第１２卷第２１期２０１２年７月 科学技术与工程 Ｖｏ１．１２ Ｎｏ．２１ Ｊｕ１．２０１２ １６７１—１８１５（２０１２）２１－５３４７．０４ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＠２０１２ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ． ＩＥＥＥ￣１３９４ｂ光纤总线互连实时性分析 徐长彬王建华 （中国人民驻十一所军代室，北京１０００１５） 摘要 重点对ＩＥＥＥ－－１３９４ｂ互连系统的静态等时传输模型和动态传输模型进行了详细研究，分别得到了上述两个模型下 消息的平均等待时间的数学表达式，指出了ＩＥＥＥ－－１３９４ｂ互连系统中影响实时特性的因素，并对分析结果进行了仿真。关键 参数消息的平均等待时间是ＩＥＥＥ－－１３９４ｂ光纤总线互联系统实时性研究的重点。介绍了ＩＥＥＥ－－１３９４互连系统实时性的特 点，重点推导了等时传输和异步传输模型的消息平均等待时间的数学表达式，通过仿真得出等时传输对异步传输具有很大 影响。 关键词实时性 ＩＥＥＥ－－１３９４ｂ 光纤总线 文献标志码等时传输 Ａ 异步传输 中图法分类号ＴＰ３９３．１４； 实时陛¨ 是实时信息处理系统中评价总线的 重要性能指标。但是随着越来越多的密集数据主 １ ｍＥＥ一１３９４ｂ的实时性特点 在实时性方面，ＩＥＥＥ一１３９４ｂ的特点主要在于 ＩＥＥＥ－－１３９４ｂ的介质访问控制协议采用仲裁的方 式，包括等时仲裁和异步仲裁。图１所示为ＩＥＥＥ一 要包括音视频数据的需求远远超出现有总线的数 据承载能力。根据光纤数据总线的优点，充分利用 ＩＥＥＥ １３９４ｂ 的优越性能，将ＩＥＥＥ １３９４ｂ光纤数 据总线应用到电子综合化系统中，是解决实时性的 选择之一。ＩＥＥＥ １３９４ｂ光纤总线不仅在工业和测 控领域被广泛应用，而且已经逐步深入到航空航天 １ ３９４ｂ协议在一个周期内的数据传输。 领域。它的空间应用能充分利用网络节点的智能， 更好地实现实时传输和分布式控制。 综合电子系统从集中式结构发展到分布式结 … 磐 ２Ｏ％ 构，信息运算处理能力不断增强，运算速度和系统 总线带宽不断提高，系统地实时性得到了很大的改 善。然而，如何精确地掌握系统的实时性，改进和 ８０％ 图１ ＩＥＥＥ－－１３９４ｂ总线周期 完善互连系统设计，是目前迫切需要解决的问题。 消息在队列中的平均等待时间是排队论中衡量系 统性能的重要指标。为实现网络的实时传输特性， 寻求合理、正确的关键参数的数学表达式是近年来 网络实时Ｉ生研究关注的焦点之一。 并且ＩＥＥＥ－－１３９４ｂ协议保证了周期性数据传 输以等时模式进行，同时协议规定了在没有等时数 据传输时，异步数据将占有总线资源。因此ＩＥＥＥ一 １３９４协议适合于实时应用的场合，传输模式采用同 步时分复用帧结构。每一帧被分为固定和可移动 的两部分，主要用于两种不同类型数据传输的动态 资源分配。。Ｊ。 ２ｏ１２年４月ｌＯ日收到 第一作者简介：徐长彬（１９８３一），汉族，河北唐山人，硕士研究生，助 理工程师，研究方向：质量监督。Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｃｂｇｘｇｃ＠１６３．ｃｏｍ。 ２ ＩＥＥＥ一１３９４ｂ的静态传输模型 假设在ＩＥＥＥ－－１３９４ｂ的每一个周期内存在确 ５３４８ 科学技术与工程 １２卷 定的时间段用于传输等时数据，据此建立等时传输 模型。该模型可以用于长时间等时数据传输的应 用场合。ＩＥＥＥ一１３９４ｂ的静态传输模型是基于一个 离散时间队列。 模型引入两个变量： 表示第ｎ个周期开始 时，缓存中异步包的数目， （ｈ＝１，…，Ⅳ）表示第 ｎ个周期的第ｈ个时间片结束时缓存中异步包的 数目， 和 的表示如图２所示。Ａ：（ｈ＝１，…， Ⅳ）表示第ｎ个周期的第ｈ个时间片期间到达的异 步包的数目，根据假设，Ａ：服从参数为Ａ 。 的泊松 分布。 第ｎ个周期（１个周期＝１２５微秒＝，ｖ个时间片） 同步教据传输时间＝ 个时间片 第 Ｙ Ｙ １： Ｙ： Ｙ Ｙ 图２静态ＩＥＥＥ－－１３９４等时传输模型 该系统的数学模型为： ｆ Ａ：＋ ～；ｈ＝１，…，Ｋ， “ 【Ａ ＋［ ～一１］ ；ｈ＝Ｋ＋１，…，Ⅳ， （１） 式（１）中［Ｙ］ ：＝ｍａｘ（０，Ｙ）。并且有 ：＝ ， ＋ ＝ ，ｎ：０，１，２，…。 式（１）中的 由两部分组成，第一部分表示在 第ｎ个周期的第ｈ个时间片时间段内到达的异步数 据包；第二部分表示第ｈ个时间片的整个时间段内 一直驻留在缓存中的异步数据包。序列｛ ， ＝ １，２，…｝组成了离散时间马尔可夫链。 ３ ＩＥＥＥ—ｌ３９４ｂ的动态传输模型 ＩＥＥＥ－－１３９４ｂ的动态传输模型适用于同时需要 考虑等时与异步数据的场合，即每个周期用于传输 等时数据的时间段都存在差异。 ３．１等时传输模式模型 首先用连续周期内用于传输等时数据的时间 片数目构成马尔可夫链。再基于异步包队列构造 另一个马尔可夫链。 该模型研究的是在连续周期内发生的同步传 输行为。令 为在第ｎ个周期用于传输同步数据 的时间片数目。因为等时传输过程的保持时间服 从同一参数的指数分布，因此对每一个周期而言， 单独一次等时传输服务结束的概率是相同的： Ｐ １一ｅ一 。 显然，队列｛Ｘ ，ｉｒｔ＝１，２，…｝构成了一个马尔 可夫链。 根据损失制模型的假设，状态转移概率ｑ ＝ Ｐ（Ｘ ＝．『Ｉ Ｘ ＝ｉ），ｉ＝０，…，Ｍ，ｊ＝０，…， 可以 表示为： ｇ ： 『∑ ｎ（ｉ，ｋ）Ｃ（ｊ＋ 一 ）； ＝ｏ，…，Ｍ一１ 【∑ ：。ｎ（ｉ， ）∑ｌ ＝Ｍ＋ｋ－ｉｃ（ｚ）； ＝Ｍ （２） 式（２）中日（ ，ｋ）为伯努利概率，ｃ（ｋ）为泊松概率， 分别定义为： Ｂ（ ， ） （ ）ｐ （１一ｐ） ； ｃ㈤： 。 一 （３） 式（２）表明当．『＝０，…，Ｍ一１时，假定在第ｎ个 周期有ｋ个等时传输过程结束。对于第ｎ＋１个周期 内 个等时传输过程，需要在第ｎ个周期内有 ＋ｋ— ｉ个同步传输请求到达。ｇ 由变量ｋ对应的所有可能 事件的概率累加而得到。当 ＝Ｍ时，需要在第ｎ个 周期至少有Ｍ＋ｋ—ｉ个等时传输请求到达，ｇｉ肼可以 用类似的过程求得。 将变量ｉ一 置换为 ，则重新改写ｇ 为： ｇ ＝ ｆ∑ｒ￣ ｎ（ｉｄ）Ｂ（ｉ， —：。ｋ）ｃ（ｊ一 ）， ＝ｏ，…，Ｍ一１ 【∑ ：。Ｂ（ｉ， 一 ）∑１ ＝Ｍ－ｋｃ（ｚ）， ＝ （４） （Ｍ＋１）×（Ｍ＋１）阶矩阵Ｑ＝［ｑ ］给出了马 尔可夫链｛Ｘ ｝的状态转移矩阵。 ３．２异步传输模式模型 用一个二维离散事件马尔可夫链来对异步传 ２ｌ期 徐长彬，等：ＩＥＥＥ－－１３９４ｂ光纤总线互连实时 分析 输的队列过程进行建模。可以得到。 ＝ ＋ ＋ｌ（ ）：丁ｅＮ．Ｌ４ＤＴ（ｚ－Ｉ）兰ｙｎ（ ） ｇ ＋ 萋（Ⅳ＿１ ［１＿ ）］ １ Ｍ Ｎ一１ ．， ∑： （０）［（Ⅳ一 ）Ａ 町＋ — ］ ∑∑Ｐ：（０； ）ｅ ｎＡＤ ｑ Ｎ—Ｋ—ＮＡＡ町 ［（Ⅳ一Ｋ）（Ｎ—Ｋ一１）一 Ａ ］ （５） ２（Ｎ—Ｋ—ＮＡＡ町 假定当 ＿＋∞时，系统进入稳态，可以得到矩 Ⅳ一１ 阵方程： ∑ （０）（ ｅ “ ） ＝０；ｌ＝１，…，Ｎ—Ｋ一１ ｉ＝Ｋ ｙ（ｚ）＝ （６） ＝ ｅ帆ＡＤＴ 一 删一 ，Ｚ＝１，…，Ｎ—Ｋ一１ 式（６）中Ｆ（ｚ）＝ＺＮ ＋ 一ａ（ｚ），ＩＭ＋ 为（ ＋１）× ＝ｅ２ （Ⅳ一目 （ ＋１）阶单位矩阵，ａ（ｚ）＝ｅ肌一‘ ｄｉａｇ｛１，ｚ， （１０） …，ｚ ｝Ｑ，向量Ｖ（ｚ）＝［Ｖｏ（ ），…， （ ）］，Ｆ （ｚ） 当取传输时间间隔Ｎ＝５，分别对等时传输的时 为矩阵Ｆ（ ）的伴随阵。 间间隔的数量 和异步数据包的到达率Ａ棚为不 同值时，ＩＥＥＥ一１３９４ｂ异步数据包的平均等待时间 ８ 函数Ｙ（ｚ）在开域内是可解析的和连续的。而 Ｖ（ｚ）、Ａ（ｚ）和Ｆ（ｚ）在整个复平面上是可解析的，因 进行曲线拟合，如图３。很明显，异步传输的平均 此Ｙ（ｚ）是在闭域内的邻域解析。可得： 等待时间 随着等时传输的时间问隔的数量 和 Ｆ （１）１ ＋ｌ＝Ｎ１ ＋１一ＮＡＡＤＴ１ ＋１一 （７） 异步数据包的到达率Ａ 的增加而增加。也就是说 又因订 ＝∑ Ｍ ７ｒ ＝ ］，此处的数学期望 如果总线系统等时传输业务越大，将导致异步传输 表示每个周期内用于传输同步数据的时间片的平 平均等待时间增加。因为ＩＥＥＥ一１３９４ｂ总线带宽 均数目。对式（７）左乘订并进行变换求得未知 是确定的，当等时业务较大时，因为等时传输具有 变量： 较高的优先级，因为总线将尽可能地先满足其传输 带宽要求，这样也就必然致使异步传输带宽减小， ∑∑Ｐｉ（０；ｉ）＝Ｎ—ＮＡ 一 ］ （８） 造成异步传输的平均等待时间增加。同时，当异步 式（８）中的累加必须为正，因此可得： 数据量在某个时间段上，传输数据量很大时也将造 ＮＡ 。 ＜Ｎ一［Ｘ］ （９） 成其平均等待时间变长。 即每个周期内异步传输的平均负载必须小于能够 』 』 』 』 支持异步传输的最大时间片的数目。式（９）是异步 ｆ ｌ ｜ ｜ 包队列稳定的充分条件。 ｉ ４ Ｋ＝３ ｛ ｝ ４仿真分析 ＾ ／ｌ ｌ ／ － 从上述的分析过程可以看出，对ＩＥＥＥ １３９４传 Ｈ＿．．—一一 ●ｆＨ 十ｒ ／ 输进行数学建模并求异步数据包的平均等待时间 ．＿ ．．ｔ＋●什 是个复杂且繁琐的过程，在工程实践中如果对每 Ｏ Ｏ ２ ０ ４ Ｏ ６ 次传输过程都进行实际分析是不现实也是没有必 异步包到达率 要的，因此不妨对该模型进行大致分析。整个数 图３数学模型的曲线拟合 学模型的核心就是分析式（１０）所描述的方程组， 并求出ＩＥＥＥ １３９４ｂ异步数据包的平均等待 ５结束语 时间 。 本文从关键参数消息平均等待时间，对互连系 ６ ５ ７ 星鲁姑 ５３５０ 科学技术与工程 １２卷 统的实时特性进行了研究，重点对ＩＥＥＥ一１３９４ｂ互 社，１９９５ 连系统的静态等时传输模型和动态等时和异步传 ２ Ｈｕａｎｇ Ｃ Ｙ，Ｋｕｏ Ｔ Ｗ，Ｐａｎｇ Ａ Ｃ．ＱｏＳ ＳｕｐｐｏｒｔｆｏｒＩＥＥＥ－－１３９４ Ｒｅ— 输模型进行了详细研究和分析，分别得到了上述两 ｑｕｅｓｔｓ．ＳＡＣ０６，２００６；（４）：２３＿２７ ３ Ｃｈａａｂａｎ Ｋ，Ｓｈａｗｋｙ Ｍ，Ｃｒｕｂｉｌｌｅ Ｐ．Ａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｆｏｒ ｒｅａｌ－ 个模型下消息的平均等待时间的数学表达式，指出 ｔｉｍｅ ｉｎ—ｖｅｈｉｃｌｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ 了ＩＥＥＥ一１３９４ｂ互连系统中影响实时特性的因素。 ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒａｎｅｅ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００５： 并对分析结果进行了仿真。 ９２５—＿９２９ 本文推导出了基于ＩＥＥＥ－－１３９４ｂ互联系统的 ４ ＩＥＥＥ ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ ｓｐａｅｅｂｏｒｎｅ ｆｉｂｅｒ—ｏｐｔｉｃ ｄａｔａ ｂｕｓ．ＩＥＥＥ Ｓｔｄ，１９９９： 实时性关键参数的表达式。通过仿真结果分析看， １３９３－－１９９９ ５ ＩＥＥＥ Ｓｔｄ．１３９４ｂ－－２００２ ＩＥＥＥ ｓｔｎａｄａｒｄ ｆｏｒ ａ ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｅｒｉｌａ 等时传输业务量大时将影响异步传输的平均等待 ｂｕｓ－ｍａｅｎｄｍｅｎｔ ２．ＩＥＥＥ Ｓｔｄ １３９４ｂ－－２００２（Ａｍｅｎｄｍｅｎｔ ｔｏ ＩＥＥＥ 时间，同时当异步数据量在某个时间段上很大时也 Ｓｔｄ １３９４－－１９９５），２００２：１—＿３６９ 将造成其平均等待时间变长，这为实时传输处理提 ６ Ｇｉｔｍａｎ Ｉ，Ｈｓｉｅｈ Ｗ Ｎ，Ｏｅｅｈｉｏｇｒｏｓｓｏ Ｂ Ｊ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｙ－ 供了依据。随着实际应用复杂性的不断提高，实时 ｂｒｉｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｃｏｍｍｕｎ，１９８１；９（ＣＯＭ一 性能的处理能力对互连技术变得越为重要。 ２９）：１２９０－－１３００ 参考文献 １ 袁由光．实时系统中的可靠性技术．北京：清华大学出版 Ａｎａｌｙｓｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｕｓ Ｒｅａｌ・ｔｉｍｅ Ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ＩＥＥＥ－－１３９４ｂ ＸＵ Ｃｈａｎｇ－ｂｉｎ，ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ－ｈｕａ （Ｍａｒｔｉａｌ Ｄｅｌｅｇａｔｅ Ｏｆｆｉｃｅ ｉｎ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ—ｏｐｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１５，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｊ Ｔｈｅ ＩＥＥＥ－－１３９４ｂ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｔｉｃ ｉｓｏｃｈｒｏｎｏｕｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｆｏｃｕｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｍｏｄｅｌｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｗａｉｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆ ｍｅｓｓａｇｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ．Ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ＩＥＥＥ－－１ ３９４ｂ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｆａｃｔｏｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｓｉｍ— ｕｌａｔｅｄ．Ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｍｅｓｓａｇｅ ａｖｅｒａｇｅ ｗａｉｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｉｓ ＩＥＥＥ－－１ ３９４ｂ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｂｕｓ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅａｌ— ｔｉｍｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｃｕｓ．Ｔｈｅ ＩＥＥＥ－－１ ３９４ｂ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｆｏｃｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｓｏｃｈｒｏｎｏｕｓ ａｎｄ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｓｓａｇｅｓ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｗａｉｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｉｓｏｃｈｒｏｎｏｕｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ＩＥＥＥ－－１３９４ｂ ｏｐｔｉｃａｌ ｂｕｓ ｉｓｏｃｈｒｏｎｏｕｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｔｒａｎｓ． ｍ；ｓｓｉｏｎ
