基于以太网的硬实时通信协议的设计与实现

论文摘要

实时通信系统的主要需求是消息传输的可预测性和操作的灵活性。大多数的实时通信系统都是依赖现场总线进行互联的。但现场总线有三个主要问题。现在随着节点数量和功能的增加,和动态环境的要求,已经把现场总线推向了它的极限。以太网是个理想的替代品,它有着高速率、低成本、安装方便和良好兼容性的优点。但是由于使用CSMA/CD和存储转发机制,这使得它不能提供确定性的点对点的延迟。为了解决以上的问题,本文给出了一种基于以太网的硬实时通信协议TTEP。已有的改进方法,或者需要特殊硬件,或者提供的是概率性的时限保证,或者是不能适应网络需要的动态变化。而TTEP没有修改相应的硬件。该协议使用主从传输控制技术,在线调度和在线接纳控制机制。基于消息的TTEP协议,能够提供确定的硬实时通信。TTEP协议不仅调度消息的传输,而且调度消息的生产,并且在保证时限的前提下支持通信请求的动态变化,支持节点和消息的在线加入和移出。把非周期消息直接或者间接的转换为周期消息处理。TTEP协议原型在AMD Athlon（tm）64计算机上给予了实现,运行的是Linux-2.6.15系统。把一些中断例如APIC和网卡中断的中断处理程序直接注册在中断描述符表中,这样可以得到确定的中断响应时间。为了获得精确的传输时刻,使用了Local APIC定时器。实验表明,该协议不仅能够保证通信的时限要求,带宽利用率高,而且能够满足网络通信需求的动态变化,支持动态加入和移除节点和消息。然而,还有一些不足和需要改进的地方。进一步的相关工作是如何保证较小的抖动。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 以太网的不确定性和不公平性
• 1.3 实时以太网应用行规国际标准
• 1.4 研究方法的现状
• 2 硬实时通信协议TTEP的设计
• 2.1 设计目标
• 2.2 协议描述
• 2.3 EC和MC
• 2.4 生产与传输
• 2.5 α、β和γ的计算
• 2.6 TTEP帧格式
• 2.7 系统结构
• 2.7.1 主站系统结构
• 2.7.2 从站系统结构
• 2.8 TTEP协议操作过程
• 2.8.1 节点的加入和移出
• 2.8.2 周期消息的加入和移出
• 2.8.3 周期消息的处理
• 2.8.4 非周期消息的处理
• 2.8.5 非实时数据的处理
• 2.9 硬实时调度机制
• 2.9.1 实时消息的分类
• 2.9.2 生产时间的校正
• 2.9.3 可调度性判定和在线调度
• 3 TTEP协议的实现
• 3.1 修改8139网卡驱动程序
• 3.2 APIC定时器
• 3.3 运行环境的选定
• 3.3.1 运行环境1
• 3.3.2 运行环境2
• 3.3.3 测试并且选定环境
• 3.4 主站的实现
• 3.4.1 包的接收
• 3.4.2 接口Application interface
• 3.4.3 数据结构
• 3.4.4 可调度性判定Addmission control
• 3.4.5 在线调度scheduler
• 3.4.6 统计数据的方法
• 3.5 从站的实现
• 3.5.1 包的接收
• 3.5.2 PT模块
• 3.5.3 CT模块
• 3.5.4 Params模块
• 3.5.5 中断管理
• 3.5.6 生产消息模板
• 3.5.7 消费消息模板
• 4 协议实验
• 4.1 实验准备
• 4.2 实验结果
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢