CN105577310A - 一种时间触发网络中任务分区与通信调度的同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于计算机应用技术领域，涉及一种时间触发网络中任务分区与通信调度的同步方法。本发明表述一种时间触发网络中任务分区与通信调度的同步方法，使ARINC653系统任务分区与TTE网络的容错系统级周期时间保持紧密同步，从而在分布式航电系统中不同模块上分区之间建立了统一的全系统时间基准，保证时间触发消息得到及时的调度和传输、有效减小时间触发消息传输的抖动和端到端时延，从而为高可靠强实时系统提供通信支持。

Description

一种时间触发网络中任务分区与通信调度的同步方法
技术领域
本发明属于计算机应用技术领域，一种时间触发网络中任务分区与通信调度的同步方法。
背景技术
在高综合化的机载IMA系统中，多种应用服务如航电、飞控、惯导等均被映射到多个节点不同的计算资源上，节点间通过网络互联，每个节点均需运行多个不同安全、关键级别的应用程序。
ARINC653规范针对这一需求提出了应用程序接口和系统服务集(TheApplication/ExecutiveInterface，APEX)，将系统资源在时间和空间上进行分区，从而隔离不同安全关键等级的应用服务，并提高IMA系统软件的可移植性、系统的高可靠性和安全性等特性。
时间触发以太网的确定性、容错机制以及实时性等特点与传统以太网的灵活性、动态性以及提供“尽力而为”的服务相结合，为同步的、高可靠嵌入式机载系统以及可容错航电网络的设计提供支持。可用于安全关键的实时控制系统(SafetyCriticalSystem)中，如航空电子系统及工业自动化控制等领域。
然而在传统以太网中实时业务的消息的传输和调度机制不能严格保证数据传输的抖动和端到端时延；另一方面，在采用无分区的操作系统中的时间触发以太网设备上也无法提供时间确定的数据传输服务。因单纯的从网络或操作系统层面的优化均不能为高可靠强实时的机载系统提供确定性的通信支持
发明内容
为保障高确定、强实时性的航电业务需求，需要在各模块不同的分区之间建立统一的全系统时间基准，本发明提供了一种时间触发网络中任务分区与通信调度的同步方法，本发明中的TTE端系统即为时间触发以太网端系统。
本发明的技术解决方案：
一种时间触发网络中任务分区与通信调度的同步方法，包括以下步骤：
1)初始化同步对齐
1.1)对TTE端系统进行初始化，将TTE端系统的簇周期的本地时钟T0设置为0；其中，TTE端系统上运行有分区操作系统；
1.2)将TTE端系统与TTE端系统所处的TTE网络中的其他节点进行同步，并判断是否完成同步，若完成，读取TTE端系统的簇周期当前时钟值T1，并跳转步骤1.3)，否则重复本步骤；
1.3)将TTE端系统簇周期、与步骤1.1)中所述分区操作系统的时间框架、进行初始化同步对齐；
2)周期性再同步
2.1)读取TTE端系统的簇周期当前时钟值T1，读取所述分区操作系统的任务分区时钟T4，
2.2)比较T1与T4的大小；若T1大于T4，跳转步骤2.3)；否则，跳转步骤2.4)；
2.3)缩短步骤1.1)中所述分区操作系统的主时间框架，完成周期性再同步；
2.4)拉伸步骤1.1)中所述分区操作系统的主时间框架，完成周期性再同步。
步骤1.3)具体为：
1.3.1)比较T0与T1的大小；若T0小于或等于T1，将T0设置为T1，等待t秒，然后跳转步骤1.2)；若T0大于T1，则跳转步骤1.3.2)；
1.3.2)读取TTE端系统的本地时钟T3，将T1设置为T3。
步骤1.1)中所述分区操作系统是ARINC653分区操作系统。
步骤2.3)和步骤2.4)中对步骤1.1)中所述分区操作系统的主时间框架进行缩短或拉伸的范围，不得超过TTE端系统所处的TTE网络的整合周期时长，从而避免修正的时间范围过大而引起的非预期错误。
初始化同步对齐的时间精度与步骤1.3.1)中t的取值相关，初始化同步对齐的时间精度要求越高，t的取值越小。
本发明的优点：
提高了时间触发网络精确度，从而保证时间触发消息得到及时的调度和传输、有效减小时间触发消息传输的抖动和端到端时延，为高可靠强实时系统提供通信支持。
附图说明
图1是TTE网络中不同TTE端系统模块间的分区同步示意图；
图2是分区操作系统的时间框架与TTE簇周期的同步和对齐示意图；
图3是本发明的初始化同步对齐示意图；
图4是本发明的初始化同步对齐流程图；
图5是本发明的周期性再同步对齐示意图；
图6是本发明的周期性再同步对齐流程图。
具体实施方式
本发明提供时间触发网络中任务分区与通信调度的同步方法，用于提高时间触发网络精确度、进一步降低端到端时延。TTE端系统的通信调度是根据TTE端系统上的簇周期和整合周期时钟进行精准实施的，因此任务分区与通信调度的同步等同于任务分区与TTE端系统簇周期的同步。
为了实现TTE端系统到ARINC653分区系统各自应用分区的数据传输最小延迟时间，本发明将分区系统的主时间框架(MajorTimeFrame，MTF)与TTE网络簇周期时钟进行同步和对齐。即在每个MTF周期的开始阶段将模块上特定任务分区的MTF与TTE网络的簇周期时钟进行映射和对齐。
ARTNC653系统分区主时间框架的周期与TTE端系统簇周期的同步对齐就意味着运行在不同模块各分区上的系统应用是间接同步的，从而保证时间触发消息得到及时的调度和传输、有效减小时间触发消息传输的抖动和端到端时延，为高可靠强实时系统提供通信支持。并以此方式来减小通信分区间的时间误差，从而保证时间触发消息得到及时的调度和传输、有效减小时间触发消息传输的抖动和端到端时延，如图1所示。
本发明所述的任务分区与通信调度的时间同步方法可分为两步进行，包括：
●同步对齐后调度切换(AlignedScheduleChange，ASC)；
●周期性再同步(ContinuousResynchronization，CR)。
在分区操作系统完成调度模式配置，且TTE网络运行达到稳定同步的情况下，ASC快速完成操作系统MTF和TTE网络簇周期时钟的对齐，并进一步完成分区操作系统从启动调度到工作调度的切换。在系统达到分区同步后，CR会在每个MTF周期起始时对MTF和TTE网络簇周期时钟进行周期性的校正和对齐，如图2所示。每个MTF周期内各系统模块中应用分区上执行的任务都能够达到高精度的时间同步，从而保证了时间触发通信调度的时间精度。
下面结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地表述。显然，所表述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
(1)初始化同步对齐
TTE端系统上电初始化完成后，会与TTE网络中其他节点进行同步。初始化同步对齐发生在TTE端系统与网络其他节点稳定同步的基础上，完成任务分区主时间框架与TTE网络簇周期时钟的初始化同步对齐功能。
为了快速完成分区主时间框架与TTE簇周期时间上的同步，上电后并不立即执行分区上的应用服务，等待任务分区与TTE端系统通信调度完成同步对齐后再启动该分区的应用服务。因此在TTE端系统稳定同步的前提下，可保证TTE端系统在一个网络簇周期内完成初始化同步对齐工作。初始化同步对齐如图3所示。
本发明设计的初始化同步对齐流程图如图4所示。
在一次同步对齐操作中，使用T0(start_time)记录本此操作从TTE端系统中读取的TTE簇周期当前时钟值，start_time初始化设置为0。每次尝试进行初始化同步对齐操作时，先读取TTE端系统当前的同步状态以及网络簇周期时间T1(class_cycle_time)，如果TTE端系统达到稳定同步状态，则比较class_cycle_time和start_time的大小，由于start_time初始为0，class_cycle_time值非负，在TTE簇周期未结束时class_cycle_time是递增的，所以在TTE簇周期结束前，每次start_time都会记录当前同步操作中class_cycle_time的值，当TTE簇周期重新开始后，由于上次记录的start_time值较大，比较二者后，会结束本次同步对齐操作。此时，即可根据TTE簇周期当前时间(class_cycle_time)计算当前TTE周期时钟，在运行分区应用服务之前，需将该任务分区的时钟值修正为TTE端系统当前时钟值，从而完成初始化同步对齐操作。其中，初始化同步对齐的时间精度与等待时间t的取值相关。
(2)周期性再同步
在初始化同步对齐完成、分区任务的应用服务正常运行后，周期性的在分区任务执行的开始阶段，读取TTE网络簇周期时钟值，并根据时钟偏移修正任务分区执行时长的方法，将分区任务的执行时间和TTE簇周期时钟保持在同一个时间基准上，从而使系统中所有节点的任务周期的开始执行时间以亚微秒级同步的TTE簇周期时钟为基准，应用服务之间保持精确的时间同步关系，进而确保通信的实时性和确定性。周期性再同步对齐如图5所示。
周期性再同步设计的流程如图6所示。在653同步分区周期的开始阶段，读取并计算TTE端系统的同步状态，判断同步状态是否稳定。如不稳定则不修正时钟偏移值T4(time_offset)，并将此周期的任务分区执行时间设置为缺省值T；若该TTE端系统为稳定的同步状态，读取该TTE端系统的簇周期时钟T1并计算time_offset的值，根据time_offset的值确认对任务分区时间框架的长度进行拉长或缩短运算。在对任务分区时间框架的长度进行拉伸或缩短时，所修正的范围不得超过TTE网络的一个整合周期，从而避免修正的时间范围过大而引起的非预期错误。

Claims (5)

1.一种时间触发网络中任务分区与通信调度的同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)初始化同步对齐
1.1)对TTE端系统进行初始化，将TTE端系统的簇周期的本地时钟T0设置为0；其中，TTE端系统上运行有分区操作系统；
1.2)将TTE端系统与TTE端系统所处的TTE网络中的其他节点进行同步，并判断是否完成同步，若完成，读取TTE端系统的簇周期当前时钟值T1，并跳转步骤1.3)，否则重复本步骤；
1.3)将TTE端系统簇周期、与步骤1.1)中所述分区操作系统的时间框架、进行初始化同步对齐；
2)周期性再同步
2.1)读取TTE端系统的簇周期当前时钟值T1，读取所述分区操作系统的任务分区时钟T4，
2.2)比较T1与T4的大小；若T1大于T4，跳转步骤2.3)；否则，跳转步骤2.4)；
2.3)缩短步骤1.1)中所述分区操作系统的主时间框架，完成周期性再同步；
2.4)拉伸步骤1.1)中所述分区操作系统的主时间框架，完成周期性再同步。
2.根据权利要求1所述的同步方法，其特征在于，
步骤1.3)具体为：
1.3.1)比较T0与T1的大小；若T0小于或等于T1，将T0设置为T1，等待t秒，然后跳转步骤1.2)；若T0大于T1，则跳转步骤1.3.2)；
1.3.2)读取TTE端系统的本地时钟T3，将T1设置为T3。
3.根据权利要求2所述的同步方法，其特征在于，步骤1.1)中所述分区操作系统是ARINC653分区操作系统。
4.根据权利要求1或2或3所述的同步方法，其特征在于，
步骤2.3)和步骤2.4)中对步骤1.1)中所述分区操作系统的主时间框架进行缩短或拉伸的范围，不得超过TTE端系统所处的TTE网络的整合周期时长。
5.根据权利要求4所述的同步方法，其特征在于，初始化同步对齐的时间精度与步骤1.3.1)中t的取值相关，初始化同步对齐的时间精度要求越高，t的取值越小。
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