可搶占實時星載SpaceWire總線網絡研究

吳中杰，劉江瀾，宋偉，于俊杰，林景明,趙占鋒

1.哈爾濱工業大學 電子與信息工程學院，哈爾濱 150001 2.上海宇航系統工程研究所，上海 201109 3.山東航天電子技術研究所，煙臺 264003 4.哈爾濱工業大學(威海) 信息與電氣工程學院，威海264209

可搶占實時星載SpaceWire總線網絡研究

吳中杰1，劉江瀾2，宋偉3，于俊杰3，林景明3,趙占鋒4，*

1.哈爾濱工業大學 電子與信息工程學院，哈爾濱 150001 2.上海宇航系統工程研究所，上海 201109 3.山東航天電子技術研究所，煙臺 264003 4.哈爾濱工業大學(威海) 信息與電氣工程學院，威海264209

為基于SpaceWire構建統一的星載總線網絡，需要保證消息傳輸的確定性和實時性。針對傳統時間觸發通信靈活性不足的缺點，提出了一種支持通信任務傳輸標志符廣播的改進時間觸發通信SpaceWire總線網絡；在此基礎上建立了非破壞性可搶占通信機制，并討論了經典的處理器實時調度算法在網絡通信中的應用；最后分析比較了SpaceWire的事件觸發通信、傳統的時間觸發通信與所提出的可搶占實時通信的延時性能。研究表明，提出的通信機制能夠有效改善信息傳輸的最壞端到端延時，適合于多種優先級通信任務的實時調度。

星載網絡；SpaceWire；可搶占；實時性；確定性

SpaceWire[1]是歐洲航天局面向航天應用提出的高速數據傳輸總線標準，它采用點對點、全雙工、串行鏈路，將一系列終端、路由器互聯，為星載數據系統提供高效、靈活、可靠的數據傳輸服務，已成功應用于ESA、NASA、JAXA的多個空間任務[2]。

總體上，星上數據可分為控制類和數據類[3]。前者如周期或非周期的衛星時間、姿態廣播，注入遙控數據等，占用帶寬小，但具有較高的可靠、實時性要求；后者如科學或工程遙測數據等，占用帶寬較大，但可靠性和延遲要求較低。通常采用分立的控制網和數據網以適應不同數據業務的需求[4]，前者采用1553B、CAN等低速總線，后者采用同步串/并行LVDS、SpaceWire等高速總線。

分立的網絡不利于接口標準和通信協議的統一，基于標準技術構建統一的星載網絡，簡化系統設計與集成，是目前的研究熱點[5-6]。基于SpaceWire的星載網絡的問題在于網絡阻塞導致的傳輸延時的不確定性。SpaceWire路由器采用蟲洞路由機制，事件觸發的數據傳輸對網絡資源的爭用會導致嚴重的阻塞。文獻[7]研究了SpaceWire時間觸發網絡的延時性能，指出最壞端到端延時隨通信鏈路的增長而急劇增大，這對關鍵的星上命令、控制數據是不能接受的。因此，有必要研究保證SpaceWire網絡確定性和實時性的方法。文獻[8]采用靜態優先級分配方法，但SpaceWire只有兩個優先級，難以滿足復雜應用需要。文獻[9]提出利用SpaceWire時間廣播機制，建立時間觸發同步網絡，其本質上是一種網絡資源的時分復用TDMA。文獻[10]進一步討論了SpaceWire時間觸發服務，設計了時間和事件觸發混合的通信方式。文獻[11]研究了混合模式下的傳輸延時。文獻[12]提出了SpaceWire-D協議，利用時間觸發傳輸、有限數據包長和遠程存儲器訪問協議RMAP，確保數據傳輸的可靠性和確定性。文獻[13]綜合考慮網絡資源沖突、數據傳輸因果關系，統一規劃使節點在確定時間窗口內發送數據，避免網絡資源沖突，保障傳輸確定性、實時性。

之前研究的主要不足之處有：時間觸發傳輸實質上是一種離線的靜態調度，靈活性不足。時隙分配后即固定不變，難以適應星上工作模式的變化。TDMA的周期性特點，使其適合調度周期信息，對于非周期信息，應按照其最小間隔固定分配帶寬，造成資源浪費。如果一個就緒消息時剛好錯過了為其分配的時隙，只能等待下一個次時隙，增大了傳輸延時等。

為克服以上缺點，本文提出了改進的通信機制，支持在線動態的通信調度，旨在減小消息的最壞延遲，保證傳輸的確定性和實時性，可用于構建基于SpaceWire標準的統一的星載通信網絡。

1 改進的時間觸發通信

傳統的時間觸發通信利用SpaceWire時間廣播機制將時間劃分成循環的基本通信周期，一個周期由若干等長時隙構成，每個終端僅在為其分配的一個或多個時隙內通信。

1.1 網絡時間基準及其精度

SpaceWire允許一個時間主節點周期性地廣播時間字符，以提供網絡時間基準。廣播間隔稱為網絡時間單位Tnet，即一個時隙長度。時間字符結構如圖1所示。

圖1 SpaceWire時間字符Fig.1 SpaceWire time character

由圖1可知，時間字符由一個轉義字符和一個數據字符組成。時間字符中，T0～T5為6位時間碼；C0～C1為2位控制碼，其含義由用戶自定義。

網絡時基精度取決于時間字符在網內傳播的延時和抖動。時間字符最大傳輸延時為：

式中：p為時間主節點到最遠節點之間的鏈路數目；r為傳輸速率；系數14表示一個時間字符的長度為14位。

如果要發送時間字符時，鏈路剛好正在發送一個數據字符，會導致時間字符發送抖動，使各時隙的長短有輕微差異。時間字符的最大傳輸抖動為：

式中：系數10表示1個數據字符的長度為10位。

顯然，網絡時間單位應滿足：

Tnet≥tc_delay+tc_jitter

1.2 數據分片傳輸

SpaceWire標準未限制一次傳輸的最大數據長度。為確保一次數據傳輸能夠在一個時隙內完成，必須設置一個最大傳輸單元長度。在發送端，需要有對應用層數據幀進行分片的機制；在接收節端，分片又被組合成完整的應用層數據幀。圖2顯示了一個長度為m字節的數據片在網絡中無阻塞傳輸時的端到端延時：

式中：p為端到端鏈路數目；tb為電信號在鏈路上的傳播時延；tsw為路由器交換時延；r為傳輸速率。式中忽略了因為發送流量控制字符和時間字符造成的延時。

要保證一個數據片在一個時隙內傳輸完成，需滿足：

圖2 數據片在網絡中無阻塞傳輸時的端到端時延Fig.2 Minimum end-to-end delay of the data slice transferred across the network without block

式中：系數b的值應略小于1，為保留的時隙余量和數據分片開銷。由式(3)和式(4)可以解得：

應當適當選擇m與Tnet的值。如果選擇太大，則分片與時隙的粒度太大；如果太小，則會增加數據分片與時間碼廣播開銷。

1.3 改進的時間觸發通信

在傳統時間觸發通信中，時間碼所代表當前的系統時間，其值每隔Tnet加1。在本文提出的改進的時間觸發通信中，時間碼還被賦予了傳輸標識符(TID)的含義。每個通信任務都被指配了TID，全網廣播某TID時，擁有此TID的終端允許發起通信。因此，時間碼不一定連續遞增，也不一定按照固定時間間隔發送。時間字符中除了6位時間碼，還有2位控制碼，使用控制碼C1C0的值表示當前網絡工作狀態和時間碼類型，如表1所示。

表1 SpaceWire網絡工作狀態

Table 1 Operating states of theSpaceWire network

C1C0當前網絡工作狀態C1C0當前網絡工作狀態0靜止狀態2無競爭通信狀態1同步建立狀態3競爭通信狀態

由表1可知，共定義了4種網絡工作狀態，對應于4種類型的時間碼。在靜止狀態下，廣播0型時間碼，所有終端都不允許通信；無競爭通信狀態下，廣播2型時間碼，只有TID指定的終端才可以發起通信，此時網絡資源被獨占，傳輸延遲可以保證；競爭通信狀態下，廣播3型時間碼，所有終端隨時可以發起通信，此時網絡中可能發生阻塞。處于靜止、無競爭通信或競爭通信狀態時，時間碼以Tnet為間隔連續遞增，網絡保持時間同步；當從靜止、競爭通信狀態進入無競爭通信狀態，或者由一個無競爭通信切換到另一個無競爭通信時，時間主節點要停止連續時間碼的發送，轉而發送1型時間碼和指定的TID，重新同步網絡。

每個SpaceWire終端/路由器都有一個時間碼寄存器。當終端/路由器收到一個新的時間字符時，會將時間碼值與寄存器的值進行比較，如果時間碼值等于寄存器值加1，則判斷為有效時間碼，路由器向除收到此時間字符的端口外的所有端口廣播此時間字符，終端向用戶接口報告這個新時間字符；否則，被認為是一個無效時間碼，路由器不會進行廣播，終端也不會向用戶報告，但時間碼寄存器會被更新為新時間碼值。圖3顯示了不連續時間碼在網絡中傳播的情況。

圖3 不連續時間碼在網絡中的傳輸Fig.3 Broadcasting of discontinuous time codes in the network

設時間主節點到最遠終端之間共有p段鏈路，重建同步需要至少廣播p+1個連續的1類時間碼，且第一個1類時間碼的值應為TID—p-1，設置廣播間隔tsync遠小于Tnet且大于時間碼的延遲和抖動。收到1型時間碼后，終端將中止當前的發送，并將隨后收到的第一個2型時間碼當作TID，持有此TID的節點允許發起傳輸，而其他終端保持靜默。此后，主節點以間隔Tnet廣播連續的2型時間碼，直到為本次傳輸分配的時隙用盡，或者本次傳輸被搶占。

圖4顯示了一個網絡工作狀態轉換過程的示例。網絡開始處于靜止狀態，隨后進入競爭通信狀態，隨后TID=3的傳輸占用網絡4個時隙，接著TID=22的傳輸占用網絡2個時隙，接下來的2個時隙又被TID=3的傳輸占用。之后，網絡又進入競爭通信狀態和靜止狀態。

圖4 網絡狀態轉換示例Fig.4 An example of network states transition

2 可搶占實時SpaceWire通信

建立了改進的SpaceWire時間觸發通信網絡，就可以實現時間主節點控制下的非破壞性可搶占實時通信調度。其中，可搶占指新就緒的無競爭通信可以搶占競爭通信，高優先級競爭通信可以搶占低優先級競爭通信；非破壞性指搶占不會導致不完整的數據包，這是通過將搶占點設置在時隙結束時刻保證的。實時指保證所有通信都在其截止時間前完成。

2.1 非破壞性可搶占通信

將SpaceWire總線網絡抽象為有向圖G(N,L)，N代表網絡中所有節點(終端與路由器)的集合，L代表連接兩節點的邊的集合。使用兩條反向的邊代表節點之間的雙向鏈路。不考慮SpaceWire組自適應路由，即假設從源終端到目的終端的路徑是唯一的。將一個通信任務記為f，網絡中所有通信任務的集合記為F。對于?f∈F，可以表示為：

式中：c為一次通信數據量，單位為字節；t為任務兩次就緒的周期或最小間隔；d為任務截止時間；函數links(f)按序返回f所經過的所有鏈路的集合；函數pri(f)返回f的優先級，規定優先級數值越小，優先級越高。時間t內需要為通信f分配的時隙數目：

(6)

式中：m表示一個時隙內允許傳送的最大數據量，單位字節；符號「*?表示向上取整。

給出以下定義：

定義1 稱通信f與f′為相容通信，如果滿足條件：

links(f)∩links(f′)=?

定義2 稱集合E?F為相容通信集，如果對于?f,f′∈E，f與f′都是相容通信。

定義3 稱H={E1,E2,…,Em}為F的一個劃分，如果滿足：

1)?Ei∈H，Ei為相容通信集；

2)?Ei,Ej∈H，Ei∩Ej=?；

3)∪Ei∈HEi=F。

顯然，相容通信可以同時在網絡中無阻塞地傳輸，搶占只發生在兩個不相容的通信之間。因此，沒有必要為每一個f分配一個TID，只需要為一個劃分H中的每個相容通信集E分配TID。

通信搶占過程描述如下：

步驟1 在調度時間點(即時隙結束時刻，一個數據分片剛好被傳輸完時)，檢查就緒任務表。如果沒有無競爭通信任務就緒，網絡進入靜止或競爭通信狀態，時間主節點繼續發送連續時間碼，仍處于步驟1；否則，記所有就緒的無競爭通信的集合為Frdy，記其中優先級最高的通信任務為f，其所屬的相容通信集為Ef，執行步驟2。

步驟2 如果當前網絡正處于靜止或競爭通信狀態，重新同步網絡，廣播Ef的TID，通信任務集合Frdy∩Ef占用網絡，轉入無競爭通信狀態，執行步驟4；如果當前網絡正處于無競爭通信狀態，且占用網絡的優先級最高的通信任務為fcurr，執行步驟3。

步驟3 如果fcurr=f或者fcurr∈Ef，又或者pri(fcurr)

步驟4 調度算法決定的通信任務占用網絡，發送最長m字節的數據片，時隙耗盡后，將該任務的剩余時隙數減1，執行步驟1。

2.2 通信任務的實時調度

闡明了改進的時間觸發通信與非破壞性可搶占通信的原理后，一些處理器經典可搶占實時調度算法可以被用于通信任務的調度。

可以根據系統需要為通信任務人為指定優先級。這種方式符合星載應用簡單、可靠的要求，但靈活性不足，難以實現最佳調度。

比率單調調度算法RMS是最佳靜態優先級調度算法[14]，該算法的主要假設包括：所有任務都是周期性任務；任務截止時間等于任務周期；任務可以在任何位置被搶占，不存在臨界區；每次任務執行時間為常量等。RMS算法令任務優先級與任務周期成單調關系，任務周期越短，優先級越高；任務周期越長，優先級越低。星上通信任務往往具有周期性特點，對于非周期性任務，可以將其最小間隔作為周期。當時隙相對于任務總執行時間足夠小時，可以認為通信在任何時間點都能夠被搶占。因此，RMS算法的假設在本文的通信任務的實時調度中成立。假設所有通信任務都是不相容的，所有任務可以被實時調度的充分條件為：

式中：N為任務個數；ni表示為通信任務fi所分配的時隙個數；ti為任務周期。RMS調度算法的優點是實現簡單，缺點是網絡的利用率比較低。

截止時間優先調度算法EDF是最優的動態調度算法[15]，該算法并不要求所有任務都是周期的，其余假設與RMS算法類似。EDF算法令任務優先級與任務的截止時間成單調關系，任務截止時間越近，優先級越高；任務截止時間越遠，優先級越低。任務可以被實時調度的充分必要條件為：

式中：ti為任務的截止時間。EDF算法的優點是網絡利用率較高，缺點是實現比較復雜。

3 SpaceWire網絡延時性能分析

下面分析比較幾種SpaceWire通信網絡的延時性能，推導了最小/最大延時的計算方法并通過算例進行說明。在分析中，進行以下的理想化假設：

1) 忽略電信號在鏈路上的傳播延時和路由器的交換延時；

2) 忽略各終端節點內部處理延時，如內部總線讀寫時間，中斷生成、響應和處理時間，中斷造成的時間碼發送推遲等。

圖5給出了算例的網絡拓撲結構，表2列出了網絡中所有通信任務，所有任務都是不相容的。設數據傳輸速率r=20 Mbit/s；N6為時間主節點，網絡最長鏈路p=3，根據式(1)、(2)計算可得，時間字符最大傳輸延遲和抖動為3.6 μs，因此取網絡時間單位Tnet=100 μs；令系數b=0.8，根據式(5)計算得m=155 byte；根據式(6)可以計算得到為各任務分配的時隙數目ni；設置網絡重新同步時時間碼廣播間隔tsync=5 μs。

圖5 算例的網絡拓撲結構Fig.5 Network topology of the example

fi源目的ci∕Kbyteti∕ms1N1N6142N3N62163N5N64404N2N610505N4N61001000

3.1 事件觸發通信延時性能

根據式(3)可以計算得到通信任務fi在事件觸發SpaceWire網絡中無阻塞傳輸時的最小延時dmin(fi)。

文獻[7]給出計算最大延時的遞推方法，這種方法假設所有通信任務隨時會就緒，但實際中一個通信任務兩次就緒之間一般存在最小時間間隔，因此需要進行一定修正。

首先，給出如下約定：記通信任務fi經過的第一條鏈路為l1st，最后一條鏈路為llast；函數next(fi,l)返回當前鏈路l的下一跳鏈路，函數next(fi,l)返回當前鏈路l的上一跳鏈路，規定next(fi,llast)=null。記d(fi,l)為從鏈路l到目的終端的最大延時。定義數據發送延時為：

下面給出遞推計算過程。當l=llast時，有：

式中：Pl表示l的所有前一跳鏈路的集合，即

Pl={l′∈L|?f′∈F,l′=prev(f′,l)}；

Fl′l表示經過鏈路l′和l的所有任務的集合，即

Fl′l={f∈F|l′,l∈links(f), l′=prev(f,l)}

當l≠l1st且l≠llast時，有：

當l=l1st時，有：

式中：Sf為與f具有相同源節點的所有任務的集合。任務fi的最大傳輸延遲可以表示為：

下面通過算例說明計算過程，由式(8)～(11)可得：

d(f1,l1)=d(f1,l7)=

d(f1,l11)+d(f2,l11)+d(f4,l11)=

d(f1,null)+d(f2,null)+3d(f3,null)+

d(f4,null)+3d(f5,null)

式中的第一項表示f1的無阻塞通信時間，其他項表示f1被阻塞的時間，其中系數大于1的項表示該任務多次就緒阻塞f1。例如，式中f5就緒了3次，但實際上設定f5的周期為1 000 ms，在阻塞期內只可能就緒1次。因此，需要引入修正項刪除這些重復就緒的任務，修正后：

dmax(f1)= d(f1,null)+d(f2,null)+

2d(f3,null)+d(f4,null)+

d(f5,null)

同理，可以計算得到其他通信任務的最大延遲。本算例中，在事件觸發通信機制下，各通信任務的最小/最大傳輸延時計算結果如表3所示。

3.2 傳統的時間觸發通信延時性能

在傳統的時間觸發通信機制中，通信任務fi的傳輸延時等于已就緒任務等待傳輸時隙的時間加上占用時隙進行無阻塞傳輸的時間。因此，當數據恰好無等待地進行傳輸時，有最小延時：

式中：ni表示為fi一次通信分配的時隙數；Tnet為網絡時間單位。最大延時應等于兩次通信時隙之間的間隔：

式中：ti為通信任務fi兩次就緒的最小間隔。

本算例中，在傳統的時間觸發通信機制下，各通信任務的最小/最大延時計算結果如表3所示。

3.3 可搶占實時通信延時性能

在本文提出的通信機制中，如果通信任務fi剛就緒就立刻占用網絡直到傳輸完成時，有最小延時：

總延時包括網絡重新同步時間加上占網絡進行傳輸的時間。

最大延時可以表示為：

式中：Hf為優先級高于f的通信任務的集合。式(16)等號右側第一項表示等待任務調度點的時間，第二項表示高優先級通信任務搶占網絡造成的延時，第三項表示通信任務進行數據發送的時間。由于式(16)中，dmax(fi)同時出現在等號的兩側，難以寫出形式化的解，可以采用迭代的方法求解：

在算例中，將非周期性的通信任務看成周期性的，將就緒的最小間隔看作其周期，令任務的截止時間等于其周期。根據完成時限為各任務分配固定的優先級，任務時限越短，優先級越高。式(7)的計算結果表明，網絡中的通信任務可以被RMS算法調度。根據式(15)、式(17)計算得到可搶占實時通信網絡中各任務的最小/最大延時，見表3。

3.4 各類通信機制延時性能分析

算例中的各通信任務在不同的通信機制下的最小/最大傳輸延時的計算結果如表3所示。

對于最小傳輸延時，事件觸發通信最小延時值最小；而時間觸發通信最小延時要略大，這是保留時隙余量和數據分片導致的；可搶占實時通信最小延時最大，因為還要再加上廣播TID的開銷。

對于最大傳輸延遲，事件觸發通信中，各任務爭用網絡導致互相阻塞，使一些任務的最大延遲超過了其完成時限；在時間觸發的通信中，網絡資源的固定分配給各任務進行時分復用，在最壞情況下也能保證任務在截止時間前完成；在無阻塞實時通信中，為各任務指定優先級，實現網絡資源的“按需分配”，有效減小了最大延時。

可以通過改變任務的優先級來改變最大延時，表4顯示了在其他任務相對優先級與上文保持不變時，改變任務f5的優先級時其最大延時的變化情況。

表3 通信任務的最小/最大延時

Table 3 The min./max.delay of communication tasks

傳輸延時/msfi事件觸發時間觸發可搶占實時minmaxminmaxminmax10 5060 500 704 000 720 8221 0060 501 3016 001 322 1632 0057 002 6040 002 625 5445 0060 506 5050 006 5213 56550 0057 0064 601000 0064 62131 38

表4 不同優先級時任務f5的最大延時

Table 4 The min./max. delay of communication tasks

優先級12345最大延時/ms64 7279 5289 78101 26131 38

4 結束語

星載電子系統的重要發展趨勢是采用統一的網絡技術連接星載設備，以增強組件的兼容性、重用性和可靠性，降低系統開發成本和時間。為了基于SpaceWire標準構建統一的星載總線網絡，本文對SpaceWire的無阻塞實時通信展開研究。首先建立了改進的時間觸發通信的概念，提出了非破壞性可搶占通信機制，采用實時調度算法保證通信任務滿足實時性要求。理論證明和算例分析表明，本文提出的通信機制可以有效改善網絡中消息的最壞時延，適合于多種優先級通信任務的實時調度。

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(編輯：高珍)

A pre-emptible real-time SpaceWire on-board network

WU Zhongjie1，LIU Jianglan2，SONG Wei3，YU Junjie3，LIN Jingming3,ZHAO Zhanfeng4,*

1.School of Electronics and Information Engineering, Harbin Institute of Technology，Harbin 150001,China 2.Shanghai Institute of Aerospace System Engineering, Shanghai 201109, China 3.Shandong Institute of Aerospace Electronics Technology, Yantai 264003, China 4.School of Information and Electrical Engineering,Harbin Institute of Technology,Weihai,Weihai 264209,China

To build unified on-board communication infrastructure based on SpaceWrie,research should be done to guarantee the deterministic and real-time performance of message transmission. To overcome the lack of flexibility in traditional time-triggered communication, a modified time-triggered SpaceWire network which supported the broadcasting of communication task transmission identifier was proposed. On this basis, a non-destructive pre-emptible communication mechanism was built and the application of classical processor real-time scheduling algorithm to communication task scheduling was discussed. At last, the transmission delay performance was analyzed and compared among event-triggered, traditional time-triggered and non-blocking real-time SpaceWire communication mechanisms. The research shows that this communication mechanism can reduce the worst-case end-to-end delay, and is suited for the scheduling of communication tasks with various priorities.

on-board network；SpaceWire；pre-emptible；real-time；deterministic

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0063

2016-05-18；

2016-06-29；錄用日期：2016-08-22；

時間：2016-12-16 11:29:13

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20161216.1129.008.html

吳中杰(1991-)，男，碩士研究生，hit_wzj@163.com，研究方向為星載電子系統設計

*通訊作者：趙占鋒(1980-)，男，副教授，zhaozhanfeng@hitwh.edu.cn,研究方向為現代分析儀器、星載電子系統

吳中杰,劉江瀾,宋偉,等.可搶占實時星載SpaceWire總線網絡研究[J].中國空間科學技術,2016,36(6)：

62-69.WUZJ,LIUJL,SONGW,etal.Apre-emptiblereal-timeSpaceWireon-boardNetwork[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2016, 36(6)：62-69(inChinese).

V443

A

http:∥zgkj.cast.cn