嵌入式通信系统优化设计

摘 要：嵌入式通信系统设计已有几十年的发展，应用的范围涵盖了电器、汽车、航空器等各个领域。当前嵌入式通信系统设计融入了微电子技术、电气自动化等技术，出现了许多新亮点：多核处理器助力嵌入式通信系统、通信系统的任务处理能力增强、处理器节点之间的通信数据传递更迅速、嵌入式通信系统越来越安全等等。与此同时，这些新的特点亦是对于嵌入式通信系统提出的挑战。本文从梳理嵌入式通信系统的通信原理入手，针对系统任务间通信机制和通信系统网络设计中遇到的问题，开展了优化设计研究。

关键词：嵌入式；通信系统；工作原理；创新设计

一、嵌入式通信系统概述

1.嵌入式通信系统特征

为适应经济发展和时代进步，通信系统制造商需要制造出功能更加齐全、性能更加强大的通信产品来迎合市场的激烈竞争。嵌入式通信系统需要满足更多的功能和更多样的性能要求。嵌入式通信系统由于特定的应用场景、特殊的应用目的，其与一般的系统相比，具备特有的属性：一是响应时间受限性，通信系统的任务具有时限属性，当任务开始后，要在一个特定的时间内执行完毕。二是可靠性，通信系统对可靠性有严格要求，特别是汽车、航空器等控制系统，通信系统的执行情况和执行结果对生命、财产、国防安全有重大的影响，一个微小的故障就可能造成严重的后果；三是约束的复杂性，约束分为时间约束和资源约束，前者指每个任务都需满足时限约束，后者指当多个任务共享同一的资源时，按照一定的资源访问控制协议进行，防止死锁，避免高优先级任务被低级任务阻塞；四是多任务类型，嵌入式通信系统需要处理不同类型的任务，如周期式任务、偶发式任务、非周期式任务和非实时式任务。

2.嵌入式通信系统工作原理

嵌入式通信系统运行中，在不同任务之间需要进行通信，其是通过读写、共享变量实现的。必须保证共享变量的数据的一致性，才能保证嵌入式通信系统正常工作。嵌入式通信系统通常采用原子锁的机制来确保共享变量访问一致性，在任务访问共享变量之前对其锁定，在访问结束后解锁。如果锁定或者解锁失败，则不能访问系统共享变量。由此任务的执行过程产生关联，当高优先级任务访问系统共享变量时，访问相同共享位置变量的低优先级任务会被拒绝，从而落实嵌入式通信系统运算规则。嵌入式通信系统需要同时保证对共享资源的互斥访问与任务的可调度性。

3.嵌入式通信系统调度原理

为了精确调度嵌入式通信系统的资源，达到实时、可预测的特定要求，在嵌入式通信系统部署之前，需要用调度理论对目标任务进行可调度性分析，再进行调度方案搜索。嵌入式通信系统任务调度技术分为嵌入式通信系统可调度性分析方法和嵌入式通信系统调度策略。嵌入式通信系统任务调度技术研究包括任务共享系统资源的策略、机制，并提供判断嵌入式通信系统任务可否调度。嵌入式通信系统经历了从简单到复杂的历程。嵌入式通信系统的特定应用需求要求通信系统设备小型化、集成度高，紧密与网络契合，具备移动能力。并进一步要求嵌入式通信系统的嵌入式CPU体积小、低功耗，能够将通用CPU中由板卡完成的目标任务集成在芯片内部。嵌入式通信系统的CPU要求硬件和软件有较高的效率，去除冗余，在同样的条件下达到更高的性能。毋庸置疑，嵌入式通信系统是一项技术密集、资金密集、研发密集、不断创新的高新知识集成系统。

二、嵌入式通信系统存在的可扩展性问题

1.嵌入式通信系统网络容量不足

举一个常见的嵌入式通信系统的例子，该系统包含4个ECU和8个消息，嵌入式通信系统的通信周期为1，每个消息的周期亦为1，嵌入式通信系统系统的每个通信周期都包含8个时间槽。所有节点通过单个嵌入式通信系统总线连接，各个ECU节点之间的信号通信情况正常，消息在嵌入式通信系统总线静态段上调度。稍作分析可知，消息M1、M2、M3……M8刚好会占满嵌入式通信系统系统静态段的全部时间槽，导致嵌入式通信系统资源占用率已达饱和状态，网络容量不足，无暇处理其他信息。

2.嵌入式通信系统分支负载不均衡

当嵌入式通信系统的静态段时间槽全部占用，而嵌入式通信系统系统的静态段时间槽占有率仅为50%，属于严重的负载不均。嵌入式通信系统负载不均会导致嵌入式通信系统不能容纳新消息传输，限制通信系统升级，进而造成嵌入式通信系统系统无法进行扩展。这一问题产生的根源在于嵌入式通信系统通信网络结构设计缺陷，其消息调度未将负载均衡作为设计指标，亦无其它相关工作考虑了嵌入式通信系统负载均衡。

三、嵌入式通信系统优化

1.嵌入式通信系统消息缓存交换结构优化

使用嵌入式通信系y交换机代替原有的设备，嵌入式通信系统交换机只负责把消息转发给需要该消息的分支，允许多个分支上的ECU 节点同时发送消息，进而提高嵌入式通信系统通信网络的有效带宽。嵌入式通信系统的交换机采用电路交换模式，交换机与嵌入式通信系统的总线保持同步。配置嵌入式通信系统交换机中不同输入端口、输出端口的连接方式，进而确定消息转发路径。嵌入式通信系统的每个时间槽都含有一个报文，在每个时间槽上都要对嵌入式通信系统的交换机的连接进行重新配置。将此方式改进为无缓冲、无延迟的嵌入式通信系统 交换机，有助于嵌入式通信系统的交换结构优化。

2.嵌入式通信系统HSRN负载均衡优化

对嵌入式通信系统HSRN各分支进行负载均衡优化设计，可扩展的通信网络利用优化后的交换机将嵌入式通信系统的通信网络分割。在各分支之间的负载均衡性极大的情况下，将提升嵌入式通信系统通信网络的可扩展性。负载均衡设计之后具有明显的优势：在电子系统中，软件升级会导致嵌入式通信系统通信数据量的增加，而负载均衡设计可以为每个分支都预留较大的扩展量，从而方便的完成系统的升级和扩展。嵌入式通信系统HSRN结构本身引入了消息可缓存的系统交换机，有效隔离了广播域，提高了嵌入式通信系统的网络容量。在嵌入式通信系统交换机中设置的消息缓存队列，能够放松对跨分支消息的同步传输约束，进而提高嵌入式通信系统通信系统的消息可调度性，使得嵌入式通信系统可容纳更多消息，提高了嵌入式通信系统的通信网络的带宽利用率。

参考文献

[1] 王永吉，陈秋萍.单调速率及其扩展算法的可调度性判定. 软件学报. 2014年.

[2] 金宏，王宏安，王强.一种任务优先级的综合设计方法. 软件学报.2013年.

[3] 邹勇，李明树，王青.开放式通信系统的调度理论与方法分析. 软件学报.2013年.

[4] 段成刚，欧阳森，宋政湘.新型在线实时电能质量监测设备的设计.电网技术. 2014年.

[5] 刘怀，胡继峰. 通信系统的多任务调度. 计算机工程. 2012年.