可抢占实时星载SpaceWire总线网络研究

吴中杰，刘江澜，宋伟，于俊杰，林景明,赵占锋

1.哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院，哈尔滨 150001 2.上海宇航系统工程研究所，上海 201109 3.山东航天电子技术研究所，烟台 264003 4.哈尔滨工业大学(威海) 信息与电气工程学院，威海264209

可抢占实时星载SpaceWire总线网络研究

吴中杰1，刘江澜2，宋伟3，于俊杰3，林景明3,赵占锋4，*

1.哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院，哈尔滨 150001 2.上海宇航系统工程研究所，上海 201109 3.山东航天电子技术研究所，烟台 264003 4.哈尔滨工业大学(威海) 信息与电气工程学院，威海264209

为基于SpaceWire构建统一的星载总线网络，需要保证消息传输的确定性和实时性。针对传统时间触发通信灵活性不足的缺点，提出了一种支持通信任务传输标志符广播的改进时间触发通信SpaceWire总线网络；在此基础上建立了非破坏性可抢占通信机制，并讨论了经典的处理器实时调度算法在网络通信中的应用；最后分析比较了SpaceWire的事件触发通信、传统的时间触发通信与所提出的可抢占实时通信的延时性能。研究表明，提出的通信机制能够有效改善信息传输的最坏端到端延时，适合于多种优先级通信任务的实时调度。

星载网络；SpaceWire；可抢占；实时性；确定性

SpaceWire[1]是欧洲航天局面向航天应用提出的高速数据传输总线标准，它采用点对点、全双工、串行链路，将一系列终端、路由器互联，为星载数据系统提供高效、灵活、可靠的数据传输服务，已成功应用于ESA、NASA、JAXA的多个空间任务[2]。

总体上，星上数据可分为控制类和数据类[3]。前者如周期或非周期的卫星时间、姿态广播，注入遥控数据等，占用带宽小，但具有较高的可靠、实时性要求；后者如科学或工程遥测数据等，占用带宽较大，但可靠性和延迟要求较低。通常采用分立的控制网和数据网以适应不同数据业务的需求[4]，前者采用1553B、CAN等低速总线，后者采用同步串/并行LVDS、SpaceWire等高速总线。

分立的网络不利于接口标准和通信协议的统一，基于标准技术构建统一的星载网络，简化系统设计与集成，是目前的研究热点[5-6]。基于SpaceWire的星载网络的问题在于网络阻塞导致的传输延时的不确定性。SpaceWire路由器采用虫洞路由机制，事件触发的数据传输对网络资源的争用会导致严重的阻塞。文献[7]研究了SpaceWire时间触发网络的延时性能，指出最坏端到端延时随通信链路的增长而急剧增大，这对关键的星上命令、控制数据是不能接受的。因此，有必要研究保证SpaceWire网络确定性和实时性的方法。文献[8]采用静态优先级分配方法，但SpaceWire只有两个优先级，难以满足复杂应用需要。文献[9]提出利用SpaceWire时间广播机制，建立时间触发同步网络，其本质上是一种网络资源的时分复用TDMA。文献[10]进一步讨论了SpaceWire时间触发服务，设计了时间和事件触发混合的通信方式。文献[11]研究了混合模式下的传输延时。文献[12]提出了SpaceWire-D协议，利用时间触发传输、有限数据包长和远程存储器访问协议RMAP，确保数据传输的可靠性和确定性。文献[13]综合考虑网络资源冲突、数据传输因果关系，统一规划使节点在确定时间窗口内发送数据，避免网络资源冲突，保障传输确定性、实时性。

之前研究的主要不足之处有：时间触发传输实质上是一种离线的静态调度，灵活性不足。时隙分配后即固定不变，难以适应星上工作模式的变化。TDMA的周期性特点，使其适合调度周期信息，对于非周期信息，应按照其最小间隔固定分配带宽，造成资源浪费。如果一个就绪消息时刚好错过了为其分配的时隙，只能等待下一个次时隙，增大了传输延时等。

为克服以上缺点，本文提出了改进的通信机制，支持在线动态的通信调度，旨在减小消息的最坏延迟，保证传输的确定性和实时性，可用于构建基于SpaceWire标准的统一的星载通信网络。

1 改进的时间触发通信

传统的时间触发通信利用SpaceWire时间广播机制将时间划分成循环的基本通信周期，一个周期由若干等长时隙构成，每个终端仅在为其分配的一个或多个时隙内通信。

1.1 网络时间基准及其精度

SpaceWire允许一个时间主节点周期性地广播时间字符，以提供网络时间基准。广播间隔称为网络时间单位Tnet，即一个时隙长度。时间字符结构如图1所示。

图1 SpaceWire时间字符Fig.1 SpaceWire time character

由图1可知，时间字符由一个转义字符和一个数据字符组成。时间字符中，T0～T5为6位时间码；C0～C1为2位控制码，其含义由用户自定义。

网络时基精度取决于时间字符在网内传播的延时和抖动。时间字符最大传输延时为：

式中：p为时间主节点到最远节点之间的链路数目；r为传输速率；系数14表示一个时间字符的长度为14位。

如果要发送时间字符时，链路刚好正在发送一个数据字符，会导致时间字符发送抖动，使各时隙的长短有轻微差异。时间字符的最大传输抖动为：

式中：系数10表示1个数据字符的长度为10位。

显然，网络时间单位应满足：

Tnet≥tc_delay+tc_jitter

1.2 数据分片传输

SpaceWire标准未限制一次传输的最大数据长度。为确保一次数据传输能够在一个时隙内完成，必须设置一个最大传输单元长度。在发送端，需要有对应用层数据帧进行分片的机制；在接收节端，分片又被组合成完整的应用层数据帧。图2显示了一个长度为m字节的数据片在网络中无阻塞传输时的端到端延时：

式中：p为端到端链路数目；tb为电信号在链路上的传播时延；tsw为路由器交换时延；r为传输速率。式中忽略了因为发送流量控制字符和时间字符造成的延时。

要保证一个数据片在一个时隙内传输完成，需满足：

图2 数据片在网络中无阻塞传输时的端到端时延Fig.2 Minimum end-to-end delay of the data slice transferred across the network without block

式中：系数b的值应略小于1，为保留的时隙余量和数据分片开销。由式(3)和式(4)可以解得：

应当适当选择m与Tnet的值。如果选择太大，则分片与时隙的粒度太大；如果太小，则会增加数据分片与时间码广播开销。

1.3 改进的时间触发通信

在传统时间触发通信中，时间码所代表当前的系统时间，其值每隔Tnet加1。在本文提出的改进的时间触发通信中，时间码还被赋予了传输标识符(TID)的含义。每个通信任务都被指配了TID，全网广播某TID时，拥有此TID的终端允许发起通信。因此，时间码不一定连续递增，也不一定按照固定时间间隔发送。时间字符中除了6位时间码，还有2位控制码，使用控制码C1C0的值表示当前网络工作状态和时间码类型，如表1所示。

表1 SpaceWire网络工作状态

Table 1 Operating states of theSpaceWire network

C1C0当前网络工作状态C1C0当前网络工作状态0静止状态2无竞争通信状态1同步建立状态3竞争通信状态

由表1可知，共定义了4种网络工作状态，对应于4种类型的时间码。在静止状态下，广播0型时间码，所有终端都不允许通信；无竞争通信状态下，广播2型时间码，只有TID指定的终端才可以发起通信，此时网络资源被独占，传输延迟可以保证；竞争通信状态下，广播3型时间码，所有终端随时可以发起通信，此时网络中可能发生阻塞。处于静止、无竞争通信或竞争通信状态时，时间码以Tnet为间隔连续递增，网络保持时间同步；当从静止、竞争通信状态进入无竞争通信状态，或者由一个无竞争通信切换到另一个无竞争通信时，时间主节点要停止连续时间码的发送，转而发送1型时间码和指定的TID，重新同步网络。

每个SpaceWire终端/路由器都有一个时间码寄存器。当终端/路由器收到一个新的时间字符时，会将时间码值与寄存器的值进行比较，如果时间码值等于寄存器值加1，则判断为有效时间码，路由器向除收到此时间字符的端口外的所有端口广播此时间字符，终端向用户接口报告这个新时间字符；否则，被认为是一个无效时间码，路由器不会进行广播，终端也不会向用户报告，但时间码寄存器会被更新为新时间码值。图3显示了不连续时间码在网络中传播的情况。

图3 不连续时间码在网络中的传输Fig.3 Broadcasting of discontinuous time codes in the network

设时间主节点到最远终端之间共有p段链路，重建同步需要至少广播p+1个连续的1类时间码，且第一个1类时间码的值应为TID—p-1，设置广播间隔tsync远小于Tnet且大于时间码的延迟和抖动。收到1型时间码后，终端将中止当前的发送，并将随后收到的第一个2型时间码当作TID，持有此TID的节点允许发起传输，而其他终端保持静默。此后，主节点以间隔Tnet广播连续的2型时间码，直到为本次传输分配的时隙用尽，或者本次传输被抢占。

图4显示了一个网络工作状态转换过程的示例。网络开始处于静止状态，随后进入竞争通信状态，随后TID=3的传输占用网络4个时隙，接着TID=22的传输占用网络2个时隙，接下来的2个时隙又被TID=3的传输占用。之后，网络又进入竞争通信状态和静止状态。

图4 网络状态转换示例Fig.4 An example of network states transition

2 可抢占实时SpaceWire通信

建立了改进的SpaceWire时间触发通信网络，就可以实现时间主节点控制下的非破坏性可抢占实时通信调度。其中，可抢占指新就绪的无竞争通信可以抢占竞争通信，高优先级竞争通信可以抢占低优先级竞争通信；非破坏性指抢占不会导致不完整的数据包，这是通过将抢占点设置在时隙结束时刻保证的。实时指保证所有通信都在其截止时间前完成。

2.1 非破坏性可抢占通信

将SpaceWire总线网络抽象为有向图G(N,L)，N代表网络中所有节点(终端与路由器)的集合，L代表连接两节点的边的集合。使用两条反向的边代表节点之间的双向链路。不考虑SpaceWire组自适应路由，即假设从源终端到目的终端的路径是唯一的。将一个通信任务记为f，网络中所有通信任务的集合记为F。对于∀f∈F，可以表示为：

式中：c为一次通信数据量，单位为字节；t为任务两次就绪的周期或最小间隔；d为任务截止时间；函数links(f)按序返回f所经过的所有链路的集合；函数pri(f)返回f的优先级，规定优先级数值越小，优先级越高。时间t内需要为通信f分配的时隙数目：

(6)

式中：m表示一个时隙内允许传送的最大数据量，单位字节；符号「*⎤表示向上取整。

给出以下定义：

定义1 称通信f与f′为相容通信，如果满足条件：

links(f)∩links(f′)=∅

定义2 称集合E⊆F为相容通信集，如果对于∀f,f′∈E，f与f′都是相容通信。

定义3 称H={E1,E2,…,Em}为F的一个划分，如果满足：

1)∀Ei∈H，Ei为相容通信集；

2)∀Ei,Ej∈H，Ei∩Ej=∅；

3)∪Ei∈HEi=F。

显然，相容通信可以同时在网络中无阻塞地传输，抢占只发生在两个不相容的通信之间。因此，没有必要为每一个f分配一个TID，只需要为一个划分H中的每个相容通信集E分配TID。

通信抢占过程描述如下：

步骤1 在调度时间点(即时隙结束时刻，一个数据分片刚好被传输完时)，检查就绪任务表。如果没有无竞争通信任务就绪，网络进入静止或竞争通信状态，时间主节点继续发送连续时间码，仍处于步骤1；否则，记所有就绪的无竞争通信的集合为Frdy，记其中优先级最高的通信任务为f，其所属的相容通信集为Ef，执行步骤2。

步骤2 如果当前网络正处于静止或竞争通信状态，重新同步网络，广播Ef的TID，通信任务集合Frdy∩Ef占用网络，转入无竞争通信状态，执行步骤4；如果当前网络正处于无竞争通信状态，且占用网络的优先级最高的通信任务为fcurr，执行步骤3。

步骤3 如果fcurr=f或者fcurr∈Ef，又或者pri(fcurr)

步骤4 调度算法决定的通信任务占用网络，发送最长m字节的数据片，时隙耗尽后，将该任务的剩余时隙数减1，执行步骤1。

2.2 通信任务的实时调度

阐明了改进的时间触发通信与非破坏性可抢占通信的原理后，一些处理器经典可抢占实时调度算法可以被用于通信任务的调度。

可以根据系统需要为通信任务人为指定优先级。这种方式符合星载应用简单、可靠的要求，但灵活性不足，难以实现最佳调度。

比率单调调度算法RMS是最佳静态优先级调度算法[14]，该算法的主要假设包括：所有任务都是周期性任务；任务截止时间等于任务周期；任务可以在任何位置被抢占，不存在临界区；每次任务执行时间为常量等。RMS算法令任务优先级与任务周期成单调关系，任务周期越短，优先级越高；任务周期越长，优先级越低。星上通信任务往往具有周期性特点，对于非周期性任务，可以将其最小间隔作为周期。当时隙相对于任务总执行时间足够小时，可以认为通信在任何时间点都能够被抢占。因此，RMS算法的假设在本文的通信任务的实时调度中成立。假设所有通信任务都是不相容的，所有任务可以被实时调度的充分条件为：

式中：N为任务个数；ni表示为通信任务fi所分配的时隙个数；ti为任务周期。RMS调度算法的优点是实现简单，缺点是网络的利用率比较低。

截止时间优先调度算法EDF是最优的动态调度算法[15]，该算法并不要求所有任务都是周期的，其余假设与RMS算法类似。EDF算法令任务优先级与任务的截止时间成单调关系，任务截止时间越近，优先级越高；任务截止时间越远，优先级越低。任务可以被实时调度的充分必要条件为：

式中：ti为任务的截止时间。EDF算法的优点是网络利用率较高，缺点是实现比较复杂。

3 SpaceWire网络延时性能分析

下面分析比较几种SpaceWire通信网络的延时性能，推导了最小/最大延时的计算方法并通过算例进行说明。在分析中，进行以下的理想化假设：

1) 忽略电信号在链路上的传播延时和路由器的交换延时；

2) 忽略各终端节点内部处理延时，如内部总线读写时间，中断生成、响应和处理时间，中断造成的时间码发送推迟等。

图5给出了算例的网络拓扑结构，表2列出了网络中所有通信任务，所有任务都是不相容的。设数据传输速率r=20 Mbit/s；N6为时间主节点，网络最长链路p=3，根据式(1)、(2)计算可得，时间字符最大传输延迟和抖动为3.6 μs，因此取网络时间单位Tnet=100 μs；令系数b=0.8，根据式(5)计算得m=155 byte；根据式(6)可以计算得到为各任务分配的时隙数目ni；设置网络重新同步时时间码广播间隔tsync=5 μs。

图5 算例的网络拓扑结构Fig.5 Network topology of the example

fi源目的ci∕Kbyteti∕ms1N1N6142N3N62163N5N64404N2N610505N4N61001000

3.1 事件触发通信延时性能

根据式(3)可以计算得到通信任务fi在事件触发SpaceWire网络中无阻塞传输时的最小延时dmin(fi)。

文献[7]给出计算最大延时的递推方法，这种方法假设所有通信任务随时会就绪，但实际中一个通信任务两次就绪之间一般存在最小时间间隔，因此需要进行一定修正。

首先，给出如下约定：记通信任务fi经过的第一条链路为l1st，最后一条链路为llast；函数next(fi,l)返回当前链路l的下一跳链路，函数next(fi,l)返回当前链路l的上一跳链路，规定next(fi,llast)=null。记d(fi,l)为从链路l到目的终端的最大延时。定义数据发送延时为：

下面给出递推计算过程。当l=llast时，有：

式中：Pl表示l的所有前一跳链路的集合，即

Pl={l′∈L|∃f′∈F,l′=prev(f′,l)}；

Fl′l表示经过链路l′和l的所有任务的集合，即

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

当l≠l1st且l≠llast时，有：

当l=l1st时，有：

式中：Sf为与f具有相同源节点的所有任务的集合。任务fi的最大传输延迟可以表示为：

下面通过算例说明计算过程，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)

式中的第一项表示f1的无阻塞通信时间，其他项表示f1被阻塞的时间，其中系数大于1的项表示该任务多次就绪阻塞f1。例如，式中f5就绪了3次，但实际上设定f5的周期为1 000 ms，在阻塞期内只可能就绪1次。因此，需要引入修正项删除这些重复就绪的任务，修正后：

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

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

d(f5,null)

同理，可以计算得到其他通信任务的最大延迟。本算例中，在事件触发通信机制下，各通信任务的最小/最大传输延时计算结果如表3所示。

3.2 传统的时间触发通信延时性能

在传统的时间触发通信机制中，通信任务fi的传输延时等于已就绪任务等待传输时隙的时间加上占用时隙进行无阻塞传输的时间。因此，当数据恰好无等待地进行传输时，有最小延时：

式中：ni表示为fi一次通信分配的时隙数；Tnet为网络时间单位。最大延时应等于两次通信时隙之间的间隔：

式中：ti为通信任务fi两次就绪的最小间隔。

本算例中，在传统的时间触发通信机制下，各通信任务的最小/最大延时计算结果如表3所示。

3.3 可抢占实时通信延时性能

在本文提出的通信机制中，如果通信任务fi刚就绪就立刻占用网络直到传输完成时，有最小延时：

总延时包括网络重新同步时间加上占网络进行传输的时间。

最大延时可以表示为：

式中：Hf为优先级高于f的通信任务的集合。式(16)等号右侧第一项表示等待任务调度点的时间，第二项表示高优先级通信任务抢占网络造成的延时，第三项表示通信任务进行数据发送的时间。由于式(16)中，dmax(fi)同时出现在等号的两侧，难以写出形式化的解，可以采用迭代的方法求解：

在算例中，将非周期性的通信任务看成周期性的，将就绪的最小间隔看作其周期，令任务的截止时间等于其周期。根据完成时限为各任务分配固定的优先级，任务时限越短，优先级越高。式(7)的计算结果表明，网络中的通信任务可以被RMS算法调度。根据式(15)、式(17)计算得到可抢占实时通信网络中各任务的最小/最大延时，见表3。

3.4 各类通信机制延时性能分析

算例中的各通信任务在不同的通信机制下的最小/最大传输延时的计算结果如表3所示。

对于最小传输延时，事件触发通信最小延时值最小；而时间触发通信最小延时要略大，这是保留时隙余量和数据分片导致的；可抢占实时通信最小延时最大，因为还要再加上广播TID的开销。

对于最大传输延迟，事件触发通信中，各任务争用网络导致互相阻塞，使一些任务的最大延迟超过了其完成时限；在时间触发的通信中，网络资源的固定分配给各任务进行时分复用，在最坏情况下也能保证任务在截止时间前完成；在无阻塞实时通信中，为各任务指定优先级，实现网络资源的“按需分配”，有效减小了最大延时。

可以通过改变任务的优先级来改变最大延时，表4显示了在其他任务相对优先级与上文保持不变时，改变任务f5的优先级时其最大延时的变化情况。

表3 通信任务的最小/最大延时

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

传输延时/msfi事件触发时间触发可抢占实时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 不同优先级时任务f5的最大延时

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

优先级12345最大延时/ms64 7279 5289 78101 26131 38

4 结束语

星载电子系统的重要发展趋势是采用统一的网络技术连接星载设备，以增强组件的兼容性、重用性和可靠性，降低系统开发成本和时间。为了基于SpaceWire标准构建统一的星载总线网络，本文对SpaceWire的无阻塞实时通信展开研究。首先建立了改进的时间触发通信的概念，提出了非破坏性可抢占通信机制，采用实时调度算法保证通信任务满足实时性要求。理论证明和算例分析表明，本文提出的通信机制可以有效改善网络中消息的最坏时延，适合于多种优先级通信任务的实时调度。

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(编辑：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；录用日期：2016-08-22；

时间：2016-12-16 11:29:13

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

吴中杰(1991-)，男，硕士研究生，hit_wzj@163.com，研究方向为星载电子系统设计

*通讯作者：赵占锋(1980-)，男，副教授，zhaozhanfeng@hitwh.edu.cn,研究方向为现代分析仪器、星载电子系统

吴中杰,刘江澜,宋伟,等.可抢占实时星载SpaceWire总线网络研究[J].中国空间科学技术,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