李龍彪

摘 要：嵌入式通信系統(tǒng)設計已有幾十年的發(fā)展，應用的范圍涵蓋了電器、汽車、航空器等各個領域。當前嵌入式通信系統(tǒng)設計融入了微電子技術、電氣自動化等技術，出現(xiàn)了許多新亮點：多核處理器助力嵌入式通信系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的任務處理能力增強、處理器節(jié)點之間的通信數(shù)據(jù)傳遞更迅速、嵌入式通信系統(tǒng)越來越安全等等。與此同時，這些新的特點亦是對于嵌入式通信系統(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，針對系統(tǒng)任務間通信機制和通信系統(tǒng)網(wǎng)絡設計中遇到的問題，開展了優(yōu)化設計研究。

關鍵詞：嵌入式；通信系統(tǒng)；工作原理；創(chuàng)新設計

一、嵌入式通信系統(tǒng)概述

1.嵌入式通信系統(tǒng)特征

為適應經(jīng)濟發(fā)展和時代進步，通信系統(tǒng)制造商需要制造出功能更加齊全、性能更加強大的通信產(chǎn)品來迎合市場的激烈競爭。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)由于特定的應用場景、特殊的應用目的，其與一般的系統(tǒng)相比，具備特有的屬性：一是響應時間受限性，通信系統(tǒng)的任務具有時限屬性，當任務開始后，要在一個特定的時間內執(zhí)行完畢。二是可靠性，通信系統(tǒng)對可靠性有嚴格要求，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)行結果對生命、財產(chǎn)、國防安全有重大的影響，一個微小的故障就可能造成嚴重的后果；三是約束的復雜性，約束分為時間約束和資源約束，前者指每個任務都需滿足時限約束，后者指當多個任務共享同一的資源時，按照一定的資源訪問控制協(xié)議進行，防止死鎖，避免高優(yōu)先級任務被低級任務阻塞；四是多任務類型，嵌入式通信系統(tǒng)需要處理不同類型的任務，如周期式任務、偶發(fā)式任務、非周期式任務和非實時式任務。

2.嵌入式通信系統(tǒng)工作原理

嵌入式通信系統(tǒng)運行中，在不同任務之間需要進行通信，其是通過讀寫、共享變量實現(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制來確保共享變量訪問一致性，在任務訪問共享變量之前對其鎖定，在訪問結束后解鎖。如果鎖定或者解鎖失敗，則不能訪問系統(tǒng)共享變量。由此任務的執(zhí)行過程產(chǎn)生關聯(lián)，當高優(yōu)先級任務訪問系統(tǒng)共享變量時，訪問相同共享位置變量的低優(yōu)先級任務會被拒絕，從而落實嵌入式通信系統(tǒng)運算規(guī)則。嵌入式通信系統(tǒng)需要同時保證對共享資源的互斥訪問與任務的可調度性。

3.嵌入式通信系統(tǒng)調度原理

為了精確調度嵌入式通信系統(tǒng)的資源，達到實時、可預測的特定要求，在嵌入式通信系統(tǒng)部署之前，需要用調度理論對目標任務進行可調度性分析，再進行調度方案搜索。嵌入式通信系統(tǒng)任務調度技術分為嵌入式通信系統(tǒng)可調度性分析方法和嵌入式通信系統(tǒng)調度策略。嵌入式通信系統(tǒng)任務調度技術研究包括任務共享系統(tǒng)資源的策略、機制，并提供判斷嵌入式通信系統(tǒng)任務可否調度。嵌入式通信系統(tǒng)經(jīng)歷了從簡單到復雜的歷程。嵌入式通信系統(tǒng)的特定應用需求要求通信系統(tǒng)設備小型化、集成度高，緊密與網(wǎng)絡契合，具備移動能力。并進一步要求嵌入式通信系統(tǒng)的嵌入式CPU體積小、低功耗，能夠將通用CPU中由板卡完成的目標任務集成在芯片內部。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，在同樣的條件下達到更高的性能。毋庸置疑，嵌入式通信系統(tǒng)是一項技術密集、資金密集、研發(fā)密集、不斷創(chuàng)新的高新知識集成系統(tǒng)。

二、嵌入式通信系統(tǒng)存在的可擴展性問題

1.嵌入式通信系統(tǒng)網(wǎng)絡容量不足

舉一個常見的嵌入式通信系統(tǒng)的例子，該系統(tǒng)包含4個ECU和8個消息，嵌入式通信系統(tǒng)的通信周期為1，每個消息的周期亦為1，嵌入式通信系統(tǒng)系統(tǒng)的每個通信周期都包含8個時間槽。所有節(jié)點通過單個嵌入式通信系統(tǒng)總線連接，各個ECU節(jié)點之間的信號通信情況正常，消息在嵌入式通信系統(tǒng)總線靜態(tài)段上調度。稍作分析可知，消息M1、M2、M3……M8剛好會占滿嵌入式通信系統(tǒng)系統(tǒng)靜態(tài)段的全部時間槽，導致嵌入式通信系統(tǒng)資源占用率已達飽和狀態(tài)，網(wǎng)絡容量不足，無暇處理其他信息。

2.嵌入式通信系統(tǒng)分支負載不均衡

當嵌入式通信系統(tǒng)的靜態(tài)段時間槽全部占用，而嵌入式通信系統(tǒng)系統(tǒng)的靜態(tài)段時間槽占有率僅為50%，屬于嚴重的負載不均。嵌入式通信系統(tǒng)負載不均會導致嵌入式通信系統(tǒng)不能容納新消息傳輸，限制通信系統(tǒng)升級，進而造成嵌入式通信系統(tǒng)系統(tǒng)無法進行擴展。這一問題產(chǎn)生的根源在于嵌入式通信系統(tǒng)通信網(wǎng)絡結構設計缺陷，其消息調度未將負載均衡作為設計指標，亦無其它相關工作考慮了嵌入式通信系統(tǒng)負載均衡。

三、嵌入式通信系統(tǒng)優(yōu)化

1.嵌入式通信系統(tǒng)消息緩存交換結構優(yōu)化

使用嵌入式通信系統(tǒng)交換機代替原有的設備，嵌入式通信系統(tǒng)交換機只負責把消息轉發(fā)給需要該消息的分支，允許多個分支上的ECU 節(jié)點同時發(fā)送消息，進而提高嵌入式通信系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的有效帶寬。嵌入式通信系統(tǒng)的交換機采用電路交換模式，交換機與嵌入式通信系統(tǒng)的總線保持同步。配置嵌入式通信系統(tǒng)交換機中不同輸入端口、輸出端口的連接方式，進而確定消息轉發(fā)路徑。嵌入式通信系統(tǒng)的每個時間槽都含有一個報文，在每個時間槽上都要對嵌入式通信系統(tǒng)的交換機的連接進行重新配置。將此方式改進為無緩沖、無延遲的嵌入式通信系統(tǒng) 交換機，有助于嵌入式通信系統(tǒng)的交換結構優(yōu)化。

2.嵌入式通信系統(tǒng)HSRN負載均衡優(yōu)化

對嵌入式通信系統(tǒng)HSRN各分支進行負載均衡優(yōu)化設計，可擴展的通信網(wǎng)絡利用優(yōu)化后的交換機將嵌入式通信系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡分割。在各分支之間的負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)絡的可擴展性。負載均衡設計之后具有明顯的優(yōu)勢：在電子系統(tǒng)中，軟件升級會導致嵌入式通信系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)量的增加，而負載均衡設計可以為每個分支都預留較大的擴展量，從而方便的完成系統(tǒng)的升級和擴展。嵌入式通信系統(tǒng)HSRN結構本身引入了消息可緩存的系統(tǒng)交換機，有效隔離了廣播域，提高了嵌入式通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡容量。在嵌入式通信系統(tǒng)交換機中設置的消息緩存隊列，能夠放松對跨分支消息的同步傳輸約束，進而提高嵌入式通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)的消息可調度性，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)絡的帶寬利用率。

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