石志國　張鳳登

摘 要：為解決FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中常見的死鎖問題，采用優(yōu)先級置頂算法進行多任務(wù)動態(tài)調(diào)度。首先，分析FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多任務(wù)動態(tài)調(diào)度過程中的死鎖問題;然后深入研究優(yōu)先級置頂算法防止死鎖問題的原理;最后搭建雙通道多冗余的FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，進行重要系統(tǒng)參數(shù)配置。運行結(jié)果表明，未使用優(yōu)先級置頂算法的FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)了死鎖現(xiàn)象，使用優(yōu)先級置頂算法進行動態(tài)任務(wù)調(diào)度之后，系統(tǒng)可正常運行，證明了算法有效性。

關(guān)鍵詞：優(yōu)先級置頂算法;死鎖;FlexRay;線控轉(zhuǎn)向;任務(wù)調(diào)度

DOI：10. 11907/rjdk. 192640

中圖分類號：TP319 ? 文獻標識碼：A??????????????? 文章編號：1672-7800（2020）003-0145-05

Application Research of Priority Ceiling Algorithm

in FlexRay Steer-by-wire System

SHI Zhi-guo， ZHANG Feng-deng

（School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology，

Shanghai 200093， China）

Abstract： In order to solve the common deadlock problem in FlexRay Steer-by-wire System， this paper adopts the priority ceiling algorithm for multi-task dynamic scheduling. Firstly， the deadlock problem in the multi-task dynamic scheduling process of FlexRay steer-by-wire system is analyzed. Then， the principle of the priority ceiling algorithm to prevent the deadlock problem is studied in depth. Finally， a dual-channel and multi-redundant FlexRay steer-by-wire system is built， and the important parameters of the system were configured. The running results show that the FlexRay steer-by-wire system without the priority ceiling algorithm has a deadlock phenomenon and the system can run normally after the priority ceiling algorithm is used， which proves the effectiveness of the proposed algorithm.

Key Words： priority ceiling algorithm; deadlock; FlexRay; steer-by-wire; task scheduling

0 引言

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，軟件結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，但系統(tǒng)資源有限，在多任務(wù)系統(tǒng)下往往出現(xiàn)進程受阻現(xiàn)象。具體指在調(diào)度系統(tǒng)時，若調(diào)度器在運行中作出調(diào)度決策，即從多個處于“就緒”狀態(tài)的任務(wù)里選擇一個任務(wù)，則調(diào)度器是動態(tài)的（在線的）[1]。在動態(tài)調(diào)度策略中，大部分或全部調(diào)度決策在系統(tǒng)運行時，由任務(wù)調(diào)度器執(zhí)行某種調(diào)度算法[2]。通常，并行任務(wù)為了合作實現(xiàn)系統(tǒng)整體目標，需交換信息、訪問公共數(shù)據(jù)資源。假如任務(wù)組由周期性任務(wù)組成，采用信號量保護公共資源，所有任務(wù)必須獨占公共資源。為了協(xié)調(diào)該類任務(wù)對共享資源的訪問，需進行任務(wù)同步，但在實現(xiàn)任務(wù)同步的過程中通常會遭遇死鎖問題。

國內(nèi)外研究者針對該問題提出了多種算法進行改進。文獻[3-4]圍繞多任務(wù)動態(tài)調(diào)度問題，提出復(fù)雜多任務(wù)實時系統(tǒng)單處理器或多處理器調(diào)度算法;文獻[5]研究了基于離散并行系統(tǒng)的資源分配系統(tǒng)的死鎖問題，提出了3種解決方案：死鎖檢測與恢復(fù)、死鎖避免和死鎖預(yù)防。死鎖檢測與恢復(fù)策略允許系統(tǒng)出現(xiàn)死鎖，一旦檢測到系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，通過重新配置資源，使系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。死鎖避免策略使用一種在線的資源分配機制，使系統(tǒng)不能進入死鎖狀態(tài)。死鎖預(yù)防策略通過離線計算，事先建立一種策略控制資源請求，從而保證系統(tǒng)不會進入死鎖狀態(tài);文獻[6]中提出一種可在FlexRay動態(tài)段中實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度的遞歸資格調(diào)度算法;文獻[7]提出一種考慮了系統(tǒng)公平性的優(yōu)先級置頂算法，定性研究了在保證一定公平性的前提下，運用優(yōu)先級置頂算法的方法。

FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種新型分布式實時系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中該系統(tǒng)實時性和可靠性面臨嚴格要求。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了4個發(fā)展階段：機械式轉(zhuǎn)向（Manual Steering，MS）、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，HPS）、電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electronic Hydraulic Power Steering，EHPS）和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electronic Power Steering，EPS）[8]。因系統(tǒng)沒有擺脫占據(jù)空間較大的機械連接，系統(tǒng)自由設(shè)計度有限，汽車舒適、穩(wěn)定、便捷性能有待進一步提高。針對這些問題，航空Fly-by-wire技術(shù)被引入汽車生產(chǎn)中，由此衍生了線控轉(zhuǎn)向技術(shù)（Steer-by-wire）[9]，并吸引了眾多汽車廠商與研究機構(gòu)進行開發(fā)研究。奔馳（Mercedes-Benz）公司早在1990年著手研發(fā)前輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于概念車F400Carving上[10];通用（GM）汽車在2002年9月的巴黎車展上展示了HY-Wire概念車，該車也使用了線控（X-By-Wire）技術(shù)[11];同濟大學(xué)在2004年自主研發(fā)了“三駕馬車”之一的“春暉三號”汽車，它屬于線控轉(zhuǎn)向四輪驅(qū)動的微型概念車[12];江蘇大學(xué)提出了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)前輪轉(zhuǎn)向模塊的動力學(xué)方程與基于分數(shù)階微積分理論的PID控制器[13]，用Matlab/SIMULINK工具進行模型仿真驗證和分析，證實控制器在頻域范圍具有很好的魯棒性;武漢理工大學(xué)與東風(fēng)汽車技術(shù)中心合作提出了兩種線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)車輛前輪轉(zhuǎn)角控制算法[14];吉林大學(xué)基于最優(yōu)濾波理論自適應(yīng)漸消Kalman濾波技術(shù)的狀態(tài)估計器，提出了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳感器容錯控制方法，并在硬件上進行了驗證，同時基于假設(shè)檢驗的雙自適應(yīng)漸消Kalman濾波技術(shù)，在系統(tǒng)傳感器故障診斷方面進行了研究。

優(yōu)先級置頂算法是一種能有效解決死鎖問題的動態(tài)調(diào)度算法，有助于提升線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)資源調(diào)配穩(wěn)定性，現(xiàn)有方法暫未從該角度進行研究。因此本文通過搭建真實FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，深入研究死鎖問題原理與優(yōu)先級置頂算法可調(diào)度性。

1 FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的死鎖問題

在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，主體是系統(tǒng)中的每一個任務(wù)，死鎖由阻塞引起，當(dāng)兩個任務(wù)同時等待被對方鎖定的資源（如信號量）時，則兩個任務(wù)可能均被阻塞，導(dǎo)致死鎖問題。圖1是一個死鎖問題實例。圖1中任務(wù)[τ2]優(yōu)先級高于任務(wù)[τ1]，信號量S1和信號量S2被用于保護不同的共享資源，死鎖問題產(chǎn)生過程為：①[τ2]正在運行，而[τ1]處于就緒狀態(tài)，[τ2]鎖定了S1;②稍后，[τ2]為了等待事件E的發(fā)生，自行轉(zhuǎn)入等待狀態(tài);③此時，[τ1]得以運行，并在運行中鎖定了信號量S2;④接著事件E發(fā)生，由于[τ2]的優(yōu)先級高于[τ1]，[τ2]搶占[τ1]，再次開始運行;⑤現(xiàn)在，假如[τ2]要鎖定信號量S2，必然失敗，因為S2已經(jīng)被[τ1]鎖定;⑥因此，[τ2]又進入了等待狀態(tài)，直到S2被釋放，任務(wù)[τ1]恢復(fù)運行;⑦接下來，任務(wù)[τ1]試圖鎖定信號量S1失敗，因為S1已經(jīng)被[τ2]鎖定;⑧這時，[τ1]也進入等待狀態(tài)，直到S1被釋放，出現(xiàn)死鎖。

在圖1中，兩個任務(wù)都需對方釋放一個信號量，均停留在等待狀態(tài)，即產(chǎn)生死鎖。假如沒有外力作用，則死鎖涉及到的每個任務(wù)將一直處于等待狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)停滯，嚴重影響系統(tǒng)實時性，甚至可能引發(fā)重大事故。

2 優(yōu)先級置頂算法

優(yōu)先級置頂算法也稱簡單優(yōu)先級置頂算法，優(yōu)先級置頂指任務(wù)控制訪問臨界資源時，優(yōu)先級被置為相應(yīng)信號量的置頂優(yōu)先級。該算法主要內(nèi)容包括：

（1）對于控制臨界區(qū)的信號量，將可能申請該信號量所有任務(wù)中具有最高優(yōu)先級的任務(wù)設(shè)置為信號量置頂優(yōu)先級。

（2）假如任務(wù)成功申請到信號量，任務(wù)優(yōu)先級將被提升為信號量置頂優(yōu)先級;當(dāng)臨界區(qū)任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后，將信號量釋放后，其優(yōu)先級將重新恢復(fù)到任務(wù)最初的優(yōu)先級。

（3）假如任務(wù)不能得到申請的信號量，任務(wù)將會被阻塞[17]。

舉例說明優(yōu)先級置頂算法（見圖2），總共包括[τ1]-[τ5]5個任務(wù)，優(yōu)先級從[τ1]到[τ5]依次升高。[τ1]和[τ4]共享資源R，保護該資源的信號量為S。其中，任務(wù)掛起指任務(wù)還未被初始化或任務(wù)已執(zhí)行完成;任務(wù)就緒指任務(wù)正在等待獲得共享資源;任務(wù)運行指任務(wù)已獲得想要的資源，包含的代碼正在被執(zhí)行。

系統(tǒng)運行過程為：①[τ1]正在運行，[τ2]、[τ3]、[τ4]和[τ5]掛起;②[τ1]請求資源R，此時該資源可用， T1鎖定信號量S。[τ1]的優(yōu)先級提升到資源R的置頂優(yōu)先級。在運行過程中，[τ1]的優(yōu)先級高于[τ2]、[τ3]、[τ4]，但低于[τ5];③[τ2]、[τ3]、[τ4]進入就緒狀態(tài)，但不能運行，因為它們的優(yōu)先級低于提升后的[τ1];④在[τ1]以其提升后的優(yōu)先級運行期間，[τ5]被激活。由于[τ5]的優(yōu)先級高于資源R的置頂優(yōu)先級，[τ5]搶占[τ1]，并運行至結(jié)束。然后，[τ1]恢復(fù)運行，且仍處于提升后的優(yōu)先級;⑤[τ1]解除信號量S的鎖定，釋放資源R，[τ1]的優(yōu)先級返回其基本優(yōu)先級;⑥此時，在處于就緒狀態(tài)的任務(wù)中，[τ4]的優(yōu)先級最高，[τ4]請求資源R，并鎖定信號量S，[τ4]的優(yōu)先級提升到資源R的置頂優(yōu)先級，搶占[τ1]并開始運行;⑦[τ4]運行一段時間后，[τ4]釋放資源R，并返回到它的基本優(yōu)先級，直至運行結(jié)束;⑧接下來，[τ3]和[τ2]是優(yōu)先級最高的任務(wù)，它們順次獲得運行權(quán);⑨最后，[τ1]恢復(fù)運行。

在上述實例中，[τ1]獲得臨界資源后，其優(yōu)先級被抬升到資源置頂優(yōu)先級，這樣可有效避免死鎖，使系統(tǒng)多個任務(wù)均可被正常執(zhí)行。為進一步研究優(yōu)先級置頂算法對FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多任務(wù)調(diào)度的影響，本文構(gòu)建真實的FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

3 FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)建

在汽車駕駛過程中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是保證車輪按照駕駛員意向正常轉(zhuǎn)向的重要部件。作為駕駛員和車輛的媒介，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能好壞直接影響到駕駛路感、舒適性和穩(wěn)定性[18-19]。線控轉(zhuǎn)向技術(shù)（Steer-by-wire）與傳統(tǒng)液壓助力系統(tǒng)、電控助力系統(tǒng)相比，減少了液壓和機械連接裝置及軸承等金屬裝置，減輕了系統(tǒng)整體重量，降低了系統(tǒng)裝配復(fù)雜性與生產(chǎn)成本。FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以實現(xiàn)硬件和軟件冗余，而且電控單元可采用分布式控制，大幅提高系統(tǒng)可靠性、安全性和舒適性。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

為保證系統(tǒng)實時性和可靠性，同時滿足經(jīng)濟實用性要求，該系統(tǒng)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容錯架構(gòu)設(shè)計如圖3所示，包括電子控制單元（微控制器），即Hand Wheel ECU1（方向盤ECU1）、Hand Wheel ECU2（方向盤ECU2）、Front axle actuator ECU1（前軸ECU1）、Front axle actuator ECU2（前軸ECU2）。每個ECU之間通過支持TDMA媒體訪問和雙通道通信的FlexRay總線連接。3個轉(zhuǎn)角傳感器分布在轉(zhuǎn)向軸上，測量方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。另外3個前軸傳感器用來測量前軸轉(zhuǎn)動位置。兩個路感電機（HW Motor1、HW Motor2）根據(jù)轉(zhuǎn)向電機（FAA Motor1、FAA Motor2）反饋控制模擬路感。轉(zhuǎn)角傳感器分別與HW ECU1、HW ECU2點對點連接，同樣前軸傳感器分別與FAA ECU1、FAA ECU2點對點連接。

系統(tǒng)融入全面冗余的概念，設(shè)計了ECU冗余、電機冗余、總線傳輸通道冗余、傳感器冗余及電源冗余。HW ECU1/ECU2和FAA ECU1/ECU2實現(xiàn)了ECU冗余，且具有故障靜默的屬性，實現(xiàn)了雙模冗余。雙電機實現(xiàn)了電機冗余，可有效應(yīng)對單個電機失效的狀況。雙通道的使用保證了FlexRay總線通道冗余。每個通道速度均達到10Mbps，使用雙通道，總速度可達到20Mbps，保證數(shù)據(jù)傳輸實時性。雙電源的使用保障了電源冗余。隨著汽車用電設(shè)備的增加，傳統(tǒng)12V電源已不足用。如果采用42V電源系統(tǒng)，對于相同功率提高電壓值、減小電流值，可減小電能損耗，減少線束線芯，降低成本及負載電流并提高電子元件集成度等[20]。3個傳感器實現(xiàn)了傳感器三模冗余。傳感器是數(shù)據(jù)來源，對于整個系統(tǒng)安全運行起著至關(guān)重要的作用，故采用安全性可靠度較高的三模冗余方法。Lamport研究表明，為容忍n個拜占庭錯誤，至少需要3n+1個冗余單元[21]。例如：容忍1個單元的拜占庭失效，至少需要4個單元。對應(yīng)的解決辦法是四模冗余，但是硬件開銷成本很大。根據(jù)定理，如果至多有m個叛徒，SM（m）算法可解決m個叛徒的拜占庭問題。故若提供一種表決簽名算法，3個傳感器可克服1個拜占庭錯誤或隨后的1個連續(xù)錯誤或1個故障靜默錯誤。ECU具有相同算法和傳感器測量數(shù)據(jù)，并且把這些數(shù)據(jù)在冗余通道及不同的FlexRay幀時隙傳輸，從而實現(xiàn)全面冗余，保障系統(tǒng)可靠性。從冗余性和多樣性來看，該架構(gòu)設(shè)計受系統(tǒng)可靠度、制造成本及元件尺寸限制。但是，從經(jīng)濟性角度看，若系統(tǒng)滿足可靠性關(guān)鍵要求，方向盤控制和前軸轉(zhuǎn)向控制功能均使用2個ECU的方案是最優(yōu)的。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由傳感器、ECU、電機組成。方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)采集來源于轉(zhuǎn)角傳感器，經(jīng)過方向盤ECU處理，再通過總線進行傳輸?shù)角拜SECU，前軸ECU根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)向電機進行控制;反之，可對路感電機進行控制。因此，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)每個節(jié)點應(yīng)由電源輸入模塊、MC9S12XF512單片機、A/D轉(zhuǎn)換電路、PWM輸出電路、通信收發(fā)器等組成，可實現(xiàn)：①利用傳感器信號進行采樣;②輸出PWM控制相應(yīng)電機運轉(zhuǎn);③FlexRay網(wǎng)絡(luò)通信;④CAN總線通信。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

3.2 FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與任務(wù)配置

本文分布式線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用FlexRay網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置如表1所示。

FlexRay網(wǎng)絡(luò)使用最高的傳輸速率10Mbit/s，報文在A、B雙通道同時傳輸，單個周期設(shè)為5ms。方向盤節(jié)點FAA ECU1和FAA ECU2分別在靜態(tài)時隙1、2中發(fā)送方向盤轉(zhuǎn)角消息，并在每個周期進行發(fā)送，周期為5ms。

FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的每個節(jié)點均有任務(wù)， FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)任務(wù)參數(shù)如表2所示，表2列出了在FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中4個任務(wù)周期、驅(qū)動機制、任務(wù)傳輸時間等信息。

表2中，road-motor_task是路感電機任務(wù)，steering _task是轉(zhuǎn)向電機任務(wù)，corner_task是轉(zhuǎn)角傳感器任務(wù)，epipodium_task是前軸傳感器任務(wù)。

系統(tǒng)中含有非周期任務(wù)，F(xiàn)lexRay線控轉(zhuǎn)向仿真系統(tǒng)未使用優(yōu)先級置頂算法的調(diào)度分析如圖5所示。

圖5中[τ4]是corner_task，[τ3]是steering _task，[τ2]是epipodium_task，[τ1]是road-motor_task，d_segment表示動態(tài)段資源，Outer表示某一全區(qū)變量。

從圖5可看出，F(xiàn)lexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最終會出現(xiàn)死鎖狀態(tài)。為實現(xiàn)優(yōu)先級置頂算法，在實際應(yīng)用中，為每個任務(wù)設(shè)置一個定時器，每隔0.005s監(jiān)測是否有其它任務(wù)申請資源，當(dāng)監(jiān)測到有其它優(yōu)先級的任務(wù)申請相同資源時，將正在運行的任務(wù)優(yōu)先級提升至資源置頂優(yōu)先級。

4 系統(tǒng)運行評估

FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)任務(wù)模型建立后，先對未使用基于優(yōu)先級置頂算法的FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多任務(wù)動態(tài)調(diào)度性能進行評估測試。運行系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)調(diào)度過程如圖6所示。

圖6中，r代表路感電機任務(wù)，u代表轉(zhuǎn)向電機任務(wù)，y代表傳感器任務(wù)。輸出結(jié)果與圖5FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)調(diào)度分析結(jié)果一致，F(xiàn)lexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中只有傳感器節(jié)點運行，其它節(jié)點任務(wù)由于路感電機任務(wù)和轉(zhuǎn)向電機任務(wù)產(chǎn)生死鎖而處于停滯狀態(tài)。

使用優(yōu)先級置頂算法的FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運行系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)調(diào)度過程如圖7所示。

圖7中r、u、y的代表意義與圖6一致。運用優(yōu)先級置頂算法后，F(xiàn)lexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各個任務(wù)均正常被系統(tǒng)調(diào)度，有效防止了死鎖發(fā)生。

5 結(jié)語

本文對FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的死鎖問題進行了分析，研究了優(yōu)先級置頂算法防止死鎖問題的原理，闡述了優(yōu)先級置頂算法工作原理和過程，并搭建了FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。通過對比驗證可知，未使用優(yōu)先級置頂算法的FlexRay線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)了死鎖，使用該算法進行動態(tài)任務(wù)調(diào)度之后，系統(tǒng)可正常運行，驗證了優(yōu)先級置頂算法對避免死鎖問題的有效性。

優(yōu)先級置頂算法雖有效性較高，但本文系統(tǒng)任務(wù)數(shù)量較少，當(dāng)任務(wù)數(shù)量大幅增加時，該算法作用將受到限制，甚至?xí)ト蝿?wù)調(diào)度公平性。因此下一步將圍繞優(yōu)先級置頂算法可調(diào)度性進行定量研究，探索改進方法。

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收稿日期：2019-12-05

基金項目：上海市自然科學(xué)基金項目（15ZR1429300）

作者簡介：石志國（1995-），男，上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為現(xiàn)場總線技術(shù)與汽車電子;張鳳登（1963-），男，博士，上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，研究方向為分布式系統(tǒng)、過程控制與現(xiàn)場總線技術(shù)。