0 引言

    隨著航天器技術的不斷發(fā)展，對綜合航電技術提出了新的需求，主要表現(xiàn)在對系統(tǒng)可擴展可重構性要求支持能力更高；長距離傳輸下，數(shù)據(jù)的實時性和同步性要求更高，要求網(wǎng)絡具備更高的數(shù)據(jù)傳輸速率；對重量功耗等提出更高的約束；同時要求高可靠、易測試、低費效比、快速研制等要求，傳統(tǒng)網(wǎng)絡難以滿足這種新的應用需求^[1]。

    時間觸發(fā)以太網(wǎng)（Time Trigger Ethernet，TTE）是國際上最新的一項基于以太網(wǎng)的新型總線技術，具有高帶寬、高實時性、高可靠性和高兼容性的特點。該網(wǎng)絡兼容了時間觸發(fā)協(xié)議和以太網(wǎng)技術的優(yōu)勢，能夠在同一個網(wǎng)絡平臺上傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流、AFDX數(shù)據(jù)流和時間觸發(fā)數(shù)據(jù)流，TTE使用時間觸發(fā)技術極大減少網(wǎng)絡的延遲（12.5 μs/交換機）和抖動（1 000 Mbps下小于1 μs），支持10 M/100 M/1 000 Mbps數(shù)據(jù)傳輸率，支持三冗余架構，具備更高的安全性和全面的容錯機制。該網(wǎng)絡的核心優(yōu)勢在于可以使綜合電子系統(tǒng)更好地支持重新配置、預測性維護、增量升級和認證，使單機單位和總體單位能夠開發(fā)真正模塊化的、可擴展的和優(yōu)化的集成架構，同時降低系統(tǒng)復雜性和產(chǎn)品全生命周期成本。通過將關鍵性和非關鍵性流量在同一條網(wǎng)絡上傳輸，有效減小網(wǎng)絡的重量。在網(wǎng)絡規(guī)模變化的情況下，系統(tǒng)仍可正常進行數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡中的所有組件都執(zhí)行系統(tǒng)設計要求的公共操作，包括系統(tǒng)時間同步、系統(tǒng)容錯、成員檢測、故障隔離等，單個組件的故障不會影響整個網(wǎng)絡的服務及數(shù)據(jù)傳輸^[2]。國外這方面目前已有成熟應用，而國內(nèi)這項技術目前處于起步階段，通過兩年多的研討，目前已經(jīng)是非常熱門的研究話題。

    綜上，TTE網(wǎng)絡技術的研究對綜合航電系統(tǒng)的新要求具有重要的研究意義，TTE網(wǎng)絡技術的核心是同步和調(diào)度，同步提供全局的分布式網(wǎng)絡時鐘同步辦法，調(diào)度提供數(shù)據(jù)交換的合理規(guī)劃。同步和調(diào)度技術是TTE網(wǎng)絡技術研究的基礎，也是未來工程化的必經(jīng)之路。

1 時間同步技術概述

    TTE時鐘同步協(xié)議遵循SAE的AS6802^[3-4]，該協(xié)議是在IEEE1588協(xié)議的基礎上改進得出的，是一種占用資源少、易實現(xiàn)、同步精度高的分布式容錯時鐘同步技術。TTE的時鐘同步采用完全分布式的算法同步，最終同步的時間是集合因子，故障容忍允許個別節(jié)點時鐘故障。TTE網(wǎng)絡需要周期性地再同步以抵消節(jié)點晶振漂移帶來的影響。網(wǎng)絡節(jié)點按其功能可分3類：同步主（SM）、壓縮主（CM）和同步客戶端（SC）。其同步過程如圖1所示。

    第一步，同步主發(fā)送協(xié)議控制幀（PCF）ID 1-3給壓縮主。由于路徑不同，各PCF幀的到達時間不同，壓縮主 “固化功能”恢復這些幀的發(fā)送順序，之后根據(jù)“壓縮功能”計算所有同步主的時間均值作為系統(tǒng)時間，并與該時間同步，之后將時鐘信息寫入?yún)f(xié)議控制幀ID4。

    第二步壓縮主根據(jù)新生成的系統(tǒng)時間發(fā)送ID4給其它各節(jié)點，各節(jié)點接收ID4，并將自己的時間與系統(tǒng)時間進行同步。

    TTE網(wǎng)絡的同步以PCF幀交換為基礎。 PCF幀是一個標準的最小長度46 B的以太網(wǎng)幀，如表1所示，其網(wǎng)絡類型域0x891d，內(nèi)含重要的延時信息，用于TTE網(wǎng)絡的同步。

2 時間同步原理

    TTE的運行由周期性的集群周期組成，每一個集群周期被劃分成從0開始標記的若干個集成周期。每一個集成周期進行一次時鐘再同步。時鐘再同步如圖2所示。

    本文結合典型的多跳拓撲結構圖進行TTE網(wǎng)絡時鐘同步過程分析，如圖3所示。

    再同步啟動時，SM101/5/6向CM203發(fā)送PCF幀，CM203對PCF幀進行固化處理排序后，壓縮計算新的系統(tǒng)同步時鐘，同時將本地時鐘與新時鐘保持同步，之后轉發(fā)新的PCF用于網(wǎng)絡時鐘同步，其他節(jié)點使用該PCF用于本地同步。

2.1 固化功能

    固化功能的主要作用就是將壓縮主接收到的失序的PCF幀進行順序恢復。如圖4所示。

    由于各同步主到壓縮主的距離不同而引起PCF幀到達壓縮主的時序發(fā)生變化。固化功能通過將每個到達的PCF幀延遲一個固化延時時間見式(1)，從而保證接收到的PCF幀的相對順序和幀發(fā)送時一致。

2.2 壓縮功能

    壓縮功能對采集接收到的PCF幀并進行壓縮計算，得到最佳系統(tǒng)時間，用于系統(tǒng)時間同步。壓縮功能共分3階段：采集階段、計算階段和延時階段，壓縮主壓縮功能示意圖如圖5所示。

    采集階段中OW為采集窗口，為了能容忍兩個錯誤需要3個OW，CO為計算階段，DP計算出的系統(tǒng)最佳時間。通過對預計壓縮完成時間和實際壓縮完成時間做差，得出時鐘偏差-5，在延時30后將SW203的本地時鐘值從150修正到145，完成本地同步，同時間隔50后將新的PCF幀發(fā)送，用于其他器件的同步。

2.3 網(wǎng)絡同步

    圖6中的粗黑色短豎線表示各個器件的預固化時間，通過與實際固化時間做差得出各器件的時鐘修正值。間隔一段延時后對本地邏輯時鐘進行修正，之后節(jié)點邏輯時間保持一致，網(wǎng)絡同步。

    在圖6中系統(tǒng)所有的網(wǎng)絡節(jié)點對自身時鐘修改完成以后整個網(wǎng)絡時鐘保持同步見式(3)，為了便于顯示，在時標280時刻對所有的邏輯時間的變化進行比較。在此忽略時鐘精度對系統(tǒng)同步的影響。

3 時間同步的影響因素

    TTE網(wǎng)絡是根據(jù)全局時鐘基進行流量的調(diào)度傳輸工作，在此期間，由于各網(wǎng)絡設備內(nèi)部晶振的個性差異和環(huán)境影響（如溫度和濕度），導致網(wǎng)絡中各設備的邏輯時鐘值出現(xiàn)或快或慢的漂移變化。長期積累，在接收幀不能及時出現(xiàn)在接收窗口（精度間隙），致使網(wǎng)絡同步丟失的現(xiàn)象，進而導致關鍵信息幀被丟掉。如圖7所示。

    圖中展示晶振漂移對3個系統(tǒng)時鐘帶來的不同影響?！唉小笔侨蒎e允許下，系統(tǒng)的最快和最慢時鐘之差，較小π意味著較小的超時設定，同時表明系統(tǒng)更加高效。系統(tǒng)精度、再同步間隔和晶振偏移率之間的關系如圖8所示。

    圖8中，精度間隙（π）≥2×再同步間隙×晶振漂移率。假定晶振漂移率為500 ppm，再同步時間為5 ms，則精度間隙最小需要5 μs。

    對于TTE網(wǎng)絡，影響同步設計的因素主要有3個：(1)晶振性能，偏移率越大，再同步時間變小，系統(tǒng)效率變低。(2)再同步間隙越大，對晶振的要求越高，晶振成本增加，應用成本增加；(3)再同步使用的方法，分布式時鐘同步方法能夠提供高效可靠的同步，同時具有強大的容錯能力。除此以外，添加適當?shù)难訒r補償對物理層和線路延遲進行補償，可以保證同步時鐘精度更高。

4 調(diào)度機制概述

    TTE網(wǎng)絡調(diào)度采用時分復用技術，通過時間規(guī)劃保證關鍵流量和非關鍵流量在同一條物理鏈路上進行傳輸，彼此之間互不沖突，目前最成熟的調(diào)度工具是TTE-Plan軟件，內(nèi)嵌SRI（斯坦福國際研究所）開發(fā)的SMT形式化求解器，但隨著TT流量數(shù)量的增加，求得可行的調(diào)度方案的復雜度急劇增大。TTE網(wǎng)絡中每一個同步節(jié)點只能在規(guī)定的時間序列中規(guī)定的時刻進行數(shù)據(jù)收發(fā)操作，通信必須在各自的時間槽內(nèi)完成，保證彼此之間的數(shù)據(jù)流不產(chǎn)生沖突。如圖9所示。

    周期性的節(jié)點時間槽構成了一個TDMA周期，所有的TDMA周期都具有相同的時間長度。在TDMA周期中，節(jié)點每一次發(fā)送數(shù)據(jù)的長度和內(nèi)容可能不同。多個TDMA周期構成集群（cluster）周期，即總線運行周期。重復的集群周期構成整個傳輸時間軸。ET（事件觸發(fā)）流量RC和BE可在TT的間隙內(nèi)發(fā)送。

5 調(diào)度機制原理

    TTE網(wǎng)絡調(diào)度是一種多孔調(diào)度方法，將屬于不同流量的TT消息分散于時間軸，之間的孔隙用于容納既有的事件觸發(fā)流量。TTE調(diào)度是在TT流量中預留一定比例的分數(shù)帶寬，生成首尾緊密排列的TT消息調(diào)度方案(先驗調(diào)度)，然后該方案被平均分配到整個帶寬下(后驗調(diào)度)，在TT消息之間的孔隙是可供RC流量和BE流量傳輸?shù)臅r間片(調(diào)度解釋)，如圖10。以表2內(nèi)容為例說明TTE調(diào)度表的生成方式。

5.1 TTE網(wǎng)絡調(diào)度表

    TT調(diào)度表包含由n個基本周期(BC：Basic Cycle)組成的一個矩陣周期(MC：Matrix Cycle)。BC是所有TT流量周期的最大公約數(shù)，n是所有TT流量的最小公倍數(shù)/最大公約數(shù)。TT段中，時間資源被分為時間槽（time solt），一般為定長，不同長度的幀可以占用多個時間區(qū)間。

    圖10展示由4個BC周期構成單個MC的TT流量發(fā)送調(diào)度表，對應的TT流量如表2所示。陰影部分表示有TT幀發(fā)送。

5.2 網(wǎng)絡調(diào)度表生成方法

    周期調(diào)度表的生成有兩種方式：(1)靜態(tài)生成方式，需要提前規(guī)劃，系統(tǒng)上電之前就要配置好，適用于系統(tǒng)中需要上電就執(zhí)行的通信任務。(2)動態(tài)生成方式，可以在系統(tǒng)運行過程中根據(jù)需要握手協(xié)商后生成的調(diào)度表，適用于動態(tài)開啟和結束的TT流量任務，是靜態(tài)生成方式的補充。

    無論哪種生成方式，其調(diào)度表生成原則相同：一是左端緊縮原則，即任務分配調(diào)度時優(yōu)先考慮最左側的時間段，為后來的任務添加留下盡可能多的余量，方便后續(xù)任務的添加。二是均勻間隔原則，即對于周期相同的任務在排列時，周期為2^m×BC的任務優(yōu)先選擇行標為2m^-1-1的縱向間隔均勻排列。根據(jù)該原則表2中的任務最終呈現(xiàn)如圖10所示。

5.3 TTE網(wǎng)絡調(diào)度表分類

    TTE網(wǎng)絡中共有4類調(diào)度表交換機相連端口發(fā)送表、終端發(fā)送表、終端接收表和單任務發(fā)送表，如表3所示，所有單任務發(fā)送表共同組成了終端發(fā)送表。

5.4 周期調(diào)度表的生成流程

    結合調(diào)度表的生成方法，本文給出一種嘗試、修改、迭代生成方式的靜態(tài)周期調(diào)度表生成流程，如圖11所示。

    任務的加載順序不同，其生成的調(diào)度表也不相同，通過將系統(tǒng)中所有發(fā)送表的公共空閑區(qū)間進行統(tǒng)計比較，選出公共空閑區(qū)間最大的調(diào)度表做為最優(yōu)調(diào)度表。

6 調(diào)度機制影響因素和未來的發(fā)展趨勢

    本文提出的方案與任務數(shù)量是緊密相關的，隨著TT流量數(shù)的增加，使用該流程求得的調(diào)度方案復雜度將指數(shù)增加，這對處理器來說是非常有挑戰(zhàn)性的，未來可以加入先驗性的手段，提前預測調(diào)度的可行性，對不可能的任務排列，直接放棄以減小調(diào)度方案的執(zhí)行，進而達到優(yōu)化方案的目的。

    此外在調(diào)度過程中也要避免由于晶振漂移導致的接收幀的邊沿疊加現(xiàn)象，對于這種現(xiàn)象可以通過在源頭加入一定的時間冗余進行避免或者接收時加入一定的時間容量，容量范圍內(nèi)的幀都可以接收，進而避免這種幀邊沿的重疊現(xiàn)象。

7 總結

    本文通過對TTE網(wǎng)絡關鍵同步和調(diào)度算法等難點進行研究，通過實例對同步算法進行分析，并指出時鐘同步的影響因素，便于后續(xù)網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計分析。同時對調(diào)度原理、調(diào)度表的生成原則和方式進行分析，提出一種嘗試、修改、迭代生成方式的靜態(tài)周期調(diào)度表生成流程，并指出這種方案未來可以優(yōu)化的方向，為后續(xù)任務調(diào)度的工程化提供一種有效的工程解決方案。

參考文獻

[1] 曾貴明，劉文文.新一代飛行器綜合航電系統(tǒng)架構[J].航天微電子，2016(1)：27-30.

[2] Deterministic ethernet networks for advanced integrated architectures[EB/OL].www.tttech.com.

[3] SAE Technical Standard. SAE AS6802[S].SAE International.2011-11.

[4] TTTech.TTEthernet Specification-0.9.1-22968[S].TTTech Computertechnik AG.20-Nov-2008.

作者信息:

閆  攀，張奇榮，權海洋

（北京微電子技術研究所，北京100076）