CN110247958A - 一种考虑计算和网络协同的车载can fd信号打包方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种考虑计算和网络协同的车载CAN FD信号打包方法，包括如下步骤：步骤1，将信号集S中的所有CAN FD信号打包到消息集中；步骤2，根据步骤1得到的消息集，通过信号迁移和消息重打包来降低消息在其接收ECU中将触发的中断次数。此种信号打包方法从车载CAN FD网络的信号打包入手，可实现汽车信息物理系统的设计优化。

Description

一种考虑计算和网络协同的车载CAN FD信号打包方法

技术领域

本发明属于汽车电子领域，涉及车载ECU中通信信号的打包处理，特别涉及一种考虑计算和网络协同的车载CAN FD信号打包方法。

背景技术

现在人们对汽车的要求不再局限于代步工具，现代智能汽车正成为人们日常生活不可或缺的一部分。因此，人们从经济和社会等方面对汽车提出了越来越严格的要求，汽车正朝着网联化、自动化、共享化和电动化的方向飞速发展。现代智能汽车包含汽车电子系统的复杂性骤增，这对车载网络带宽提出了更高要求。为此，博世在2011年推出了第二代的CAN网络协议CAN FD(CAN with flexible data-rate)。CAN FD的最大带宽可达8Mbps，可满足日益增长的车内数据传输带宽要求。但是现有CAN FD网络的设计仅仅关注带宽的优化，未就CAN FD信号打包对计算系统可能造成的影响进行考虑。针对该问题，需要提出一种同时考虑网络带宽优化和计算系统影响的高效的CAN FD信号打包算法，通过计算和网络的协同设计来实现汽车信息物理系统的优化设计。

现有CAN FD设计的相关研究均仅仅考虑网络带宽的优化，如中国专利申请号201610428823.3,名称“一种面向车载CAN FD网络的信号分组打包方法：”和研究工作(如“U.D.Bordoloi,S.Samii,"The frame packing problem for CAN-FD",in Proc.of theIEEE Real-Time Systems Symp.,2014,pp.284-293.”、“S.Ding,G.Zeng,R.Kurachi,R.F.Huang,"A genetic algorithm for packing CAN FD frame with real-timeconstraints",IEICE Trans.on Inf.and Syst.,vol.E100-D,no.10,pp.2505-2514,Oct.2017.”、“Y.Xie,G.Zeng,R.Kurachi,G.Q.Xie,Y.Dou,Z.L.Zhou,"An optimizeddesign of CAN FD for automotive cyber-physical systems",Journal of SystemArchitecture,vol.81,pp.101-11,Nov.2017.”、“G.Urul,"A frame packing method toimprove the schedulability on CAN and CAN FD",Master Thesis,Ankala,Turkish:The Middle East Technical University,2015”、“M.D.Natale,C.L.M.D.Silva,M.M.Santos,"On the applicability of an MILP solution for signal packing inCAN-FD",in Proc.of Int.Conf.on Industrial Informatics,2016,pp.1202-1205.”等)。但是在CAN FD网络中，不同信号的接收ECU不同，但是ECU在对网络上传输的消息进行过滤的时候仅以消息的ID作为判断依据，每接收一个消息都将触发一次消息接收中断。因此，将多个信号打包到同一个消息中可能给信号的接收ECU造成过多的消息接收中断。由于消息接收中断的优先级相对加高，过多的消息接收中断将对ECU中的其他计算任务造成过多抢占，从而导致其执行时延增长，并且为了保存中断导致的上下文切换信息，还将导致计算任务占用更多的缓存大小。汽车是成本非常敏感的工业领域，为了降低成本，车载ECU的计算和存储能力相对有限，上述设计无疑将对计算系统(车载ECU)的设计带来非常不好的影响。

如图1所示，系统中包含4个ECU：E＝{E₁,E₂,E₃,E₄}，其中E₁中包含的信号集为：S＝{s₁,s₂,s₃,s₄}。每个信号可通过一个三元组进行描述，s_i＝{t_i,p_i,re_i}，分别表示周期(单位为ms)、大小(单位为字节)和接收该信号的ECU集合。S包含信号的属性如表1所示：

表1 S包含信号的属性

信号	周期	大小	接收ECU
				s<sub>1</sub>	5	1	E<sub>2</sub>
s<sub>2</sub>	10	2	E<sub>2</sub>
				s<sub>3</sub>	10	2	E<sub>3</sub>
s<sub>4</sub>	50	1	E<sub>4</sub>

参照已有的CAN FD设计方法，将以带宽利用率最优化为设计目标，得到的信号集S的打包结果为：M＝{m₁}，m₁＝{s₁,s₂,s₃,s₄}，其中M表示打包得到的消息集，m₁表示打包得到的消息。假设消息可通过如下三元组进行描述，m_j＝{T_j,P_j,L_j,C_j,RE_j}，分别表示周期(单位为ms)、大小(单位为字节)、有效负载(单位为字节)、传输时长和接收该消息的ECU集合。其中消息大小P_j的计算公式如下：

CAN FD消息的有效负载L_j以字节为基本单位(L_j的最大值为64)，L_j的大小可分别为：{1,2,3,4,5,6,7,8,12,16,20,24,32,48,64}。因此，当分析得到消息的实际大小P_j时，可由如下公式计算得到其有效负载L_j的大小：

根据L_j可知C_j的计算公式如下：

其中，τ_arb表示CAN FD仲裁段的位速度，当仲裁段带宽为500kbps时，τ_arb＝2μs；τ_tran表示CAN FD数据传输段的位速度，当数据段带宽为2Mbps时，τ_tran＝0.5μs。

消息周期T_j的计算公式如下：

T_j＝min{t_i|s_i∈m_j} (3)

消息的接收ECU集合RE_j的计算公式如下：

通过上述计算，当假设CAN FD仲裁段的位速度为500kbps、数据传输段的位速度为2Mbps的时候，可得到消息集M中包含的消息m₁的周期T₁＝5ms，P₁＝6字节，L₁＝6字节，C₁＝108μs，RE₁＝{E₂,E₃,E₄}。因此，m₁对应的带宽利用率为2.16％。

通过上述分析可知，信号s₁,s₂与s₃,s₄的接收ECU和周期都不同，将周期相对大的信号s₃,s₄与s₁,s₂打包到一起，将导致消息m₁在E₃和E₄中触发过多的消息接收中断。如假设考虑S包含所有信号的周期的最小公倍数LCM＝50ms时间范围，消息m₁在E₂、E₃和E₄中触发的消息接收中断次数都为10。但是如果考虑不同的信号打包结果，如M＝{m₁，m₂}，m₁＝{s₁,s₂,s₃}，m₂＝{s₄}。消息m₁在E₂、E₃中触发的消息接收中断次数都为10，但是消息m₂在E₄中触发的消息接收中断次数仅为1，这大大降低了消息接收中断将对E₄中其他计算任务造成的抢占影响。通过分析可知，m₁和m₂的带宽利用率之和为2.226％。因此，仅牺牲0.066％的带宽利用率，就可以大大减少E₄中90％的消息中断接收次数。

通过上述实例可知，仅以带宽利用率作为唯一性能优化指标的现有CAN FD设计方法可能给车载ECU中的计算任务造成非常不良的影响。因此，需从计算和网络协同设计的角度提出新的CAN FD设计方法，通过综合考虑CAN FD带宽利用率和车载ECU中计算任务的性能来实现汽车信息物理系统的设计优化。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种考虑计算和网络协同的车载CAN FD信号打包方法，其从车载CAN FD网络的信号打包入手，可实现汽车信息物理系统的设计优化。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种考虑计算和网络协同的车载CAN FD信号打包方法，包括如下步骤：

步骤1，将信号集S中的所有CAN FD信号打包到消息集中；

步骤2，根据步骤1得到的消息集，通过信号迁移和消息重打包来降低消息在其接收ECU中将触发的中断次数。

上述步骤1包括如下内容：

步骤11，根据信号的周期和大小，将信号集S中的所有CAN FD信号降序排列；定义两个指针head和tail分别指向信号队列的头和尾，定义一个二进制变量fromhead来代表信号打包的方向，当fromhead＝＝0，表示信号打包从头信号向尾信号的方向进行；当fromhead＝＝1，表示信号打包从尾信号向头信号的方向进行；

步骤12，如果head≤tail，进入步骤13，否则信号打包结束；

步骤13，如果fromhead＝0，进入步骤14；否则，进入步骤16；

步骤14，将head指向的信号从信号集S中移除并打包到一个空的消息之中，并将该新生成的消息插入消息集HeadMes，HeadMes表示从头信号向尾信号的方向打包得到的消息集；然后，判断信号集S是否为空，如果S为空，信号打包结束；否则，将head指向下一个信号，进入步骤15；

步骤15，若此时head指向的信号打包到空消息中会得到更小的Obj，或HeadMes集中已有消息的剩余负载空间不够容纳head指向的信号，则将fromhead设置为1，调整信号打包的方向，跳到步骤16；若此时head指向的信号打包到某个已有消息中会得到更小的Obj，则将head指向的信号打包到所述已有消息中，再将head指向下一个信号，重复步骤15；其中，Obj表示车载ECU的总设计优化目标；

步骤16，将tail指向的信号从信号集S中移除并打包到一个空的消息之中，并将该新生成的消息插入消息集TailMes，TailMes表示从尾信号向头信号的方向打包得到的消息集；然后，判断信号集S是否为空，如果S为空，信号打包结束；否则，将tail指向下一个信号，进入步骤17；

步骤17，若此时tail指向的信号打包到空消息中会得到更小的Obj，或TailMes集中已有消息的剩余负载空间不够容纳tail指向的信号，则将fromhead设置为0，调整信号打包的方向，跳到步骤14；若此时tail指向的信号打包到某个已有消息中会得到更小的Obj，则将tail指向的信号打包到所述已有消息中，再将tail指向下一个信号，重复步骤17。

上述车载ECU的总设计优化目标Obj的计算公式是；

其中，U_j表示消息的带宽利用率，ISR_j表示消息将在其所有接收ECU中触发的消息接收中断次数，isr_k,j表示消息在ECU E_k中将触发的消息接收中断次数，w₁和w₂分别代表带宽利用率和消息接收中断次数的权重，MN表示消息的个数，EN表示ECU的个数。

上述步骤2包括如下内容：

步骤21，依次分析每个消息在其接收ECU中将触发的接收中断次数，从而识别消息包含的引起不必要接收中断的目标信号；

步骤22，分析步骤21识别出的目标信号迁移所带来的Obj降低幅度，并按照Obj降低幅度的降序顺序对目标信号进行排序，得到一个目标信号队列；其中，Obj表示车载ECU的总设计优化目标；

步骤23，根据步骤22得到的队列，依次对目标信号进行迁移操作：如果目标信号队列不为空，将第一个目标信号打包到空的消息中；否则，步骤2执行结束。

上述步骤21中，按照如下步骤分析每个消息在其接收ECU中将触发的接收中断次数：

步骤a，利用如下公式计算消息m_j的接收ECU集RE_j，假设集合中ECU的个数为EN：

其中，re_i表示接收ECU集，s_i表示信号；

步骤b，针对m_j的接收ECU E_j,k，分析m_j包含的、将被E_j,k接收的所有信号的周期的最小值min_sig_period；

步骤c，如果min_sig_period小于m_j的周期，则表明m_j将在E_j,k中触发过多的消息接收中断；否则，判断k是否小于等于EN，如果是，则重复步骤21，如果不是，则判断j是否小于等于消息的个数MN，如果小于等于，则返回步骤1，否则信号打包结束。

上述步骤23中，还包括：将第一个目标信号打包到空的消息中得到新消息，判断该新消息插入已有消息之中是否会降低Obj，若能够则执行该操作，再返回步骤21；否则重复步骤23。

采用上述方案后，本发明通过在CAN FD设计时同时考虑网络性能(带宽)和计算性能(中断次数)，从而实现汽车信息物理系统的设计优化。

附图说明

图1是现有车载ECU计算系统的示意图；

图2是本发明提供的CAN FD信号打包方法流程图；

图3是CAN FD消息在其接收ECU中触发的消息接收中断次数分析方法流程图；

图4是基于CAN FD设计的计算和通信协同设计优化方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

本发明提供一种考虑计算和网络协同的车载CAN FD信号打包方法，在实现CAN FD信号打包的同时，考虑网络和计算的协同设计。其中网络系统的设计优化目标为带宽利用率，计算系统的设计优化目标为消息在其接收ECU将触发的消息接收中断次数。因此，定义系统的总设计优化目标如下：

其中，U_j表示消息的带宽利用率，ISR_j表示消息将在其所有接收ECU中触发的消息接收中断次数，isr_k,j表示消息在ECU E_k中将触发的消息接收中断次数。w₁和w₂分别代表带宽利用率和消息接收中断次数的权重，它们的具体大小可根据系统的设计要求进行动态调整。

所述方法包括如下步骤：

步骤1，初始的CAN FD信号打包。

该步骤的具体执行过程如图2所示，具体包括：依据信号的周期和大小的降序顺序对信号进行排列，然后分别从信号队列的两端依次对各个信号进行打包。

定义两个指针head和tail分别指向信号队列的头和尾。定义一个二进制变量fromhead来代表信号打包的方向，当fromhead＝＝0，表示信号打包从头信号向尾信号的方向进行；当fromhead＝＝1，表示信号打包从尾信号向头信号的方向进行。

1.1，依据信号的周期和大小的降序顺序对信号进行排列。

1.2，如果head≤tail的时候，进入步骤1.3，否则信号打包结束。

1.3，如果fromhead＝0，进入步骤1.4；否则，进入步骤1.6。

1.4，将head指向的信号从信号集S中移除并打包到一个空的消息之中，并将该新生成的消息插入消息集HeadMes，HeadMes表示从头信号向尾信号的方向打包得到的消息集。然后，判断信号集S是否为空。如果S为空，信号打包结束；否则，进入步骤1.5。

1.5，移动head指向下一个信号。接下来，判断将head指向的信号插入HeadMes集合中已有的消息还是空的消息中可带来更小的Obj。此时，可能存在如下三种情况：

情况1：HeadMes集合中已有消息的剩余负载空间都不够容纳head指向的信号，此时需将fromhead设置为1，调整信号打包的方向，跳到步骤1.6；

情况2：通过分析发现将head指向的信号打包到空消息中将得到更小的Obj，此时也需将fromhead设置为1，调整信号打包的方向，跳到步骤1.6。

情况3：通过分析发现将head指向的信号打包到某个已有消息中将得到更小的Obj，此时即执行此操作，并回到步骤1.5的开端重新开始分析。

1.6，将tail指向的信号从信号集S中移除并打包到一个空的消息之中，并将该新生成的消息插入消息集TailMes，TailMes表示从尾信号向头信号的方向打包得到的消息集。然后，判断信号集S是否为空。如果S为空，信号打包结束；否则，进入步骤1.7。

1.7，移动tail指向下一个信号。接下来，判断将tail指向的信号插入TailMes集合中已有的消息还是空的消息中可带来更小的Obj。此时，可能存在如下三种情况：

情况1：TailMes集合中已有消息的剩余负载空间都不够容纳tail指向的信号，此时需将fromhead设置为0，调整信号打包的方向，跳到步骤1.4；

情况2：通过分析发现将tail指向的信号打包到空消息中将得到更小的Obj，此时也需将fromhead设置为0，调整信号打包的方向，跳到步骤1.4；

情况3：通过分析发现将tail指向的信号打包到某个已有消息中将得到更小的Obj，此时即执行此操作，并回到步骤1.7的开端重新开始分析。

步骤2，根据步骤1得到的初始消息集，通过信号迁移和消息重打包来有效降低消息在其接收ECU中将触发的中断次数，从而实现计算(中断次数)和通信(信号打包)的协同设计优化。该步骤的具体执行情况如图4所示。

2.1，利用图3所示的方法依次分析每个消息在其接收ECU中将触发的接收中断次数，从而识别消息包含的引起不必要接收中断的目标信号。

2.2，分析步骤2.1识别出的目标信号迁移可带来的Obj降低幅度，并按照Obj降低幅度的降序顺序对目标信号进行排序，得到一个目标信号队列。

2.3，根据步骤2.2得到的顺序，依次对目标信号进行迁移操作。如果目标信号队列不为空，将第一个目标信号打包到空的消息中；否则，步骤2执行结束。

2.4，考虑将步骤2.3得到的新消息插入已有消息之中以进一步实现系统设计的优化。如果将新消息插入已有消息之中可降低Obj，执行该操作，并回到步骤2.1；否则，跳到步骤2.3。

图3所示的方法可用于分析消息在其接收ECU中将触发的消息接收中断次数，假设消息的个数为MN。该方法的具体步骤如下所示：

步骤1：利用公式4分析消息m_j的接收ECU集，假设集合中ECU的个数为EN。

步骤2：针对m_j的接收ECU E_j,k,分析m_j包含的、将被E_j,k接收的所有信号的周期的最小值min_sig_period。

步骤3：如果min_sig_period小于m_j的周期，则表明m_j将在E_j,k中触发过多的消息接收中断。否则，判断k是否小于等于EN，如果是，则回到步骤2；否则，判断j是否小于等于MN。如果是，回到步骤1；否则，该方法结束。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种考虑计算和网络协同的车载CAN FD信号打包方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，将信号集S中的所有CAN FD信号打包到消息集中；

步骤2，根据步骤1得到的消息集，通过信号迁移和消息重打包来降低消息在其接收ECU中将触发的中断次数。

2.如权利要求1所述的一种考虑计算和网络协同的车载CAN FD信号打包方法，其特征在于：所述步骤1包括如下内容：

步骤11，根据信号的周期和大小，将信号集S中的所有CAN FD信号降序排列；定义两个指针head和tail分别指向信号队列的头和尾，定义一个二进制变量fromhead来代表信号打包的方向，当fromhead＝＝0，表示信号打包从头信号向尾信号的方向进行；当fromhead＝＝1，表示信号打包从尾信号向头信号的方向进行；

步骤12，如果head≤tail，进入步骤13，否则信号打包结束；

步骤13，如果fromhead＝0，进入步骤14；否则，进入步骤16；

步骤14，将head指向的信号从信号集S中移除并打包到一个空的消息之中，并将该新生成的消息插入消息集HeadMes，HeadMes表示从头信号向尾信号的方向打包得到的消息集；然后，判断信号集S是否为空，如果S为空，信号打包结束；否则，将head指向下一个信号，进入步骤15；

步骤15，若此时head指向的信号打包到空消息中会得到更小的Obj，或HeadMes集中已有消息的剩余负载空间不够容纳head指向的信号，则将fromhead设置为1，调整信号打包的方向，跳到步骤16；若此时head指向的信号打包到某个已有消息中会得到更小的Obj，则将head指向的信号打包到所述已有消息中，再将head指向下一个信号，重复步骤15；其中，Obj表示车载ECU的总设计优化目标；

步骤16，将tail指向的信号从信号集S中移除并打包到一个空的消息之中，并将该新生成的消息插入消息集TailMes，TailMes表示从尾信号向头信号的方向打包得到的消息集；然后，判断信号集S是否为空，如果S为空，信号打包结束；否则，将tail指向下一个信号，进入步骤17；

步骤17，若此时tail指向的信号打包到空消息中会得到更小的Obj，或TailMes集中已有消息的剩余负载空间不够容纳tail指向的信号，则将fromhead设置为0，调整信号打包的方向，跳到步骤14；若此时tail指向的信号打包到某个已有消息中会得到更小的Obj，则将tail指向的信号打包到所述已有消息中，再将tail指向下一个信号，重复步骤17。

3.如权利要求2所述的一种考虑计算和网络协同的车载CAN FD信号打包方法，其特征在于：所述车载ECU的总设计优化目标Obj的计算公式是；

其中，U_j表示消息的带宽利用率，ISR_j表示消息将在其所有接收ECU中触发的消息接收中断次数，isr_k,j表示消息在ECU E_k中将触发的消息接收中断次数，w₁和w₂分别代表带宽利用率和消息接收中断次数的权重，MN表示消息的个数，EN表示ECU的个数。

4.如权利要求1所述的一种考虑计算和网络协同的车载CAN FD信号打包方法，其特征在于：所述步骤2包括如下内容：

步骤21，依次分析每个消息在其接收ECU中将触发的接收中断次数，从而识别消息包含的引起不必要接收中断的目标信号；

步骤22，分析步骤21识别出的目标信号迁移所带来的Obj降低幅度，并按照Obj降低幅度的降序顺序对目标信号进行排序，得到一个目标信号队列；其中，Obj表示车载ECU的总设计优化目标；

步骤23，根据步骤22得到的队列，依次对目标信号进行迁移操作：如果目标信号队列不为空，将第一个目标信号打包到空的消息中；否则，步骤2执行结束。

5.如权利要求4所述的一种考虑计算和网络协同的车载CAN FD信号打包方法，其特征在于：所述步骤21中，按照如下步骤分析每个消息在其接收ECU中将触发的接收中断次数：

步骤a，利用如下公式计算消息m_j的接收ECU集RE_j，假设集合中ECU的个数为EN：

其中，re_i表示接收ECU集，s_i表示信号；

步骤b，针对m_j的接收ECU E_j,k，分析m_j包含的、将被E_j,k接收的所有信号的周期的最小值min_sig_period；

步骤c，如果min_sig_period小于m_j的周期，则表明m_j将在E_j,k中触发过多的消息接收中断；否则，判断k是否小于等于EN，如果是，则重复步骤21，如果不是，则判断j是否小于等于消息的个数MN，如果小于等于，则返回步骤1，否则信号打包结束。

6.如权利要求4所述的一种考虑计算和网络协同的车载CAN FD信号打包方法，其特征在于：所述步骤23中，还包括：将第一个目标信号打包到空的消息中得到新消息，判断该新消息插入已有消息之中是否会降低Obj，若能够则执行该操作，再返回步骤21；否则重复步骤23。

7.如权利要求4所述的一种考虑计算和网络协同的车载CAN FD信号打包方法，其特征在于：所述车载ECU的总设计优化目标Obj的计算公式是；

其中，U_j表示消息的带宽利用率，ISR_j表示消息将在其所有接收ECU中触发的消息接收中断次数，isr_k,j表示消息在ECU E_k中将触发的消息接收中断次数，w₁和w₂分别代表带宽利用率和消息接收中断次数的权重，MN表示消息的个数，EN表示ECU的个数。