AT408383B - Verfahren und kommunikationskontrolleinheit zur multimaster uhrensynchronisation in einem verteilten echtzeitcomputersystem - Google Patents

Description

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   TECHNISCHES UMFELD 
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Kommunikationskontrolleinheit zur effizienten Uhrensynchronisation von hoher Genauigkeit in einem verteilten Echtzeitcomputersystem, bestehend aus einer Anzahl von Rechnerknoten, die über ein Kommunikationsnetzwerk, z. B., ein CAN Netzwerk, verbunden sind 
HINTERGRUND DIESER ERFINDUNG 
In einem verteilten fehlertoleranten Echtzeitcomputersystem, bestehend aus einer Anzahl von Knotenrechnern die über ein Echtzeitkommunikationssystem verbunden sind, müssen die Knotenrechner oft zeitlich koordinierte Aufgaben vornehmen. Um diese zeitliche Koordination der verteilten Aktionen zu erleichtern ist es sinnvoll, eine systemweite globale Zeitbasis aufzubauen. Diese globale Zeit soll auch mit dem extern vorgebenen Zeitstandard, der physikalischen Sekunde, abgestimmt sein.

   Eine effiziente Uhrensynchronisation von hoher Genauigkeit ist daher von grossem wirtschaftlichen Wert. 



   Das hier vorgeschlagene Verfahren zur Uhrensynchronisation in einem verteilten Echtzeitcomputersystem baut auf dem US Patent 4,866,606 vom 12. Sept. 1989 mit dem Titel "Loosely Coupled Distributed Computer System with Node Synchronization for Precision in Real-Time Applications" auf 
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN 
Das vorab beschriebene Ziel und andere neue Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden in den angeführten Abbildungen erläutert. 



   Fig. 1 zeigt die Struktur eines verteilten Computersystems mit fünf Knotenrechnern, die über einen Bus verbunden sind. 



   Fig. 2 zeigt die Struktur eines Knotenrechners, bestehend aus einem Host Computer und einer Kommunikationskontrolleinheit mit dem Anschluss zum Bus. 



   Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen den lokalen Microticks und den globalen Macroticks. 



   Fig. 4 zeigt den Ablauf der Ereignisse im Zeitbereich bei der Synchronisation eines SlaveKnotens durch den Zeit Master. 



   Fig 5 zeigt die Intervalle auf der Zeitachse, während der ein Standby Master eine Synchronisationsnachricht senden darf. 



   BESCHREIBUNG EINER REALISIERUNG 
Im folgenden Abschnitt wird eine Realisierung des neuen Verfahrens an einem Beispiel mit fünf Knotenrechnern, die über einen gemeinsamen Bus kommunizieren, gezeigt. Die Objekte in den Abbildungen sind so numeriert, dass die erste der dreistelligen Objektziffern immer die Bildnummer angibt. 



   Fig. 1 zeigt ein System von fünf Knotenrechnern 110,120, 130,140 und 150, die über einen gemeinsamen Bus 101, z.B. über einen CAN Bus, Daten austauschen. Der Knotenrechner 110 ist der aktuelle Zeitmaster, der die anderen vier Knotenrechner periodisch resynchronisiert. Einer dieser vier Knotenrechner, z. B., Knotenrechner 120, kann die Rolle eines Standby Masters einnehmen, der die zentrale Uhrensynchronisation übernimmt, falls der Knotenrechner 110 ausfällt. 



   Fig. 2 zeigt den inneren Aufbau eines Knotenrechners, z. B., Knotenrechner 110. Ein Knotenrechner besteht aus zwei Subsystemen, den Host Computer 201 und dem Kommunikationskontroller 202, der mittels der Leitung 203 mit dem gemeinsamen Bus 101 verbunden ist. Jeder Knotenrechner muss über einen lokalen Zeitzähler verfügen, der vom lokalen Oszillator des Knotenrechners getrieben wird und dessen Granularität die Microtickgranularität des Knotenrechners festlegt. Erfindungsgemäss kann ein Teil oder das gesamte beschriebene Verfahren im Kommunikationskontroller 202 in Software oder Hardware realisiert werden. 



   Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen den globalen Macroticks 310,320, 330 und den lokalen Microticks 301 (siehe Kopetz, H. (1997). Real-Time Systems, Design Principles for Distribu- 

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 ted Embedded Applications; ISBN: 0-7923-9894-7, Third printing 1999. Boston. Kluwer Academic
Publishers, Seite 48) an. Die Macroticks bauen die globale Zeitbasis im verteilten System auf. Der
Abstand von zwei globalen Macroticks 350 soll sich nach Möglichkeit an der physikalischen
Sekunde orientieren. Es ist vorteilhaft, für den Abstand 350 ist eine ganzzahlige negative Zweier- potenz der physikalischen Sekunde (siehe Kopetz, Seite 51)zu wählen. Der Abstand zwischen den
Microticks 301 wird von den Eigenschaften des sich in einem Knoten befindenden lokalen Oszilla- tors bestimmt und ändert sich aufgrund von physikalischen Einflüssen (z.

   B., der Temperatur des
Oszillators). Im allgemeinen Fall ist die Relation von Microticks zu Macroticks (MMR) nicht ganz- zahlig. In Fig. 5 ist diese Relation MMR zwischen 13 und 14. Im allgemeinen Fall hat jeder Knoten- rechner eine unterschiedliche MMR, die durch die Eigenschaften des lokalen Oszillators des Kno- ten vorgegeben ist und sich über die Zeit ändern kann. 



   Fig. 4 zeigt den Ablauf der Ereignisse während eines Synchronisationsvorganges. Die Zeitach- se 400 zeigt den Fortschritt der Zeit von links nach rechts an. Die senkrechten Linien, die die Zeit- achse 400 schneiden, stellen die signifikanten Ereignisse während der Synchronisation dar. Zum
Zeitpunkt 410 beginnt der Zeitmaster eine Synchronisationsnachricht zu senden, die das abstrak- ten Synchronisationsereignis 412, ausgedrückt in Macroticks, beinhaltet. Das globale Synchronisa- tionsereignis ist der Beginn des Macroticks der in der Synchronisationsnachricht enthalten ist. Der
Masterknoten, der die Synchronisation vornimmt, muss den Sendezeitpunkt 410 so wählen, dass das Ende der Synchronisationsnachricht 411 möglichst nahe zum abstrakten Synchronisations- zeitpunkt 412 bei den Slaveknoten eintrifft.

   Aufgrund von Digitalisierungsfehlern und dem Jitter des
Masters kann das konkrete Synchronisationsereignis 411 vom abstrakten Synchronisationsereignis 412 abweichen. Da in CAN Systemen die Bit-Länge einer Nachricht, auch der Synchronisations- nachricht, vom Dateninhalt abhängt, muss der Zeitmaster nach Festlegung des globalen Synchronisationsereignisses (ausgedrückt in globalen Macroticks) die exakte Länge der Synchronisations- nachricht, ausgedrückt in lokalen Microticks des Masters, berechnen und unter Berücksichtigung der bekannten Übertragungsgeschwindigkeit des Masters den Sendezeitpunkt 410 bestimmen.
Das Ereignis 413 entspricht dem Empfangsinterrupt der Synchronisationsnachricht beim Slave.

   In der Interruptbehandlungsroutine von 413 muss der Slave den alten Wert seines lokalen Zeitszählers sichern und die Länge des Intervalls 421, ausgedrückt in Microticks des Slaves, als Initialisierungswert in den lokalen Zeitzähler des Slaves eintragen, bevor der lokale Zeitzähler zum Zeitpunkt 414 erneut gestartet wird. 



   Fig. 5 gibt an, wie auf der Zeitachse 500 a priori nicht überlappende Intervalle definiert werden, die jeweils abwechselnd dem Master (die Intervalle < 510,511 > und < 520,521 > ) bzw. einem Standby Master (die Intervalle < 512,513 > und    < 522,523 > )   zugeordnet sind. Normalerweise sendet der Master nach dem Timeout 531 die nächste Synchronisationsnachricht Sollte innerhalb des Timeoutintervalls 532 der Standby Master keine Synchronisationsnachricht vom Master empfangen haben, so kann er innerhalb des Intervalles < 522,523 > eine Synchronisationsnachricht senden. Empfängt ein Slave während des Intervalls 533 keine Synchronisationsnachricht, so stoppt der Slave jede weitere Sendeoperation bis er eine neue Synchronisationsnachricht empfangen hat.

   Diese Unterbrechung der Sendetätigkeit des Slaves ist notwendig, um ein freies Zeitfenster für die Übertragung der nächsten Synchronisationsnachricht vom Master zu schaffen. Wenn der aktive Master zum gewählten Sendezeitpunkt 410 die Synchronisationsnachricht nicht senden kann, weil z.B. der Bus belegt ist, so muss er den Sendeauftrag abbrechen und ein neues Synchronisationsereignis 412 festlegen. Dieser Vorgang ist zu wiederholen, bis das Ende des dem Master zugewiesenen Synchronisationsintervalls, z. B. das Intervall < 520,521 > , erreicht ist. Da mit Ende des Zeitintervalls 533 alle Slaves ihre Sendeaufträge abbrechen, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Synchronisationsnachricht des Master vor dem Ende des Intervalls 532 erfolgreich sein. 



   Nach dem Eintreffen einer Synchronisationsnachricht beim Slave errechnet sich der Slave die Abweichung zwischen der Uhr des Masters und dem lokalen Zeitzählers des Slaves nach folgender Formel
Deviation =   [old. TC -   RL - (new. GSE -   old.GSE)*old.MMR]   wobei Deviation die Abweichung, ausgedrückt in lokalen Microticks des Slaves, zwischen der Uhr des Masters und dem lokalen Zeitzählers des Slaves in der vorangegangenen Runde angibt,   old. TC   den Wert des alten lokalen Zeitzählers des Slaves vor Beginn der neuen Synchronisationsrunde, RL den Wert der Receiver Latency 421 ausgedrückt in Microticks des Slaves, und new.GSE 

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 und old.GSE den Macrotick der neuen und der alten Synchronisationsnachricht bezeichnen. 



   Diese Abweichung wird nun dazu verwendet, die Microtick/Macrotick Relation MMR zu korrigieren. Damit wird erreicht, dass sich die Driftrate des Slaves and die Driftrate des Masters anpasst. Der neue Wert dieser Relation new.MMR ergibt sich zu new. MMR = old.MMR + Deviation*weight wobei weight die Gewichtung der Abweichung darstellt. Angenommen die Dauer einer Synchronisationsrunde 531 beträgt nsync Macroticks, und
2k < nsync < 2k+1 dann ist 2-(k+1) ein sinnvoller Wert für weight. Eine Multiplikation von Deviation mit 2-(k+1) lässt sich durch eine einfache Shift Operation im Rechner realisieren. 



   Mit dem vorgeschlagenen Synchronisationsverfahren lassen sich folgende Präzision und Macrotickgranularität realisieren :
Angenommen die Microtickgranularität des Masters und des Slaves liegen bei einer  sec, ebenso der Latency Jitter in der Interruptbehandlung von Master und Slave. 



   Dann beträgt die Konvergenzfunktion (Kopetz, p. 59) 4  sec. 



   Angenommen die Abweichung der Driftrate zwischen Master und Slave beträgt nach einer Initialisierungsphase, in der sich die MMRs der Slaves an den Master adaptiert haben, 10-5 und die Synchronisationsperiode ist 100 msec. Dann ist der Drift-offset 1  sec, womit sich die Prazision zu 5  sec ergibt. In einem solchen System ist es sinnvoll, für die Granularität eines Macroticks ein Intervall von 2-17 Sekunden, d. s. ca 8  sec, zu wählen. 



   Wenn eine kleinere Granularität der Mikroticks und eine Reduzierung des Interruptjitter durch Hardwaremechanismen erreicht werden, lässt sich die Präzision und damit die Makrotickgranularität wesentlich reduzieren, sogar in den Bereich unter einer Mikrosekunde. 



   Das vorgestellte Verfahren zur Synchronisation der Uhren in einem verteilten Computersystem lässt sich sowohl in Software wie auch in Hardware realisieren. Es stellt eine einfache und wirtschaftliche neue Methode zum Aufbau einer globalen Zeit dar. 



   PATENTANSPRÜCHE: 
1. Verfahren zum Aufbau einer globalen Zeitbasis in einem verteilten Echtzeitcomputersys- tem bestehend aus einer Anzahl von Knotenrechner (110) die über einen oder mehrere
Broadcast Kommunikationskanäle (101) verbunden sind und wo der lokale Oszillator des
Knotenrechners die Dauer eine Microticks der lokalen Zeit eines Knotenrechners bestimmt und wo während eines a priori definierten Zeitintervalls ein ausgezeichneter Knotenrechner die Rolle des aktiven Zeitmasters übernimmt und wo alle anderen Knotenrechner die Rolle eines Zeitslaves übernehmen und wo der aktive Zeitmaster die einheitliche Macroticklänge (350) der globalen Zeit festlegt und wo das Verhältnis Microtick/Macrotick in jedem Kno- tenrechner unterschiedlich sein kann dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Zeitmaster das Sendeereignis einer Synchronisationsnachricht,

   die in ihrem Datenfeld den Macrotick des globalen Synchronisationsereignisses enthält, so festlegt, dass das Zeitintervall zwischen dem globalen Synchronisationsereignis (412), das von allen korrekten Zeitslaves beobachtet werden kann, und dem Beginn des Macroticks, der im Datenfeld der Synchro- nisationsnachricht angegeben ist, a priori bekannt ist.

Claims (1)

1. 2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Eintreffens der Synchronisationsnachricht beim Zeitslave das globale Synchronisationsereignis (412) dar- stellt.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Zeitmaster vor dem Senden die datenabhängigen Nachrichtenlänge der aktuellen Synchronisationsnachricht berechnet und aus der ermittelten Nachrichtenlänge und der bekannten Übertragungs- geschwindigkeit des Senders den Abstand (420) des Sendezeitpunkts (410) der Nachricht von dem globalen Synchronisationsereignis (412), ausgedrückt in den lokalen Microticks des Senders, bestimmt.

   4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zeitslave das Zeitintervall (421) zwischen dem globalen Synchronisationsereignis (412) und dem Neu- <Desc/Clms Page number 4> start (414) des lokalen Zeitzählers des Slaves, ausgedrückt in den lokalen Microticks des Empfängers, als Initialisierungswert des lokalen Zeitzählers des Slaves verwendet.

   5. Verfahren nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitslave nach der Resynchronisation das lokale Verhältnis Microtick/Macrotick (MMR) aufgrund der Abweichung des lokalen Zeitzählers des Slaves vom Zeitmaster in der vorangegangenen Runde nach folgender Formel korrigiert um eine Anpassung der Driftrate des Slaves an die Driftrate des Masters zu realisieren: EMI4.1 new MMR = old.MMR + Deviation*weight wobei Deviation die Abweichung, ausgedrückt in lokalen Microticks des Slaves, zwischen der Uhr des Masters und dem lokalen Zeitzahlers des Slaves in der vorangegangenen Runde angibt, old.

   TC den Wert des lokalen Zeitzählers des Slaves vor Beginn der neuen Synchronisationsrunde, RL den Wert der Receiver Latency (421), new.GSE und old.GSE den Inhalt der neuen und der alten Synchronisationsnachricht und weight die Gewichtung der Abweichung darstellen.

   6. Verfahren nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitmaster die Übertragung der Synchronisationsnachricht ab- bricht falls er feststellt, dass der errechnete Sendezeitpunkt (410) nicht realisiert werden konnte, da der Bus zum Zeitpunkt des Sendens belegt war.

   7. Verfahren nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass auf der Zeitachse a priori nicht überlappende Intervalle abwech- selnd dem aktive Zeitmaster und dem Standby Zeitmaster zugewiesen werden, um nach Ausbleiben der erwarteten Synchronisationsnachricht im Intervall des aktiven Masters dem Standby Master die Möglichkeit zu geben, eine Synchronisationsnachricht in dem ihm zugewiesenen Intervall zu senden.

   8. Verfahren nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitmaster das Verhältnis Microtick/Macrotick so wählt, dass die Macroticklänge einer negativen Zweierpotenz der physikalischen Sekunde entspricht.

   9. Kommunikationskontrolleinheit (202) zur Übermittlung von Nachrichten in einem verteilten Echtzeitsystem, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der in Anspruch 1 bis 8 angegebenen Verfahren in Hardware realisiert werden.