CAN調度理論與實踐分析

CAN總線中消息能否按時送達是事關系統安全等問題的重要指標，它要通過調度分析加以驗證。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施難點。具體分為4個部分：Tindell的分析方法和Davis的改進；筆者對Davis算法的簡化；最壞響應時間分析在應用上的一些結果；調度分析在應用上的難處。

關鍵詞 CAN 調度理論 響應時間 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。但是由于各單個節點必須有通信網絡相連才能協調地工作，網絡就成了關鍵部分，沒有網絡提供及時正確的數據和命令，就談不上所設計的系統服務了。在汽車的分布式嵌入式系統中，目前主流的通信網絡是CAN總線。CAN是事件觸發的通信協議，它根據消息的優先等級和節點的狀態自動地調度消息的傳送。低優先級的消息會因同時發生的高優先級消息太多而不能及時發送，高優先級消息也有可能由于節點狀態等的影響而丟失。關于CAN的局限問題可見參考文獻[1]。本文主要從調度理論方面討論CAN系統的問題，這些問題與工程應用有非常大的關系，實踐意義很強。

1 Tindell的分析方法和Davis的改進

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

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

　　它們之間的關系如圖1所示。

圖1 用于調度分析的時間參數

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

　　為了印刷的方便和易于理解，這里用了不同的寫法，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位時間。Ceiling( (Wm+Jk+τ)/Tk)表示在Wm時段內高優先級消息k會出現的最多次數。于是有：

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