CAN調度理論與實(shí)踐分析

CAN調度理論與實(shí)踐分析

CAN總線(xiàn)中消息能否按時(shí)送達是事關(guān)系統安全等問(wèn)題的重要指標，它要通過(guò)調度分析加以驗證。本文介紹CAN調度理論的新研究成果，以及對工程應用的指導意義及其實(shí)施難點(diǎn)。具體分為4個(gè)部分：Tindell的分析方法和Davis的改進(jìn)；筆者對Davis算法的簡(jiǎn)化；最壞響應時(shí)間分析在應用上的一些結果；調度分析在應用上的難處。

關(guān)鍵詞 CAN 調度理論 響應時(shí)間 Davis算法 Tindell算法

　　分布式嵌入式系統是當前嵌入式系統的重要發(fā)展方向，因為它能提供更強的性能，節約系統的總體成本。但是由于各單個(gè)節點(diǎn)必須有通信網(wǎng)絡(luò )相連才能協(xié)調地工作，網(wǎng)絡(luò )就成了關(guān)鍵部分，沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )提供及時(shí)正確的數據和命令，就談不上所設計的系統服務(wù)了。在汽車(chē)的分布式嵌入式系統中，目前主流的通信網(wǎng)絡(luò )是CAN總線(xiàn)。CAN是事件觸發(fā)的通信協(xié)議，它根據消息的優(yōu)先等級和節點(diǎn)的狀態(tài)自動(dòng)地調度消息的傳送。低優(yōu)先級的消息會(huì )因同時(shí)發(fā)生的高優(yōu)先級消息太多而不能及時(shí)發(fā)送，高優(yōu)先級消息也有可能由于節點(diǎn)狀態(tài)等的影響而丟失。關(guān)于CAN的局限問(wèn)題可見(jiàn)參考文獻[1]。本文主要從調度理論方面討論CAN系統的問(wèn)題，這些問(wèn)題與工程應用有非常大的關(guān)系，實(shí)踐意義很強。

1 Tindell的分析方法和Davis的改進(jìn)

　　1994年，Tindell [23]首先將分析單處理器任務(wù)調度方法改造成適用于CAN總線(xiàn)的調度方法，求取消息的最壞響應時(shí)間。對于與安全相關(guān)的應用，只有對最壞響應時(shí)間有確切的掌握，才是合理的。CAN通信在網(wǎng)絡(luò )上的實(shí)現經(jīng)過(guò)2個(gè)階段：通信任務(wù)將消息發(fā)到發(fā)送的通信控制器(CC)，發(fā)送的通信控制器將消息發(fā)到接收的通信控制器。廣義地講，響應時(shí)間是從需產(chǎn)生通信的事件發(fā)生到消息到達目標節點(diǎn)的時(shí)間，包括發(fā)送節點(diǎn)host內的處理時(shí)間，host到CC的時(shí)間，總線(xiàn)上消息仲裁傳送時(shí)間，接收CC到host的處理時(shí)間。仲裁獲勝的消息開(kāi)始傳送后，便不能被中止，所以CAN調度是固定優(yōu)先級非搶先式任務(wù)調度。消息m用到的參數定義如下:

　　Tm ——啟動(dòng)通信的事件間隔，即周期；
　　Jm——由事件發(fā)生到消息開(kāi)始送CC的時(shí)間之最大變化，即抖動(dòng)；
　　Cm—— 在總線(xiàn)上傳送消息m所需時(shí)間（要考慮位填充形成的最大值）；
　　Dm——由應用決定的傳送消息m允許的時(shí)限；
　　Rm——實(shí)際的最壞傳送時(shí)間；
　　Wm——傳送消息m時(shí)最壞等待時(shí)間。

　　它們之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 用于調度分析的時(shí)間參數

　　Wm由2部分構成：由低于優(yōu)先級m的消息（其集合寫(xiě)為lp(m)）正在總線(xiàn)上傳送而造成的阻塞Bm，和由高于優(yōu)先級m的消息（其集合寫(xiě)為hp(m)）在總線(xiàn)上搶先傳送而造成的干擾Im。它們取最大值時(shí)就使Wm成為最壞等待時(shí)間。

　　為了印刷的方便和易于理解，這里用了不同的寫(xiě)法，其中頂函數Ceiling返回的是最接近（大于等于）變量的上限整數, τ是1位時(shí)間。Ceiling( (Wm+Jk+τ)/Tk)表示在Wm時(shí)段內高優(yōu)先級消息k會(huì )出現的最多次數。于是有：

　　Wm取離散值且出現在非線(xiàn)性方程(4)的兩邊，所幸的是其求解并不難。在式(5)