可以提高獨(dú)占窗消息傳輸?shù)目偩€利用率 同時(shí)也提高了仲裁 窗口消息傳輸實(shí)時(shí)性能 t t c a n 協(xié)議通過(guò)提供了潛在時(shí)間主節(jié)點(diǎn)為全局時(shí)鐘提供容錯(cuò)機(jī)制 這些潛在主節(jié) 點(diǎn)在真正主節(jié)點(diǎn)失敗的情況下變成時(shí)間主節(jié)點(diǎn) 然而與c a n 不同的是在t f c a n 總線 系統(tǒng)矩陣的獨(dú)占窗中消息傳輸時(shí) 如果有傳輸錯(cuò)誤發(fā)生時(shí) 不允許消息的重傳 這導(dǎo)致 丟失安全的關(guān)鍵的消息 在汽車(chē)駕駛中可能會(huì)危及乘客的生命 另外 t t c a n 網(wǎng)絡(luò)在 惡劣環(huán)境下誤碼率較高 傳送的可靠性下降 容錯(cuò)的研究對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)性能有很重要的意 義 7 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第 8 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第2 章t t c a n 總線協(xié)議及關(guān)鍵技術(shù) 第2 章t t c a n 總線協(xié)議及關(guān)鍵技術(shù) t t c a n 協(xié)議是標(biāo)準(zhǔn)c a n 協(xié)議的的高層協(xié)議 它們?cè)谖锢韺雍蛿?shù)據(jù)鏈路層具有相同 的原理和功能 數(shù)據(jù)鏈路層均采用總線非破壞性 逐位仲裁 機(jī)制完成通信 l 4 1 t t c a n 總線節(jié)點(diǎn)完全兼容c a n 節(jié)點(diǎn) 它們使用相同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和總線收發(fā)器 然而它們 不同的是 c a n 協(xié)議是基于事件觸發(fā)機(jī)制的通信協(xié)議 僅僅依靠總線的非破壞性 逐 位仲裁 機(jī)制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的信息交互 而t t c a n 在c a n 協(xié)議之上引入會(huì)話層 增加了時(shí)間觸發(fā)機(jī)制 在仲裁機(jī)制的基礎(chǔ)上采用了t d m a 的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)總線通信 本 章首先介紹了t t c a n 協(xié)議的底層協(xié)議 也就是c a n 總線協(xié)議 然后介紹與分析了 t t c a n 總線協(xié)議在c a n 協(xié)議基礎(chǔ)上新增加的一些關(guān)鍵技術(shù) 2 1t t c a n 總線底層協(xié)議 2 1 1c a n 總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) t t c a n 協(xié)議下通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與c a n 協(xié)議下的相同 在應(yīng)用中一般采用 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 如圖2 1 所示 1 4 該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中 傳輸線可為雙絞線 同軸電纜或光 纖 直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)到1 0 k m 速率5 k b p s 以下 通信速率最高可達(dá)i m b p s 此時(shí) 通信距離最長(zhǎng)為4 0 m 網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路 最多可達(dá)1 1 0 個(gè) 報(bào) 文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2 0 3 2 種 c a n 2 0 a 擴(kuò)展幀格式 c a n 2 o a 的報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制 圖2 1t t c a n c a n 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) f i g 2 1t o p o l o g y s t r u c t u r eo ft t c a no rc a n 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)最簡(jiǎn)單的形式 在總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中 所有的節(jié)點(diǎn)都直 接連接到同一條傳輸線上 并在傳輸線兩端配上端接器 對(duì)c a n 協(xié)議下的總線節(jié)點(diǎn)而 9 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第2 章t t c a i q 總線協(xié)議及關(guān)鍵技術(shù) 言 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的 因此c a n 總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)又可看作是多主節(jié)點(diǎn)的總線網(wǎng)絡(luò) 當(dāng)總線上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息時(shí) 電信號(hào)便會(huì)從起始點(diǎn)向傳輸?shù)膬啥税l(fā)送直到被端接器所接 收 當(dāng)電信號(hào)在傳輸線上通過(guò)時(shí) 傳輸線上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)檢查該數(shù)據(jù) 并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié) 議的規(guī)定 只接收自己所需要的報(bào)文 由于c a n 總線采用多主的工作方式 總線上任 一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向總線上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息 各節(jié)點(diǎn)通過(guò)報(bào)文濾波實(shí)現(xiàn)點(diǎn) 對(duì)點(diǎn) 一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等方式傳送接收數(shù)據(jù) c a n 總線采用了專(zhuān)用的集成電路 塊 將諸如數(shù)據(jù)的c r c 校驗(yàn) 出錯(cuò)初步處理 接收濾波等等功能都在集成電路中完成 節(jié)省了主機(jī)很多時(shí)間并且提高了可靠性 2 1 2c a n 總線的分層結(jié)構(gòu) t t c a n 協(xié)議與c a n 協(xié)議的物理層以及數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)構(gòu)相同 并且在c a n 協(xié)議的 基礎(chǔ)上增加了會(huì)話層 o s i 七層體系結(jié)構(gòu)里的最低兩層 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層其結(jié)構(gòu)如 圖2 2 所示 1 5 j 數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為 邏輯鏈路控制l l c l o g i cl i n kc o n t r 0 1 子層和媒體訪問(wèn)控制 m a c m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 子層 邏輯鏈路控制l l c 子層的主要功能是 為數(shù)據(jù)傳送 和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求提供服務(wù) 確認(rèn)l l c 子層接收的報(bào)文實(shí)際已經(jīng)被接收 并為恢復(fù)管理 和通知超載提供信息 媒體訪問(wèn)控制m a c 子層的功能主要是 傳送規(guī)則 即控制幀結(jié) 構(gòu) 執(zhí)行仲裁 錯(cuò)誤檢測(cè) 出錯(cuò)標(biāo)定和故障界定 m a c 子層還要確定為開(kāi)始一次新的 發(fā)送 總線是否開(kāi)放或者是否馬上開(kāi)始接收 m a c 子層是c a n 協(xié)議的核心 它描述由 l l c 子層接收到的報(bào)文和對(duì)l l c 子層發(fā)送的認(rèn)可報(bào)文 媒體訪問(wèn)控制子層m a c 的控制功能模型如圖2 3 所示 可劃分為完全獨(dú)立工作的 兩個(gè)部分 即發(fā)送部分和接收部分 發(fā)送部分的功能包括 1 發(fā)送數(shù)據(jù)封裝 接收l(shuí) l c 幀和接口控制信息 c r c 循環(huán)計(jì)算 通過(guò)向l l c 幀附加s o f r t r 位 保留位 c r c a c k 和e o f 構(gòu)造m a c 幀 2 發(fā)送媒體訪問(wèn)管理 確認(rèn)總線空閑后 開(kāi)始發(fā)送過(guò)程 m a c 幀串行化 插入填充位 位填充 在丟失仲裁的情況下 退出仲裁并轉(zhuǎn)入接收方式 錯(cuò)誤檢測(cè) 監(jiān)控 格式校驗(yàn) 應(yīng)答校驗(yàn) 確認(rèn)超載條件 構(gòu)造超載并開(kāi)始發(fā)送 構(gòu)造錯(cuò) 誤指示幀并開(kāi)始發(fā)送 輸出串行位流至物理層準(zhǔn)備發(fā)送 接收部分功能包括 1 接收媒體訪問(wèn)管理控制 由物理層接收串行位流 解除串 行結(jié)構(gòu)并重新構(gòu)筑幀結(jié)構(gòu) 檢測(cè)填充位 解除位填充 錯(cuò)誤檢鋇i c r c 格式校驗(yàn) 填充 規(guī)則校驗(yàn) 發(fā)送應(yīng)答 構(gòu)造錯(cuò)誤指示幀并開(kāi)始發(fā)送 確認(rèn)超載條件 構(gòu)造超載幀并開(kāi) 一10 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第2 章t t c a n 總線協(xié)議及關(guān)鍵技術(shù) 始發(fā)送 2 接收數(shù)據(jù)拆裝 從接收幀中取出m a c 特定信息 輸出l l c 幀和接口控制 信息至l l c 子層 圖2 2 c a n 的分層結(jié)構(gòu)和功能 f i g 2 2h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ea n df u n c t i o no fc a n l l c 子層 對(duì)l l c 子層的訪問(wèn) i 發(fā)送數(shù)據(jù)封裝接收數(shù)據(jù)拆分 上 十 發(fā)送媒體訪問(wèn)管理接收媒體訪問(wèn)管理 j i 對(duì)物理層訪問(wèn)接口 r 發(fā)送數(shù)據(jù)編碼接收數(shù)據(jù)解碼 物理信令 圖2 3 媒體訪問(wèn)控制功能模瓔 f i g 2 3f u c t i o nm o d e lo fm a c 物理層是將節(jié)點(diǎn)接至總線的電路實(shí)現(xiàn) 定義信號(hào)怎樣進(jìn)行發(fā)送 涉及位定時(shí) 位編 碼和同步的描述 物理層主要分為三個(gè)部分 1 物理信令p s p h y s i c a ls i g n a l i n g 實(shí)現(xiàn)與 1 1 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第2 章t t c a n 總線協(xié)議及關(guān)鍵技術(shù) 位表示 定時(shí)和同步相關(guān)的功能 2 物理媒體附屬裝置p m a p h y s i c a lm e d i u m a t t a c h m e n t 實(shí)現(xiàn)總線發(fā)送 接收的功能電路并可提供總線故障檢測(cè)方法 3 媒體相關(guān)接 口m d i m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e 實(shí)現(xiàn)物理媒體和媒體訪問(wèn)單元m a u m e d i u ma c c e s s u n i o 之間機(jī)械和電氣接口 2 1 3c a n 總線的報(bào)文格式 c a n 總線上節(jié)點(diǎn)問(wèn)的數(shù)據(jù)均按照?qǐng)?bào)文的格式進(jìn)行傳輸 報(bào)文中包含了與報(bào)文一一 對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)符i d 它反映了消息特征 也標(biāo)志了報(bào)文的優(yōu)先級(jí) c a n 總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn) 都可以主動(dòng)發(fā)送報(bào)文 如果同時(shí)有兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送報(bào)文 采用標(biāo)識(shí)符i d 進(jìn)行 仲裁 具有高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文贏得總線使用權(quán) 而其它節(jié)點(diǎn)自動(dòng)停止發(fā)送 當(dāng)總線再次空 閑后 這些節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)重新發(fā)送原報(bào)文 總線再次進(jìn)行仲裁 c a n 總線網(wǎng)絡(luò)中 報(bào)文 傳送不使用有關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任何信息 如節(jié)點(diǎn)地址等 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)文標(biāo)識(shí) 符i d 對(duì)報(bào)文進(jìn)行過(guò)濾 自動(dòng)判斷并決定是否接收該報(bào)文 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有接收碼寄存器 和屏蔽寄存器 接收到的報(bào)文的標(biāo)識(shí)符i d 只有與該節(jié)點(diǎn)的接收碼寄存器內(nèi)容經(jīng)屏蔽寄 存器屏蔽后的數(shù)據(jù)相同 該節(jié)點(diǎn)才開(kāi)始j 下式接收?qǐng)?bào)文 否則它將不理睬標(biāo)識(shí)符i d 后面 的報(bào)文 這使c a n 總線系統(tǒng)非常靈活 可任意擴(kuò)展或改變節(jié)點(diǎn)組成情況 c a n 采用事件觸發(fā)方式發(fā)送和接收消息 它屬于封裝在芯片內(nèi)的協(xié)議 基于以下 幾條基本規(guī)則進(jìn)行通信協(xié)調(diào) 總線訪問(wèn)和仲裁 編碼和解碼 出錯(cuò)標(biāo)注和超載標(biāo)注 c a n 通信協(xié)議規(guī)定了4 種不同的幀格式 數(shù)據(jù)幀 d a t af r a m e 遠(yuǎn)程幀 r e m o t ef r a m e 出錯(cuò) 幀 e r r o rf r a m e 和超載幀 o v e r l o a df r a m e 數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器至接收器 遠(yuǎn)程幀 通過(guò)總線節(jié)點(diǎn)發(fā)送 以請(qǐng)求源節(jié)點(diǎn)發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀 出錯(cuò)幀由檢測(cè)出總線 錯(cuò)誤的任何單元發(fā)送 超載幀用于提供當(dāng)前和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀的附加延遲 數(shù)據(jù)幀及遠(yuǎn)程 幀與其前面一幀信息 數(shù)據(jù)幀 遠(yuǎn)程幀 出錯(cuò)幀或超載幀 之間均以幀間空間分隔 而超 載幀和出錯(cuò)幀前面不存在幀間空間 并且多個(gè)超載幀前面也不用幀間空間分割 幀間空 間由間歇場(chǎng)和總線空閑場(chǎng)組成 在實(shí)際通信中 遠(yuǎn)程幀 出錯(cuò)幀以及超載幀都是為 數(shù) 據(jù)幀 服務(wù)的 作為數(shù)據(jù)接收器的節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)發(fā)送一個(gè) 遠(yuǎn)程幀 啟動(dòng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送需 要的數(shù)據(jù) 遠(yuǎn)程幀結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)幀相似 但不包括數(shù)據(jù)場(chǎng) 當(dāng)某節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到與c a n 協(xié)議 不相符的錯(cuò)誤時(shí) 該節(jié)點(diǎn)就向總線上發(fā)送 出錯(cuò)幀 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要更長(zhǎng)的時(shí)問(wèn)用于 處理所接收到的消息時(shí) 該節(jié)點(diǎn)就會(huì)向總線上發(fā)送 超載幀 根據(jù)c a n 技術(shù)規(guī)范2 0 a 和2 0 b 以及c a n 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)i s o l l 8 9 8 遵循c a n 2 0 a 協(xié) 12 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章t t c a n 總線協(xié)議及關(guān)鍵技術(shù) 議的c a n 控制器只能發(fā)送和接收l(shuí) l 位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文 而遵循c a n 2 0 b 協(xié)議的c a n 控制器可以發(fā)送和接收l(shuí)1 位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文或2 9 位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展格式報(bào)文 兩種標(biāo) 識(shí)符對(duì)應(yīng)的仲裁場(chǎng)格式不同 標(biāo)準(zhǔn)幀的仲裁場(chǎng)由1 1 位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位r t r 組 成 擴(kuò)展幀的仲裁場(chǎng)由2 9 位標(biāo)識(shí)符和替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求s r r 位 標(biāo)志位和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位 r t r 組成 擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀的前1 1 位標(biāo)識(shí)符的最后兩位為s r r 和i d e 它們均為隱性 位 這使他們的優(yōu)先級(jí)低于具有相同1 1 位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀 按照數(shù)據(jù)幀中 每5 位就進(jìn)行一次位填充的原則 可得到最糟糕情況下的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度計(jì)算公式 其中標(biāo) 準(zhǔn)格式下的數(shù)據(jù)幀所占用的總線位數(shù)如公式 2 1 所示 擴(kuò)展格式下的數(shù)據(jù)幀所占用的 總線位數(shù)如公式 2 2 所示 其中 f r a m e l e n g t h 表示消息的位數(shù) 品表示消息幀數(shù)據(jù)場(chǎng) 中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù) j 旁a m e l e n g t h 摯 4 7 8 氏歸 億 f r a m e l e n g t h i 學(xué) 6 7 8 s m 歸 億2 標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2 4 所示 c a n 協(xié)議數(shù)據(jù)幀由7 個(gè)不同的位場(chǎng)組成 即幀起始 仲裁場(chǎng) 控制場(chǎng) 數(shù)據(jù)場(chǎng) 校驗(yàn)場(chǎng) 應(yīng)答場(chǎng)和幀結(jié)束 1 幀起始 s o f s o f 標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的開(kāi)始 它僅由一個(gè)顯性位構(gòu)成 只有 在總線處于空閑狀態(tài)時(shí) 才允許節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送 所有節(jié)點(diǎn)都必須同步于首先開(kāi)