一種1553B總線上非周期消息傳輸的優化方法

田 宇，趙昶宇

（1.海軍駐天津八三五七所軍事代表室，天津 300308；2.天津津航計算技術研究所，天津 300308）

一種1553B總線上非周期消息傳輸的優化方法

田 宇1，趙昶宇2

（1.海軍駐天津八三五七所軍事代表室，天津 300308；2.天津津航計算技術研究所，天津 300308）

通過借鑒周期任務調度的速率單調調度（RMS）算法，提出一種改進的RMS算法，用于優化非周期消息的傳輸；以排隊論為理論依據，對非周期消息的傳輸過程進行建模，對非周期消息的延遲時間進行優化，推導出總線最優服務率和最小平均延遲時間的計算公式，并給出了非周期消息的調度算法。實驗證明，在周期消息和非周期消息混合傳輸的情況下，上述方法具有實時性好、可靠性高、異步事件處理能力強等特點。

1553B總線；非周期；傳輸優化；排隊論

由于武器裝備軟件系統對實時性和可靠性具有很高的要求，必須保證1553B總線上消息傳輸的實時性。當1553B總線上需要處理不同長度、不同周期的多種消息，并且存在異步消息需要處理時，系統的實時性一般很難保證。如何兼顧1553B總線系統的實時性和可靠性，如何合理地調度1553B總線上的各種消息，盡量發揮1553B總線系統的性能，成為目前武器裝備軟件系統需要關注的重點之一。

1553B總線上傳輸不同類型的數據有著不同的周期，通常將最慢的傳輸周期稱為“大周期”，將最快的傳輸周期稱為“小周期”。

在小周期傳輸結束之前完成周期數據傳輸的剩余時間稱為“寂靜期”，寂靜期是用來處理非周期消息的。若第一個小周期的非周期消息未處理完，總線控制器就會將它放到下一個小周期的寂靜期去處理，若這次仍然沒有處理完，則不會再延遲到下一個小周期，結果會導致該條非周期消息處理失敗，從而導致1553B總線非周期消息的處理能力降低，同時導致總線上某個時間段的消息過于密集而出現總線數據飽和或堵塞的現象。

為了避免產生上述現象，本文基于排隊論對1553B總線上的非周期消息進行建模，給出了總線最優服務率和最小平均延遲時間的計算公式，能夠保證非周期消息在寂靜期內得到最優的調度，從而提高了1553B總線上非周期消息的處理能力。

1 周期消息的數學模型和調度算法

所謂“周期消息”，亦即同步消息，是指1553B總線上以固定的順序、周期和相位出現的消息。對周期消息的調度和對周期任務的調度有很多相似之處：①消息和任務被調度的周期是固定的，被調度的時間是已知的、明確的；②多條消息不能同時在同一總線上傳輸，多個任務不能同時占用同一個處理器；③消息占用網絡帶寬資源，任務占用處理器時間資源。因此，本文借鑒單處理器上周期任務的調度方法來處理1553B總線上的周期消息。

C.L.Liu和J.Layland于1973年提出的速率單調調度（RMS）算法在可預測性比較好的周期任務調度方面得到了廣泛的應用，并已被證明是最優的靜態優先級調度算法。RMS的核心思想是根據任務的周期來設置任務的優先級。周期越小，其優先級越高。

先對周期任務進行建模：設有一個周期任務集s＝Tp1，Tp2，…，Tpn，每個周期任務 Tpi可用四元式表示為 Tpi＝（Cpi，Ppi，Rpi，Dpi），其中，Cpi為任務的最大計算時間，Ppi為任務周期，Rpi為任務執行時刻，Dpi為任務時限。

若任務的時限等于任務的周期，則使用RMS算法任務可調度的充分條件為：

式（1）中：n為任務總數；Ui＝Cpi/Ppi為任務對CPU的利用率；為系統中所有任務對CPU的總利用率。

由于在RMS調度算法中，任務是可以被搶占的，而在消息調度中，消息是不能被搶占的，否則，被破壞的消息無法從中斷處恢復傳輸，從而破壞了消息數據的完整性，導致消息重傳或者丟棄。因此，本發明針對總線消息傳輸的特點改進現有的RMS算法，以保證消息傳輸的完整性。

2 非周期消息的數學模型和調度算法

1553B總線上非周期消息的傳輸過程可以看作是一種單服務員單隊列的排隊系統。總線上的每一條消息指令為等待服務的顧客，總線為提供數據傳輸的服務員，服務時間為消息傳輸時間。以下給出該排隊系統的排隊規則：①消息的相繼到達時間間隔獨立，假設到達時間服從泊松分布；②排隊隊列的長度為無限長，服務方式服從先來先服務。因此，該模型為一個M|M|1排隊模型。N（t）表示t時刻總線上的非周期消息數，{N（t）}為一個齊次馬爾可夫鏈的生滅過程。

設λ為消息的平均到達率，μ為總線的平均服務率，因此1/λ為消息的平均時間間隔，1/μ為消息的平均傳輸時間。

設pi為排隊系統在狀態i處的概率，ρ為總線利用率，建立生滅過程的狀態平衡方程：

狀態 0：λρ0＝μp1，p1＝ρp0.

狀態 1：λρ1＝μp2，p2＝ρ2p0.

……

狀態 k：λρk＝μpk+1，pk+1＝ρk+1p0.

假設消息的平均時間間隔大于消息的平均傳輸時間，即

由此得出系統在不同狀態下的概率分別為：

p0＝1－ρ

p1＝ρ（1－ρ）……

pk＝ρk（1－ρ）……

消息排隊等候所花費時間的平均值為：

1553B總線傳輸系統的平均延遲時間為消息傳輸時間和消息排隊等候時間之和。對總線上非周期消息傳輸進行優化的目標是使平均延遲時間最小，并確定達到最優目標值的最優的總線平均服務率μ*.

取目標函數z為消息傳輸時間與消息在系統中排隊等候時間之和的期望值，即：

式（2）中：cs為當μ＝1時總線消息傳輸所耗費的時間；cw為每條消息在總線中排隊等候所耗費的時間。

根號前取“＋”號是為了保證ρ＜1，只有這樣，系統才會達到穩態。于是，最小平均延遲時間為

平均延遲時間是1553B總線最重要的性能指標參數之一，由此可見，只要能夠保證最優服務率μ*，即可保證系統總線上非周期消息的平均延遲時間最小，從而提高總線上消息傳輸的實時性和可靠性。而影響最優服務率μ*的關鍵元素為非周期消息的平均到達率λ，亦即總線上非周期消息傳輸的強度。由于1/λ為非周期消息的平均時間間隔，亦即非周期消息的平均周期，因此，對非周期消息的調度可以采取將非周期消息轉化成周期消息，然后應用上文中改進的RMS調度算法對其進行合理的調度。

3 結束語

本文為避免1553B總線上處理非周期消息時出現總線飽和或者堵塞的現象，提出了一種1553B總線上非周期消息傳輸的優化方法。該方法通過排隊論對非周期消息進行建模，通過科學推理給出了1553B總線最優服務率和最小平均延遲時間的計算公式，得到了非周期消息的平均周期。將非周期消息轉化為周期消息，并利用RMS調度算法對其進行合理調度。該方法不僅避免了總線上消息飽和或者堵塞的現象，提高了周期消息傳輸的實時性和可靠性，而且在周期消息和非周期消息混合傳輸的情況下，降低了非周期消息的平均延遲時間，保證了非周期消息的實時性。

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TP274

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.100

2095－6835（2017）20－0100－03

田宇（1984—），男，工學碩士、工程師，從事裝備質量監督與檢驗驗收方面的工作與研究。趙昶宇（1982—），男，陜西漢中人，工學碩士，高級工程師，主要從事嵌入式系統軟件測試方面的研究。

〔編輯：劉曉芳〕