JP2008539475A - 事象メッセージをエネルギー節約的かつ適時に伝送する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、保証保障型事象メッセージをエネルギー節約的に伝送する方法であって、時間制御通信システム（100）によって相互に接続された複数のノード・コンピュータ（111, 112, 113, 114）を備え、複数のノード・コンピュータ（111, 112, 113, 114）が既知の精度を有する共通のタイム・ベースを設けるとともに、複数のノード・コンピュータ（111, 112, 113, 114）がアプリオリに設定された時点にメッセージを周期的に交換できる分散型コンピュータ・システム上で伝送する方法に関する。本発明によれば、品質保証型事象メッセージが事象メッセージを伝送する散発性時間制御メッセージ（ＳＺＮ）によって散発性時間制御メッセージのコンテンツが直前に伝送されたものから変更された場合にのみ送信されるとともに、受信機が受信プロセスによって散発性時間制御メッセージのコンテンツが所定の方法で正確に一度読み取られるまで入力された該コンテンツを待ち行列の中に記憶する。
【代表図】図１

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載した方法であって、分散型リアルタイム・コンピュータ・システム上で事象メッセージを適時、決定論的及びエネルギー節約的に伝送する方法に関する。また、この方法は、ほぼ独立した複数のマイクロコンポーネントを含むチップ上システム（System-on-a-Chip）（ＳｏＣ）の中で事象メッセージを適時に伝送するためにも使用することもできる。

更に、本発明は、チップ上システムに関する。

耐障害性を有する分散型リアルタイム・コンピュータ・システムは多数のコンピュータ・ノードを備えており、コンピュータ・ノードの各々は、ホスト・コンピュータ、通信コントローラ、周辺装置を処理するためのＩ／Ｏシステム及び必要なソフトウェア（リアルタイム・オペレーティング・システム、ミドルウェア及びアプリケーション・ソフトウェア）を含んでいる。本発明者らは、コンピュータ・ノードがＳｏＣ上でほぼ独立したユニットとして実現されているとき、そのようなコンピュータ・ノードをマイクロコンポーネントと呼ぶ。それらのデータ接続部材と共に、通信コントローラは、状態データ及び事象データが交換されるためのリアルタイム通信システムを構成する。

状態データとは、状態変数の観察値に関する情報を提供するデータである。遵守すべき状態変数は、不可分の３つの要素すなわち
＜状態変数の名称，状態変数の値，観察の時点＞
であり、その詳細は Kopetz, H. (1997). Real-Time Systems, Design Principles for Distributed Embedded Applications; ISBN:0-7923-9894-7. Boston. Kluwer Academic Publishers. P.31 に記載されているとおりである。状態データの要素の例としては、弁の現在位置を挙げることができる。状態情報を含むメッセージが状態メッセージと呼ばれる。

事象データとは、状態の変化に関する情報を提供するデータである。事象データの要素の例としては、弁の位置が５度だけ変化したというような内容を挙げることができる。事象データは、旧い状態と新しい状態との差異に関する情報を提供するものである。事象データの要素の喪失（又は重複）は送信機と受信機との間に状態の同期性を喪失させるので、事象データは受信機によって正確に一度だけ消費されなければならない。事象データを含むメッセージが事象メッセージと呼ばれる。ある生産プロセスが極めて急激に変化した場合（例えば、工場の中のあるパイプが破損した場合）、大量の事象メッセージ（警報メッセージ）が短時間のうちに生起し、通信システムの過負荷を招きがちである。したがって、リアルタイム・データ処理では、品質保証型（ギャランティ型）事象メッセージと最善努力型型（ベスト・エフォート型）事象メッセージとを区別することが便宜である。品質保証型事象メッセージは、常に、所与のエラー仮説の範囲内で適時に送信されなければならない。最善努力型事象メッセージは臨界的高負荷の場合には遅延させることができる。

状態の全ての変化は事象を表すため、状態データと事象データとの間には密接な相関が存在する。高度なレベルの理論上では、一方の伝送形式を他方の伝送形式の上にマップすることができる。しかし、現実の応用面では、これら２つのタイプのデータ伝送の間には、実行の効率性で大きな差異が生じる。例えば、対象物の状態が非常にまれにしか変化しないならば（例えば、警報メッセージ）、状態データの周期的伝送はデータ伝送を極めて非効率なものとする結果を招くこととなる。他方で、状態データの周期的伝送は高度の予報性と安全性を提供することになる。

本発明では、高負荷の場合にエネルギー消費を最小とし、全ての品質保証型事象メッセージを適時に伝送することを確実にする方法が開示される。

この方法は、欧州特許EP1370952で開示された時間制御通信システムにおける事象メッセージを伝送する方法の更なる発展を示すものである。この更なる発展は、品質保証型事象メッセージと最善努力型事象メッセージとが区別され、通常では要求されない帯域幅が、エネルギーを節約するために品質保証型事象メッセージの伝送に開放されているか又は最善努力型メッセージの伝送に利用可能なように設定されている、という事実にある。

本発明の目的は、分散型時間制御リアルタイム・コンピュータ・システムにおける事象メッセージの伝送について、その適時性、決定論性及び最小のエネルギー消費を保証することである。この目的は、品質保証型事象メッセージをエネルギー節約的に伝送する方法であって、時間制御通信システムによって相互に接続された複数のノード・コンピュータを備え、複数のノード・コンピュータが既知の精度を有する共通のタイム・ベースを設けるとともに、複数のノード・コンピュータがアプリオリに設定された時点にメッセージを周期的に交換できる分散型コンピュータ・システム上で伝送する方法において、本発明によれば、品質保証型事象メッセージが事象メッセージを伝送する散発性時間制御メッセージ（ＳＺＮ）によって散発性時間制御メッセージのコンテンツが直前に伝送されたものから変更された場合にのみ送信され、受信機が受信プロセスによって散発性時間制御メッセージのコンテンツが所定の方法で正確に一度読み取られるまで入力されたコンテンツを待ち行列の中に記憶することを特徴とする方法によって達成できる。

したがって、通信システムは、周期的に繰り返される排他的伝送スロットを各々の品質保証型事象メッセージのために留保しつつも、しかし、このスロットが直前の周期で新しい事象メッセージが現れた場合にのみ使用されるように設定される。通常では要求されない帯域幅は、エネルギーを節約するために開放されているか又は最善努力型事象メッセージを伝送するために使用されることができる。更に、そのような決定論的通信システムは、チップ上システム（ＳｏＣ）上でマイクロコンポーネントを接続するためにも使用可能である。そして、そのようなＳｏＣシステムにおいては、エネルギー消費の最小化が特に重要である。

本発明の上記目的及びその他の新しい特徴は、添付の図面で説明される。

以下の段落では、新しい方法による数多くの可能な具体的実施形態の一つが、リアルタイム通信システムによって接続された４つのコンピュータ・ノードを有する分散型リアルタイム・システムを一例として示されている。一般的に、状態データ及び事象データは、そのようなリアルタイム通信システムを介して交換されなければならない。

それでは、図面を参照しつつ本発明を説明する。

図１は、時間制御通信チャンネル１１０によって通信システム１００へ接続された４つのノード・コンピュータ１１１、１１２、１１３、１１４から構成される分散型コンピュータ・システムを示している。この時間制御通信システムは、タイム・プランに従ってメッセージを交換することができ、メッセージは状態データ又は事象データ（又は双方）を含むことができる。通信システム１００は、データ・バスとして設計されるか又はノード・コンピュータ１１１、１１２、１１３、１１４との２点間接続を維持する集中型交換装置を介して設計されることができる。単一チャンネルの通信システム１００の信頼性が十分でなければ、２つ又は複数チャンネルの通信システムを使用することができる。このような通信システムの例は、EP1370952及びAT411498において開示されている。

本発明のフレームワークの範囲内では、メッセージを次の３つのカテゴリーに区別している。即ち、（ｉ）状態メッセージ。これは周期的に送られ、状態情報を含み、所与のエラー仮説の範囲内において伝送が時間的に保証されている。（ｉｉ）品質保証型事象メッセージ。これは事象情報を含むメッセージであり、所与のエラー仮説の範囲内において伝送が時間的に保証されている。（ｉｉｉ）最善努力型メッセージ。これは事象情報を含むメッセージであり、その適時の伝送が高負荷の場合には保証されない。ある特定のメッセージのメッセージ・カテゴリーは、各々のメッセージのヘッダの中にある特別の識別子（例えば、識別フィールド）によって指定される。その際、時計同期性のために周期的状態メッセージのみを、US5,694,542に基づいて採用してもよい。事象メッセージ及び状態メッセージの特性の正確な説明は、Kopetz , H. (1997). Real-Time Systems, Design Principles for Distributed Embedded Applications; ISBN:0-7923-9894-7. Boston. Kluwer Academic Publishers. P.32 に記載されている。

図２は、ノード・コンピュータ１１１の構造を示しており、次のサブシステム、即ち、時間制御通信システム１００への接続線１１０を有する時間制御通信コントローラ２１１、リアルタイム・オペレーティング・システム２１２を有するノード・ハードウェア、ミドルウェア・ソフトウェア２１３、アプリケーション・ソフトウェア２１４及び生産プロセスにあるリモート・トランスデューサへの接続線２２０を有するコントローラ２１５を備えている。時間制御通信コントローラ２１１は、グローバル・タイム・プランに従ってそのメッセージ記憶装置からメッセージを周期的に送り、全てのメッセージが矛盾なく伝送されることを確実にする。そのような時間制御通信システムは、EP0658257及びUS5,887,143において開示されている。

グローバル・スケジューラによるタイム・プランの生成を単純化するため、通信システム１００の全ての周期は、秒に対する調和比、即ち、１秒、１／２秒、１／４秒など又は２秒、４秒、８秒などでなければならないと定めることができる。そして、周期は、周期の長さ及び周期の開始から当該秒開始までのオフセットである周期の位相によって特徴づけることができる。１６の異なる周期がシステム内に与えられた場合、周期の長さは４ビット・フィールドで表現できる。周期の位相を表現するのに１２ビットで十分であれば、システムの各々の周期は２バイト・ワードでコード化可能となり、即ちこれが周期ＩＤとなる。この周期ＩＤは、各々の時間制御メッセージのヘッダの中で送ることができる。周期の長さが特定のアプリケーションにおいて動的に変更される場合は、そのような変更はメッセージ・ヘッダの中で新しい矛盾のない周期ＩＤを動的に選択することによって実現可能となる。この新しい周期ＩＤが矛盾していないかどうかは、送信前にオンライン・メッセージ・スケジューラによって検査されなければならない。

マイクロコンポーネントの結果が後の時点まで要求されなければ、動作中のハードウェアに影響を与えることによってマイクロコンポーネントの処理速度を遅くすることができ、そのエネルギー消費を減少させる。したがって、オンライン・メッセージ・スケジューラは、結果の期待される時間、エネルギー消費及びグローバル通信の負荷を考慮して最適なメッセージ・スケジュールを計算し、続いて、処理速度引いてはエネルギー消費を最適に調整するようマイクロコンポーネントのハードウェアへメッセージを送ることができる。

異なる周期に属するメッセージは相互に独立し影響を受けないで伝送されるので、これらのメッセージはノード・コンピュータ１１１の独立した入力ポートへ送ることができる。この方法によって、単一の物理線１１０によりコンポーネントの複数の独立した受信ポートを制御することができる。

ミドルウェア・ソフトウェア２１３は、適時の伝送を保証しなければならない発信事象情報を、アプリケーション・ソフトウェア２１４から時間制御通信コントローラ２１１の適切なメッセージ記憶装置へ複写する。本発明によれば、品質保証型事象情報を含むそのような時間制御メッセージは、それが送られた最後の時点の後に内容が変化した場合にのみ、通信コントローラ２１４によって送られることとなる。本発明者らは、規則的には送られず散発的にのみ送られるそのような時間制御メッセージを散発性時間制御メッセージ（ＳＺＮ）と呼ぶ。例えばAT411498に記載の通信システムが最善努力型事象メッセージを伝送する場合、散発性時間制御メッセージによって使用されない帯域幅が最善努力型事象メッセージを伝送するために使用可能である。

ミドルウェア・ソフトウェア２１３は、到着する時間制御メッセージからの事象情報及び状態情報を別々に読み取って処理し、それをアプリケーション・ソフトウェア２１４へ別々に転送することができる。事象情報はミドルウェア・ソフトウェア２１３の待ち行列の中に記憶され、ユーザ・ソフトウェア２１４によって読み取られたときに消費される。状態情報は、ミドルウェア・ソフトウェアのデュアルポート（ＤＰ）メモリの中に記憶される。状態情報の新しいバージョンは、旧いバージョンに上書きされる。状態情報は、ユーザ・ソフトウェア２１４により消費する方法で読み取られることはない。

図３は、時間制御システムにおける可能なタイム・フォーマットの構造を示している。時間が示される単位は秒標準に基づいており、表示は時点を識別するため２進法が採用されている。この表現の各々のビットは、秒の２の正又は負のべき乗に関連付けられている。ＧＰＳ時間の開始は、新紀元の開始として定められている。周期の表現（周期の長さ及び周期の位相）は、秒に対する調和周期（前記を参照）が許容されさえすれば極めて単純化される。そして、周期の長さ（周期ビット）を定めるためには、図３のタイム・フォーマットの１つのビットをマークすれば十分である。周期の位相は、周期ビットの右にあるビット・パターンによって定められる。

図４は、図１に記載の４つのマイクロコンポーネントを含むＳｏＣ（チップ上システム）４００の構造を示している。通信チャンネル４１０は、外部通信システムへの接続を表す。通信チャンネル４２０及び４２１は、ＳｏＣを生産プロセスにあるリモート・トランスデューサへ接続する。ＳｏＣにおいて、マイクロコンポーネント間の内部通信チャンネル１００は、非常に高い帯域幅を有する。したがって、各々の事象メッセージについて専用の散発性時間制御メッセージ（ＳＺＮ）をアプリオリに留保することができ、その結果、全ての事象メッセージが矛盾なく伝送されることを保証することができる。新しい事象情報が最後の周期の中で生成されない場合にはＳＺＮが送られることはないので、事象が発生しなければメッセージを伝送するためのエネルギーがチップの中で消費されることはない。エネルギーのこの節約は、特に携帯デバイスの場合、大きな経済的利点となる。

ＳｏＣにおけるマイクロコンポーネントは種々のタイプとすることができる。マイクロコンポーネントは、ＣＰＵ、メモリ、リアルタイム・オペレーティング・システム及びユーザ・ソフトウェアを有する従来のコンピュータから構成されてもよいし、その他にも、専用のハードウェア・ブロック、例えば信号プロセッサ又はハード・ワイヤード方式ステート・マシーンによって構成されてもよい。全てのコンポーネントは、時間制御メッセージを送信及び受信するために選択されたプロトコルをサポートする必要がある。

EP1370952で開示された発明と比較すると、本発明の主な利点は、ＳｏＣ上で品質保証型事象メッセージを伝送するときのエネルギー節約から導き出されるものである。ＳｏＣのエネルギー消費は、特に携帯デバイスの場合、非常に臨界的な量に達するので、本発明は大きな経済的利益を有する。

分散型リアルタイム・コンピュータ・システムの構造を示す概念図である。 上記分散型コンピュータ・システムのコンピュータ・ノードの構造を示す概念図である。 時間を表現するために可能なフォーマットを示す図である。 ４つのマイクロコンポーネントを有するＳｏＣ（チップ上システム）を示す概念図である。

Claims (13)

1. 品質保証型事象メッセージをエネルギー節約的に伝送する方法であって、時間制御通信システム（１００）によって相互に接続された複数のノード・コンピュータ（１１１，１１２，１１３，１１４）を備え、該複数のノード・コンピュータ（１１１，１１２，１１３，１１４）が既知の精度を有する共通のタイム・ベースを設けるとともに、該複数のノード・コンピュータ（１１１，１１２，１１３，１１４）がアプリオリに設定された時点にメッセージを周期的に交換できる分散型コンピュータ・システム上で伝送する方法において、
   品質保証型事象メッセージが、事象メッセージを伝送する散発性時間制御メッセージ（ＳＺＮ）によって該散発性時間制御メッセージのコンテンツが直前に伝送されたものから変更された場合にのみ送信され、
   受信機が、受信プロセスによって散発性時間制御メッセージのコンテンツが所定の方法で正確に一度読み取られるまで入力された該コンテンツを待ち行列の中に記憶することを特徴とする方法。
2. 前記時間制御通信システム（１００）が、チップ上システム（system-on-a-chip）（ＳｏＣ）上で実現されており、該ＳｏＣ（４００）上に配置された複数のマイクロコンポーネントを相互に接続することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ＳｏＣ（４００）のマイクロコンポーネントが、時間制御メッセージを受信及び／又は送信できる、ユーザ・ソフトウェアを含むプログラム可能なコンピュータ又は専用のハードウェア・ユニットであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記時間制御メッセージの周期の長さが、最小周期の２のべき乗であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
5. 設定された周期の一つが、１秒の長さに正確に対応することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. コンポーネントの複数の独立したポートが、単一の物理線によって供給されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
7. 前記散発性状態メッセージの周期の長さが、運用中に動的に変更できることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の方法。
8. 前記マイクロコンポーネントの一つが、動的スケジューラの機能を実行し、前記散発性状態メッセージの周期の長さを変更することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の方法。
9. 前記スケジューラが、必要な時間応答と最小のエネルギー消費を考慮に入れて動的スケジュールを最適化することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記マイクロコンポーネントの作業速度が、前記ＳｏＣのエネルギー消費を最小化するよう前記スケジューラによって動的に変更できることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の方法。
11. 散発性状態メッセージによって使用されていない予備の伝送スロットが、最善努力型事象メッセージを伝送するために動的に使用できることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の方法。
12. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法を実行するためのハードウェアを有するチップ上システム（４００）。
13. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法を実行するための通信システム

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