車載FlexRay網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法綜述*

魏葉華， 顏碧云

(1.湖南師范大學(xué) 物理與信息科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081；

2.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引 言

FlexRay 作為下一代車載總線標(biāo)準(zhǔn)將引導(dǎo)整個(gè)汽車電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的走向，具有高吞吐量、確定性、容錯(cuò)性三大屬性。它具有高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠滿足汽車安全性和可靠性的需求，同時(shí)滿足分布式控制系統(tǒng)的通信要求，是對(duì) CAN,LIN 和 MOST 等主要車用總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的有效補(bǔ)充[1]。

FlexRay是一種時(shí)間觸發(fā)類型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通信時(shí)間被劃分為一個(gè)個(gè)等長(zhǎng)的通信周期。通信周期內(nèi)同時(shí)融合了時(shí)分多路復(fù)用(TDMA)和靈活的時(shí)分多路復(fù)用(FTDMA)2種通信方式，分別用于其靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段的消息傳輸。而靜態(tài)段被進(jìn)一步劃分為多個(gè)等長(zhǎng)的時(shí)隙，時(shí)隙被唯一分配給電子控制單元(ECU)，ECU僅在所分配的時(shí)隙到來(lái)時(shí)才能進(jìn)行消息傳遞，因此,利用靜態(tài)段進(jìn)行傳遞的消息具有較高的時(shí)間確定性[2]。動(dòng)態(tài)段能夠同時(shí)支持時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)方式，改善了TDMA在靈活性方面的弊端，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

雖然FlexRay的時(shí)間觸發(fā)特性使得其在時(shí)間確定性和可靠性方面具有良好優(yōu)勢(shì)，但是其時(shí)間觸發(fā)特性同時(shí)要求網(wǎng)絡(luò)的配置參數(shù)如通信周期長(zhǎng)度、靜態(tài)段長(zhǎng)度、靜態(tài)段時(shí)隙長(zhǎng)度和時(shí)隙分配等在設(shè)計(jì)時(shí)就靜態(tài)配置好，將造成其設(shè)計(jì)在靈活性和可擴(kuò)展性方面存在不足。而動(dòng)態(tài)段融入了事件觸發(fā)的靈活性的同時(shí)也增加了調(diào)度的復(fù)雜性。在實(shí)際應(yīng)用中CAN/FlexRay混合網(wǎng)絡(luò)的使用過(guò)程中，網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和任務(wù)調(diào)度問(wèn)題也是一大問(wèn)題。綜上所述，靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段以及混合網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)的任務(wù)調(diào)度問(wèn)題將是FlexRay在新一代汽車電子系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用時(shí)面臨的主要難題。

1 FlexRay研究現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，國(guó)外在FlexRay總線上的投入、研究及應(yīng)用已初具規(guī)模，在歐洲FlexRay已步入到應(yīng)用領(lǐng)域，而其他國(guó)家也處于研發(fā)階段。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)對(duì) FlexRay研究還不夠深入，在國(guó)內(nèi)實(shí)際涉及到復(fù)雜的關(guān)鍵性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的技術(shù)還都不夠成熟。在未來(lái)的十年時(shí)間里，隨著FlexRay網(wǎng)絡(luò)成本的降低和技術(shù)的普及，有望在公共汽車和高端轎車?yán)锸褂肍lexRay總線，實(shí)現(xiàn)更多的安全控制模塊。未來(lái)車身控制系統(tǒng)中將以混合網(wǎng)絡(luò)的模式存在，直到FlexRay覆蓋到所有汽車類型中并取代低速網(wǎng)絡(luò)。

在 FlexRay 網(wǎng)絡(luò)的理論研究方面，國(guó)內(nèi)外汽車公司和科研單位的研究熱點(diǎn)集中在網(wǎng)絡(luò)的延遲特性分析和靜態(tài)段的調(diào)度算法設(shè)計(jì)方面。目前已有學(xué)者發(fā)表了一些解讀FlexRay協(xié)議規(guī)范和有關(guān)FlexRay時(shí)間觸發(fā)特性的論文，也有通過(guò)通過(guò)搭建FlexRay實(shí)際通信系統(tǒng)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析其通信性能的文章[3～5]。文獻(xiàn)[6～8]討論了不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑渲茫容^了各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),并進(jìn)行了優(yōu)化,提出的優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以很大程度地提高系統(tǒng)的速度和穩(wěn)定性,而且能夠降低使用成本。文獻(xiàn)[9～11]討論了網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘同步問(wèn)題，并提出了時(shí)鐘同步算法，且通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)證明了具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。在調(diào)度算法方面，總的來(lái)說(shuō)大多數(shù)學(xué)者研究 FlexRay 的靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段調(diào)度算法的優(yōu)化的帶寬優(yōu)化，只有少數(shù)學(xué)者研究網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性，同時(shí)很多研究也忽略了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和通信實(shí)時(shí)性等關(guān)鍵因素。當(dāng)前對(duì) CAN/FlexRay 網(wǎng)關(guān)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方面的研究也不在少數(shù)，但許多文獻(xiàn)側(cè)重于硬件設(shè)計(jì)，對(duì)于網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的算法和網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的信號(hào)映射機(jī)制等方面的研究還不夠深入。因此,分析并總結(jié)當(dāng)前研究現(xiàn)狀，指出未來(lái)可能的研究方向，對(duì)加快FlexRay網(wǎng)絡(luò)普及應(yīng)用的進(jìn)程具有重要意義。

2 FlexRay調(diào)度算法

對(duì)于FlexRay網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，調(diào)度算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的好壞起著至關(guān)重要的作用。而 FlexRay 網(wǎng)絡(luò)的利用率與消息的傳輸周期、幀長(zhǎng)度和幀數(shù)目有關(guān)，由消息傳輸周期中靜態(tài)時(shí)隙和動(dòng)態(tài)段最小時(shí)隙決定。因此,首先給出FlexRay相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，然后分靜態(tài)段調(diào)度算法、動(dòng)態(tài)段調(diào)度算法和CAN/FlexRay網(wǎng)關(guān)消息調(diào)度等3個(gè)方面對(duì)當(dāng)前FlexRay網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)行一步的分析和總結(jié)。

2.1 FlexRay通信體系結(jié)構(gòu)

2.1.1 通信節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)

圖1描述了 FlexRay網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)，其中總線驅(qū)動(dòng)器主要負(fù)責(zé)物理通信信道的訪問(wèn)操作，如，接收通信控制器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并將其放到物理通信信道上進(jìn)行傳輸、向主處理器提供錯(cuò)誤信息等?？偩€監(jiān)控器主要負(fù)責(zé)對(duì)通信控制器的數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如果在通信控制器中設(shè)定了與數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的時(shí)間表，那么總線監(jiān)控器還會(huì)就總線驅(qū)動(dòng)對(duì)物理通信信道的訪問(wèn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)發(fā)生不符合靜態(tài)設(shè)置的數(shù)據(jù)發(fā)送傳輸請(qǐng)求時(shí)，將向總線驅(qū)動(dòng)器發(fā)送命令信息以停止相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸，這種機(jī)制使得 FlexRay 網(wǎng)絡(luò)的可靠性得到了很大地提升。

圖1 FlexRay節(jié)點(diǎn)通信體系結(jié)構(gòu)

2.1.2 FlexRay通信周期

FlexRay的一個(gè)通信周期分為靜態(tài)段、動(dòng)態(tài)段、符號(hào)窗和網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間，如圖2所示。靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段是用于傳輸消息的時(shí)間窗，而符號(hào)窗和網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間主要是提供傳輸內(nèi)部控制信息和協(xié)議相關(guān)計(jì)算的時(shí)間[12]。FlexRay提供了2種不同的媒質(zhì)訪問(wèn)機(jī)制:靜態(tài)段的TDMA機(jī)制和動(dòng)態(tài)段的FTDMA訪問(wèn)機(jī)制。其中,靜態(tài)段被分成若干個(gè)大小相等的靜態(tài)時(shí)隙，用來(lái)發(fā)送時(shí)間觸發(fā)型的消息;而動(dòng)態(tài)段則是包含若干個(gè)大小不等的動(dòng)態(tài)時(shí)隙，用來(lái)發(fā)送事件觸發(fā)型的消息。周期的靜態(tài)段是由若干個(gè)大小相等的靜態(tài)時(shí)槽組成，靜態(tài)時(shí)隙的大小由最長(zhǎng)的靜態(tài)消息決定，且無(wú)論有無(wú)靜態(tài)消息需要傳送，這些時(shí)隙的總數(shù)在周期的靜態(tài)部分里都是不變的。動(dòng)態(tài)段的長(zhǎng)度是由其所包含的小時(shí)槽的數(shù)目決定的。

圖2 FlexRay通信周期

2.1.3 FlexRay幀結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)基于FlexRay的通信系統(tǒng)時(shí)，用戶必須作出一系列決定，這會(huì)影響效率、可靠性、安全性。因此，除了選擇正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，還需要定義大量參數(shù)，其中的參數(shù)之一就是幀的大小。一個(gè) FlexRay數(shù)據(jù)幀由幀頭、負(fù)載段和幀尾3個(gè)部分組成，格式如圖3所示，發(fā)送順序?yàn)橛勺笙蛴?。與CAN網(wǎng)絡(luò)的事件觸發(fā)協(xié)議不同的是，F(xiàn)lexRay使用時(shí)間觸發(fā)協(xié)議來(lái)轉(zhuǎn)移幀，F(xiàn)lexRay的時(shí)間觸發(fā)模式可以確保數(shù)據(jù)按照事先確定的時(shí)間表進(jìn)行傳輸。

圖3 FlexRay的數(shù)據(jù)幀格式

2.2 靜態(tài)段調(diào)度算法

FlexRay 的靜態(tài)段是用于確定的周期性數(shù)據(jù)通信，在FlexRay通信周期靜態(tài)段內(nèi)傳輸?shù)娜蝿?wù)就是周期性地在不同節(jié)點(diǎn)之間交換數(shù)據(jù)信息。靜態(tài)消息的調(diào)度算法就是尋找到第一個(gè)可以用于消息傳輸?shù)臅r(shí)隙和靜態(tài)數(shù)據(jù)幀的最佳編碼方法并能夠最大化靜態(tài)段的帶寬利用率。而靜態(tài)消息幀長(zhǎng)度和時(shí)隙長(zhǎng)度的分配對(duì)網(wǎng)絡(luò)利用率的影響最大，從而也成為了影響整體 FlexRay 網(wǎng)絡(luò)性能的主要因素。

2.2.1 幀長(zhǎng)度優(yōu)化

由于 FlexRay 總線靜態(tài)段數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度相等，而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，在靜態(tài)段傳輸?shù)南㈤L(zhǎng)度卻不一定相同，這就為 FlexRay 幀長(zhǎng)度的優(yōu)化提供了可能，尋找一個(gè)合適的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度就成為了研究的重點(diǎn)。

近幾年來(lái)，有學(xué)者提出了一種將較長(zhǎng)的靜態(tài)段消息分割成一定長(zhǎng)度的消息進(jìn)行發(fā)送的方法[13～15]。文獻(xiàn)[13]提出了一種將較長(zhǎng)的靜態(tài)段消息分割成一定長(zhǎng)度的消息進(jìn)行發(fā)送的方法，雖然保證了消息的發(fā)送時(shí)間，但是沒(méi)有考慮分割后的消息在封裝過(guò)程中產(chǎn)生的額外負(fù)載和幀 ID 個(gè)數(shù)的增多對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。韓強(qiáng)等人[15]提出了將靜態(tài)段長(zhǎng)消息分割成若干短消息以降低FlexRay總線負(fù)載率的方法，以在保留消息發(fā)送的時(shí)間確定性優(yōu)點(diǎn)條件下，降低 FlexRay總線負(fù)載率。后來(lái)Kang M等人[16]提出了一個(gè)允許將不同周期的信號(hào)封裝成一個(gè)消息幀的幀封裝算法，能夠大大減少靜態(tài)段的帶寬消耗。文獻(xiàn)[17]對(duì) FlexRay靜態(tài)幀凈荷段的長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化，提出了一個(gè) FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間參數(shù)的優(yōu)化模型。 然而，該模型需要通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法才能夠得到最優(yōu)ST長(zhǎng)度的。文獻(xiàn)[18]通過(guò)將其中的非線性算符簡(jiǎn)化為線性算符，導(dǎo)出了最優(yōu)靜態(tài)幀凈荷段長(zhǎng)度的解析表達(dá)式。數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了解析表達(dá)式的正確性，并證明了所得的解析公式能夠適用于大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.2.2 時(shí)隙分配問(wèn)題優(yōu)化

消息時(shí)隙分配問(wèn)題是FlexRay汽車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。為實(shí)現(xiàn) FlexRay總線帶寬利用率最大化，有些研究者提出了將靜態(tài)段長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀分配到動(dòng)態(tài)段的調(diào)度方法來(lái)減少總線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率[19～22]，但是將靜態(tài)段的消息分配到動(dòng)態(tài)段將使得消息發(fā)送的時(shí)間帶有不確定性，從而造成抖動(dòng)，影響整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。Grenier M等人[23]提出了一種最佳時(shí)隙優(yōu)先的啟發(fā)式消息調(diào)度算法，在考慮信號(hào)滿足最終時(shí)限要求的前提下，通過(guò)減少消息的過(guò)度采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)隙使用個(gè)數(shù)的最小化和網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率的優(yōu)化。文獻(xiàn)[24]就消息的時(shí)隙分配問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了一個(gè)基于混合整數(shù)線性規(guī)劃的算法框架對(duì)時(shí)隙使用個(gè)數(shù)和消息的抖動(dòng)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。Schmidt K等人[20]提出將消息調(diào)度問(wèn)題劃分為信號(hào)打包和消息時(shí)隙分配2個(gè)子問(wèn)題，并采用整數(shù)線性規(guī)劃方法對(duì)其進(jìn)行建模和求解，分別以最大化網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率和最小化時(shí)隙使用個(gè)數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)。Jang K等人[25]將靜態(tài)段消息調(diào)度問(wèn)題劃分為信號(hào)打包和時(shí)隙分配2個(gè)子問(wèn)題，并分別以靜態(tài)段時(shí)隙長(zhǎng)度和通信周期長(zhǎng)度的優(yōu)化配置作為目標(biāo)。文獻(xiàn)[26]充分考慮到之前研究的不足，并在現(xiàn)有優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上基于靜態(tài)段帶寬利用率對(duì)消息分割進(jìn)行進(jìn)一步的研究，通過(guò)改變靜態(tài)時(shí)隙的長(zhǎng)度，得出時(shí)隙長(zhǎng)度、幀ID個(gè)數(shù)與最佳帶寬利用率的關(guān)系，大大提升了靜態(tài)段的帶寬利用率。然而以上研究都只對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，而未從系統(tǒng)級(jí)的角度對(duì)計(jì)算系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，沒(méi)有考慮時(shí)隙分配可能造成的影響。

綜上所述，現(xiàn)如今FlexRay 靜態(tài)段消息調(diào)度的相關(guān)研究中，未就時(shí)隙分配給系統(tǒng)性能造成的影響進(jìn)行充分考慮；在可擴(kuò)展性優(yōu)化方面，優(yōu)化目標(biāo)太過(guò)籠統(tǒng)，僅局限于時(shí)隙使用個(gè)數(shù)的最小化而未就信號(hào)長(zhǎng)度增長(zhǎng)等提出的可擴(kuò)展性需求進(jìn)行具體分析和考慮。

2.3 動(dòng)態(tài)段調(diào)度算法

FlexRay通信周期的動(dòng)態(tài)段消息傳輸是基于事件觸發(fā)的，動(dòng)態(tài)段的消息調(diào)度是基于最小時(shí)間片的優(yōu)先級(jí)優(yōu)先的原則，對(duì)時(shí)間要求比較苛刻，消息的調(diào)度也比較靈活。FlexRay周期靜態(tài)段調(diào)度算法就是為實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)消息的調(diào)度，并能有效利用靜態(tài)帶寬，不過(guò)它不能處理FlexRay周期內(nèi)的動(dòng)態(tài)消息，所以,不能保證整個(gè)FlexRay網(wǎng)絡(luò)的較高利用率。因此,動(dòng)態(tài)段調(diào)度算法的優(yōu)化就變得十分必要，F(xiàn)lexRay動(dòng)態(tài)段算法的優(yōu)化主要集中在2個(gè)方面：減少消息響應(yīng)和傳輸時(shí)間以及提高動(dòng)態(tài)段帶寬利用率。

2.3.1 消息響應(yīng)和傳輸時(shí)間優(yōu)化

基于FTDMA方式的FlexRay動(dòng)態(tài)段的媒體訪問(wèn)機(jī)制在保證確定性通信的基礎(chǔ)上融入了事件觸發(fā)的靈活性,但這也使調(diào)度過(guò)程變得復(fù)雜。盡管FlexRay是下一代汽車電子總線的標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)在消息的傳輸延遲和響應(yīng)時(shí)間問(wèn)題依然沒(méi)有得到解決，而這對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性有著重要的影響，因此,關(guān)于減少消息響應(yīng)和傳輸時(shí)間的方法得到了不少的關(guān)注。文獻(xiàn)[27]提出了一個(gè)考慮動(dòng)態(tài)段不同長(zhǎng)度但卻享有相同的幀標(biāo)識(shí)符的消息傳輸概率延遲模型，并以空時(shí)隙分布作為性能指標(biāo)分析了幀延遲概率。文獻(xiàn)[28]提出了一種在動(dòng)態(tài)段使用的名為遞歸資格的調(diào)度方法。該方法是基于多槽分配，采用總線可訪問(wèn)性的索引來(lái)決定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，這樣動(dòng)態(tài)段就能夠用來(lái)有效地傳輸消息。Schmidt E G等人[29]對(duì)FlexRay周期中動(dòng)態(tài)段內(nèi)消息的傳輸特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并提出通過(guò)構(gòu)建消息組對(duì)動(dòng)態(tài)消息進(jìn)行調(diào)度的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該方法能夠最小化動(dòng)態(tài)段的傳輸時(shí)間。然而上述研究都忽略了消息響應(yīng)時(shí)間的不確定性而可能產(chǎn)生的時(shí)間抖動(dòng)，也沒(méi)有考慮抖動(dòng)可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘不同步的問(wèn)題。

2.3.2 帶寬利用率優(yōu)化

為了提高動(dòng)態(tài)段帶寬利用率，夏鳳仙[30]在分析和比較了幾種典型的 FlexRay車載網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用保留帶寬的思想，為實(shí)現(xiàn)算法思想，以最大周期負(fù)載和最小帶寬保留為優(yōu)化目標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型，尋求最優(yōu)方案。改進(jìn)后的算法在數(shù)學(xué)理論上可以減輕通信系統(tǒng) MCU的計(jì)算負(fù)荷，從而能夠提高FlexRay網(wǎng)絡(luò)通信的效率。

文獻(xiàn)[31]采用基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的優(yōu)化調(diào)度算法,通過(guò)多階段決策，使系統(tǒng)中所有DYN報(bào)文的整體最壞響應(yīng)時(shí)間達(dá)到最小值,從而提高FlexRay動(dòng)態(tài)段的帶寬利用率。該算法充分發(fā)揮了柔性時(shí)分多址的特點(diǎn),在汽車電子領(lǐng)域和對(duì)實(shí)時(shí)性可靠性有很高要求的檢測(cè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢(shì)。為了減少FlexRay通信周期內(nèi)動(dòng)態(tài)段的帶寬消耗，文獻(xiàn)[32]提出了一個(gè)允許將不同周期的信號(hào)封裝成一個(gè)消息幀的幀封裝算法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性。

文獻(xiàn)[33]在基于最小時(shí)間片的FlexRay動(dòng)態(tài)段研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)建模，對(duì)動(dòng)態(tài)段時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化配置，并提出以最大網(wǎng)絡(luò)利用率為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)消息調(diào)度算法。在保證動(dòng)態(tài)段時(shí)長(zhǎng)設(shè)計(jì)合理且消息可調(diào)度的情況下，該算法能夠減少消息延時(shí)，提高網(wǎng)絡(luò)利用率。上述研究以提高動(dòng)態(tài)段帶寬利用率為目的展開(kāi)了一些工作，但大都沒(méi)有對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)利用率加以考慮，在以后的研究中應(yīng)把綜合考慮靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段帶寬利用率，以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的利用率為目標(biāo)。

2.4 CAN/FlexRay網(wǎng)關(guān)消息調(diào)度

在混合網(wǎng)絡(luò)中，不同總線之間的信息交互需要網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著FlexRay總線在汽車動(dòng)力等安全關(guān)鍵實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用,車內(nèi)FlexRay與CAN網(wǎng)絡(luò)之間的信息交互成為迫切需要解決的問(wèn)題。文獻(xiàn)[34～38]提出了幾種CAN/FlexRay的網(wǎng)關(guān)模型，在硬件上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，并驗(yàn)證了網(wǎng)關(guān)的可靠性。合適的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換方法和調(diào)度算法可以降低數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)的延遲時(shí)間，同時(shí)可以保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送實(shí)時(shí)性，這也直接影響到網(wǎng)關(guān)性能和整個(gè)車身網(wǎng)絡(luò)性能的好壞。

文獻(xiàn)[39]提出了用于組裝 CAN/FlexRay 網(wǎng)關(guān)的消息的2種方法, 一種是面向優(yōu)化總線帶寬利用率的方法，由于信號(hào)值的是隨機(jī)的，當(dāng)信號(hào)值不變時(shí)，該信號(hào)可以不傳輸，如果某個(gè)消息中所有信號(hào)都不傳輸時(shí)，該消息也可以不傳輸，可以減少總線帶寬總量的需求；另一種是面向提高消息中的信號(hào)比特位利用率的方法，這種方法把單個(gè)周期較小的信號(hào)組裝到多個(gè)周期較大的消息中，從而避免了周期較大的信號(hào)被組裝到周期較小的消息中，提高了信號(hào)比特位的利用率。

文獻(xiàn)[40]討論了CAN/FlexRay網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法，在對(duì)FlexRay和CAN網(wǎng)絡(luò)特性的分析下，運(yùn)用隊(duì)列調(diào)度管理的知識(shí)設(shè)計(jì)了基于CAN/FlexRay網(wǎng)關(guān)的多隊(duì)列消息處理方法。文獻(xiàn)[41]為了保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的連續(xù)性，在隊(duì)列內(nèi)部，尤其是在處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)在使用 EDF算法的同時(shí)，避免因?yàn)楹蟮竭_(dá)報(bào)文截至?xí)r間短而打斷之前的報(bào)文。在這里加入在每一幀 FlexRay 報(bào)文轉(zhuǎn)換的所有 CAN 報(bào)文加入一個(gè)時(shí)間戳，為隊(duì)列分配一個(gè)標(biāo)志位，在轉(zhuǎn)發(fā)此報(bào)文時(shí)置位該標(biāo)志位，待完全轉(zhuǎn)發(fā)之后取消該標(biāo)志位，有效地提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的效率。

文獻(xiàn)[42]提出了一種基于多隊(duì)列混合調(diào)度的CAN/FlexRay網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)方法，可以有效地降低系統(tǒng)的服務(wù)時(shí)間和服務(wù)強(qiáng)度以及保證網(wǎng)關(guān)內(nèi)消息的實(shí)時(shí)性與公平性。對(duì)于消息調(diào)度,采用多隊(duì)列混合優(yōu)先級(jí)調(diào)度。在隊(duì)列內(nèi)部采用EDF算法,隊(duì)列之間采用改進(jìn)加權(quán)輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法。后來(lái)文獻(xiàn)[43]在對(duì)FlexRay和CAN協(xié)議研究基礎(chǔ)上, 對(duì)網(wǎng)關(guān)內(nèi)部調(diào)度算法進(jìn)行了分析和改進(jìn), 提出了等差分區(qū)的EDF算法和多閾值的加權(quán)輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法, 即每個(gè)隊(duì)列的權(quán)值是根據(jù)某一時(shí)刻該隊(duì)列消息所占比例動(dòng)態(tài)修改，并通過(guò)理論推導(dǎo)和仿真方法對(duì)結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。

然而,總體來(lái)說(shuō)大多數(shù)對(duì)車載網(wǎng)關(guān)的研究還是偏重于硬件實(shí)現(xiàn)，對(duì)網(wǎng)關(guān)內(nèi)部數(shù)據(jù)調(diào)度、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、容錯(cuò)能力以及故障恢復(fù)處理系統(tǒng)進(jìn)行研究還不多，通常受到特定的硬件限制，網(wǎng)關(guān)內(nèi)所采用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法和數(shù)據(jù)調(diào)度以及錯(cuò)誤處理等操作都會(huì)直接影響到網(wǎng)關(guān)的性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，在提高總線帶寬利用率、優(yōu)化調(diào)度等相關(guān)方面開(kāi)展了一些研究工作，在一定程度上加快了FlexRay總線應(yīng)用的進(jìn)程。然而，當(dāng)前研究仍存在很多不足，除了上述工作之外，未來(lái)仍然有些問(wèn)題值得進(jìn)一步關(guān)注:

1)FlexRay靜態(tài)段消息調(diào)度的研究中，靜態(tài)段時(shí)隙分配是靜態(tài)段消息調(diào)度中的關(guān)鍵問(wèn)題，同時(shí)決定著任務(wù)和消息之間的同步關(guān)系，而現(xiàn)有研究未就時(shí)隙分配給系統(tǒng)性能造成的影響進(jìn)行充分考慮，忽略了傳輸過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，在以后的研究中需要進(jìn)一步提高通信的可靠性和實(shí)時(shí)性。

2)在動(dòng)態(tài)段的研究中，應(yīng)該同時(shí)考慮消息傳輸和響應(yīng)時(shí)間的不確定性對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性造成的影響。網(wǎng)絡(luò)利用率由靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段的帶寬利用率共同決定，但絕大多數(shù)研究都只是單獨(dú)地研究靜態(tài)段或動(dòng)態(tài)段，所以，應(yīng)該同時(shí)考慮靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段的帶寬利用率，加強(qiáng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)利用率的相關(guān)研究。

3)現(xiàn)如今大多數(shù)研究對(duì)車載CAN/FlexRay網(wǎng)關(guān)的研究偏重于網(wǎng)關(guān)模型的搭建和硬件的實(shí)現(xiàn)，在對(duì)網(wǎng)關(guān)內(nèi)部數(shù)據(jù)調(diào)度、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法以及故障恢復(fù)處理系統(tǒng)的為數(shù)不多。如何就混合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效集成，以保障系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行和高效實(shí)現(xiàn)是現(xiàn)在迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

4)如何對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的安全性和可靠性進(jìn)行進(jìn)一步分析并提出相應(yīng)的措施來(lái)保障消息傳遞的安全性和可靠性以滿足不同級(jí)別的可靠性概率要求是新一代汽車電子系統(tǒng)研究中正熱門的重要問(wèn)題。

5)如何就FlexRay消息調(diào)度的可擴(kuò)展性進(jìn)行優(yōu)化來(lái)容忍各種不確定性因素和提高功能部件的可重用性和可定制性，從而減少可能造成的重驗(yàn)證和重測(cè)試、甚至于重設(shè)計(jì)方面的風(fēng)險(xiǎn)和因此帶來(lái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本增長(zhǎng)將是FlexRay在汽車電子系統(tǒng)中進(jìn)行廣泛應(yīng)用所需要解決的另一個(gè)難題。

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