嵌入式通信系統優化設計

李龍彪

摘 要：嵌入式通信系統設計已有幾十年的發展，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設計融入了微電子技術、電氣自動化等技術，出現了許多新亮點：多核處理器助力嵌入式通信系統、通信系統的任務處理能力增強、處理器節點之間的通信數據傳遞更迅速、嵌入式通信系統越來越安全等等。與此同時，這些新的特點亦是對于嵌入式通信系統提出的挑戰。本文從梳理嵌入式通信系統的通信原理入手，針對系統任務間通信機制和通信系統網絡設計中遇到的問題，開展了優化設計研究。

關鍵詞：嵌入式；通信系統；工作原理；創新設計

一、嵌入式通信系統概述

1.嵌入式通信系統特征

為適應經濟發展和時代進步，通信系統制造商需要制造出功能更加齊全、性能更加強大的通信產品來迎合市場的激烈競爭。嵌入式通信系統需要滿足更多的功能和更多樣的性能要求。嵌入式通信系統由于特定的應用場景、特殊的應用目的，其與一般的系統相比，具備特有的屬性：一是響應時間受限性，通信系統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行完畢。二是可靠性，通信系統對可靠性有嚴格要求，特別是汽車、航空器等控制系統，通信系統的執行情況和執行結果對生命、財產、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議進行，防止死鎖，避免高優先級任務被低級任務阻塞；四是多任務類型，嵌入式通信系統需要處理不同類型的任務，如周期式任務、偶發式任務、非周期式任務和非實時式任務。

2.嵌入式通信系統工作原理

嵌入式通信系統運行中，在不同任務之間需要進行通信，其是通過讀寫、共享變量實現的。必須保證共享變量的數據的一致性，才能保證嵌入式通信系統正常工作。嵌入式通信系統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，則不能訪問系統共享變量。由此任務的執行過程產生關聯，當高優先級任務訪問系統共享變量時，訪問相同共享位置變量的低優先級任務會被拒絕，從而落實嵌入式通信系統運算規則。嵌入式通信系統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.嵌入式通信系統調度原理

為了精確調度嵌入式通信系統的資源，達到實時、可預測的特定要求，在嵌入式通信系統部署之前，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。嵌入式通信系統任務調度技術分為嵌入式通信系統可調度性分析方法和嵌入式通信系統調度策略。嵌入式通信系統任務調度技術研究包括任務共享系統資源的策略、機制，并提供判斷嵌入式通信系統任務可否調度。嵌入式通信系統經歷了從簡單到復雜的歷程。嵌入式通信系統的特定應用需求要求通信系統設備小型化、集成度高，緊密與網絡契合，具備移動能力。并進一步要求嵌入式通信系統的嵌入式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，嵌入式通信系統是一項技術密集、資金密集、研發密集、不斷創新的高新知識集成系統。

二、嵌入式通信系統存在的可擴展性問題

1.嵌入式通信系統網絡容量不足

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

2.嵌入式通信系統分支負載不均衡

當嵌入式通信系統的靜態段時間槽全部占用，而嵌入式通信系統系統的靜態段時間槽占有率僅為50%，屬于嚴重的負載不均。嵌入式通信系統負載不均會導致嵌入式通信系統不能容納新消息傳輸，限制通信系統升級，進而造成嵌入式通信系統系統無法進行擴展。這一問題產生的根源在于嵌入式通信系統通信網絡結構設計缺陷，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負載均衡。

三、嵌入式通信系統優化

1.嵌入式通信系統消息緩存交換結構優化

使用嵌入式通信系統交換機代替原有的設備，嵌入式通信系統交換機只負責把消息轉發給需要該消息的分支，允許多個分支上的ECU 節點同時發送消息，進而提高嵌入式通信系統通信網絡的有效帶寬。嵌入式通信系統的交換機采用電路交換模式，交換機與嵌入式通信系統的總線保持同步。配置嵌入式通信系統交換機中不同輸入端口、輸出端口的連接方式，進而確定消息轉發路徑。嵌入式通信系統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 交換機，有助于嵌入式通信系統的交換結構優化。

2.嵌入式通信系統HSRN負載均衡優化

對嵌入式通信系統HSRN各分支進行負載均衡優化設計，可擴展的通信網絡利用優化后的交換機將嵌入式通信系統的通信網絡分割。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通信網絡的可擴展性。負載均衡設計之后具有明顯的優勢：在電子系統中，軟件升級會導致嵌入式通信系統通信數據量的增加，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的升級和擴展。嵌入式通信系統HSRN結構本身引入了消息可緩存的系統交換機，有效隔離了廣播域，提高了嵌入式通信系統的網絡容量。在嵌入式通信系統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通信系統的消息可調度性，使得嵌入式通信系統可容納更多消息，提高了嵌入式通信系統的通信網絡的帶寬利用率。

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