李龍彪

摘 要：嵌入式通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)已有幾十年的發(fā)展，應(yīng)用的范圍涵蓋了電器、汽車、航空器等各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)前嵌入式通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)融入了微電子技術(shù)、電氣自動(dòng)化等技術(shù)，出現(xiàn)了許多新亮點(diǎn)：多核處理器助力嵌入式通信系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的任務(wù)處理能力增強(qiáng)、處理器節(jié)點(diǎn)之間的通信數(shù)據(jù)傳遞更迅速、嵌入式通信系統(tǒng)越來(lái)越安全等等。與此同時(shí)，這些新的特點(diǎn)亦是對(duì)于嵌入式通信系統(tǒng)提出的挑戰(zhàn)。本文從梳理嵌入式通信系統(tǒng)的通信原理入手，針對(duì)系統(tǒng)任務(wù)間通信機(jī)制和通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題，開(kāi)展了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

關(guān)鍵詞：嵌入式；通信系統(tǒng)；工作原理；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

一、嵌入式通信系統(tǒng)概述

1.嵌入式通信系統(tǒng)特征

為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和時(shí)代進(jìn)步，通信系統(tǒng)制造商需要制造出功能更加齊全、性能更加強(qiáng)大的通信產(chǎn)品來(lái)迎合市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)。嵌入式通信系統(tǒng)需要滿足更多的功能和更多樣的性能要求。嵌入式通信系統(tǒng)由于特定的應(yīng)用場(chǎng)景、特殊的應(yīng)用目的，其與一般的系統(tǒng)相比，具備特有的屬性：一是響應(yīng)時(shí)間受限性，通信系統(tǒng)的任務(wù)具有時(shí)限屬性，當(dāng)任務(wù)開(kāi)始后，要在一個(gè)特定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完畢。二是可靠性，通信系統(tǒng)對(duì)可靠性有嚴(yán)格要求，特別是汽車、航空器等控制系統(tǒng)，通信系統(tǒng)的執(zhí)行情況和執(zhí)行結(jié)果對(duì)生命、財(cái)產(chǎn)、國(guó)防安全有重大的影響，一個(gè)微小的故障就可能造成嚴(yán)重的后果；三是約束的復(fù)雜性，約束分為時(shí)間約束和資源約束，前者指每個(gè)任務(wù)都需滿足時(shí)限約束，后者指當(dāng)多個(gè)任務(wù)共享同一的資源時(shí)，按照一定的資源訪問(wèn)控制協(xié)議進(jìn)行，防止死鎖，避免高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被低級(jí)任務(wù)阻塞；四是多任務(wù)類型，嵌入式通信系統(tǒng)需要處理不同類型的任務(wù)，如周期式任務(wù)、偶發(fā)式任務(wù)、非周期式任務(wù)和非實(shí)時(shí)式任務(wù)。

2.嵌入式通信系統(tǒng)工作原理

嵌入式通信系統(tǒng)運(yùn)行中，在不同任務(wù)之間需要進(jìn)行通信，其是通過(guò)讀寫、共享變量實(shí)現(xiàn)的。必須保證共享變量的數(shù)據(jù)的一致性，才能保證嵌入式通信系統(tǒng)正常工作。嵌入式通信系統(tǒng)通常采用原子鎖的機(jī)制來(lái)確保共享變量訪問(wèn)一致性，在任務(wù)訪問(wèn)共享變量之前對(duì)其鎖定，在訪問(wèn)結(jié)束后解鎖。如果鎖定或者解鎖失敗，則不能訪問(wèn)系統(tǒng)共享變量。由此任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)訪問(wèn)系統(tǒng)共享變量時(shí)，訪問(wèn)相同共享位置變量的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)會(huì)被拒絕，從而落實(shí)嵌入式通信系統(tǒng)運(yùn)算規(guī)則。嵌入式通信系統(tǒng)需要同時(shí)保證對(duì)共享資源的互斥訪問(wèn)與任務(wù)的可調(diào)度性。

3.嵌入式通信系統(tǒng)調(diào)度原理

為了精確調(diào)度嵌入式通信系統(tǒng)的資源，達(dá)到實(shí)時(shí)、可預(yù)測(cè)的特定要求，在嵌入式通信系統(tǒng)部署之前，需要用調(diào)度理論對(duì)目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行可調(diào)度性分析，再進(jìn)行調(diào)度方案搜索。嵌入式通信系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度技術(shù)分為嵌入式通信系統(tǒng)可調(diào)度性分析方法和嵌入式通信系統(tǒng)調(diào)度策略。嵌入式通信系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度技術(shù)研究包括任務(wù)共享系統(tǒng)資源的策略、機(jī)制，并提供判斷嵌入式通信系統(tǒng)任務(wù)可否調(diào)度。嵌入式通信系統(tǒng)經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的歷程。嵌入式通信系統(tǒng)的特定應(yīng)用需求要求通信系統(tǒng)設(shè)備小型化、集成度高，緊密與網(wǎng)絡(luò)契合，具備移動(dòng)能力。并進(jìn)一步要求嵌入式通信系統(tǒng)的嵌入式CPU體積小、低功耗，能夠?qū)⑼ㄓ肅PU中由板卡完成的目標(biāo)任務(wù)集成在芯片內(nèi)部。嵌入式通信系統(tǒng)的CPU要求硬件和軟件有較高的效率，去除冗余，在同樣的條件下達(dá)到更高的性能。毋庸置疑，嵌入式通信系統(tǒng)是一項(xiàng)技術(shù)密集、資金密集、研發(fā)密集、不斷創(chuàng)新的高新知識(shí)集成系統(tǒng)。

二、嵌入式通信系統(tǒng)存在的可擴(kuò)展性問(wèn)題

1.嵌入式通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)容量不足

舉一個(gè)常見(jiàn)的嵌入式通信系統(tǒng)的例子，該系統(tǒng)包含4個(gè)ECU和8個(gè)消息，嵌入式通信系統(tǒng)的通信周期為1，每個(gè)消息的周期亦為1，嵌入式通信系統(tǒng)系統(tǒng)的每個(gè)通信周期都包含8個(gè)時(shí)間槽。所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)單個(gè)嵌入式通信系統(tǒng)總線連接，各個(gè)ECU節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)通信情況正常，消息在嵌入式通信系統(tǒng)總線靜態(tài)段上調(diào)度。稍作分析可知，消息M1、M2、M3……M8剛好會(huì)占滿嵌入式通信系統(tǒng)系統(tǒng)靜態(tài)段的全部時(shí)間槽，導(dǎo)致嵌入式通信系統(tǒng)資源占用率已達(dá)飽和狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)容量不足，無(wú)暇處理其他信息。

2.嵌入式通信系統(tǒng)分支負(fù)載不均衡

當(dāng)嵌入式通信系統(tǒng)的靜態(tài)段時(shí)間槽全部占用，而嵌入式通信系統(tǒng)系統(tǒng)的靜態(tài)段時(shí)間槽占有率僅為50%，屬于嚴(yán)重的負(fù)載不均。嵌入式通信系統(tǒng)負(fù)載不均會(huì)導(dǎo)致嵌入式通信系統(tǒng)不能容納新消息傳輸，限制通信系統(tǒng)升級(jí)，進(jìn)而造成嵌入式通信系統(tǒng)系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行擴(kuò)展。這一問(wèn)題產(chǎn)生的根源在于嵌入式通信系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，其消息調(diào)度未將負(fù)載均衡作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，亦無(wú)其它相關(guān)工作考慮了嵌入式通信系統(tǒng)負(fù)載均衡。

三、嵌入式通信系統(tǒng)優(yōu)化

1.嵌入式通信系統(tǒng)消息緩存交換結(jié)構(gòu)優(yōu)化

使用嵌入式通信系統(tǒng)交換機(jī)代替原有的設(shè)備，嵌入式通信系統(tǒng)交換機(jī)只負(fù)責(zé)把消息轉(zhuǎn)發(fā)給需要該消息的分支，允許多個(gè)分支上的ECU 節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送消息，進(jìn)而提高嵌入式通信系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬。嵌入式通信系統(tǒng)的交換機(jī)采用電路交換模式，交換機(jī)與嵌入式通信系統(tǒng)的總線保持同步。配置嵌入式通信系統(tǒng)交換機(jī)中不同輸入端口、輸出端口的連接方式，進(jìn)而確定消息轉(zhuǎn)發(fā)路徑。嵌入式通信系統(tǒng)的每個(gè)時(shí)間槽都含有一個(gè)報(bào)文，在每個(gè)時(shí)間槽上都要對(duì)嵌入式通信系統(tǒng)的交換機(jī)的連接進(jìn)行重新配置。將此方式改進(jìn)為無(wú)緩沖、無(wú)延遲的嵌入式通信系統(tǒng) 交換機(jī)，有助于嵌入式通信系統(tǒng)的交換結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.嵌入式通信系統(tǒng)HSRN負(fù)載均衡優(yōu)化

對(duì)嵌入式通信系統(tǒng)HSRN各分支進(jìn)行負(fù)載均衡優(yōu)化設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展的通信網(wǎng)絡(luò)利用優(yōu)化后的交換機(jī)將嵌入式通信系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)分割。在各分支之間的負(fù)載均衡性極大的情況下，將提升嵌入式通信系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。負(fù)載均衡設(shè)計(jì)之后具有明顯的優(yōu)勢(shì)：在電子系統(tǒng)中，軟件升級(jí)會(huì)導(dǎo)致嵌入式通信系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)量的增加，而負(fù)載均衡設(shè)計(jì)可以為每個(gè)分支都預(yù)留較大的擴(kuò)展量，從而方便的完成系統(tǒng)的升級(jí)和擴(kuò)展。嵌入式通信系統(tǒng)HSRN結(jié)構(gòu)本身引入了消息可緩存的系統(tǒng)交換機(jī)，有效隔離了廣播域，提高了嵌入式通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量。在嵌入式通信系統(tǒng)交換機(jī)中設(shè)置的消息緩存隊(duì)列，能夠放松對(duì)跨分支消息的同步傳輸約束，進(jìn)而提高嵌入式通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)的消息可調(diào)度性，使得嵌入式通信系統(tǒng)可容納更多消息，提高了嵌入式通信系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率。

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