編輯推薦

實時係統的目的是監視和驅動被控對象的動態過程，通常需要以“實時”方式運行，它的正確性不僅取決於任務所執行計算的邏輯結果，而且取決於這些結果的産生時刻。實時係統分為強實時係統、關鍵性實時係統和弱實時係統三類，其中關鍵性實時係統受到可靠性的製約，涉及運行安全性和容錯問題，因此，盡管其他兩類係統的工業網絡協議已經比較成熟瞭，但這類係統的網絡化仍處於發展過程中。關鍵性實時係統中的實時傳輸網絡與汽車、飛機、航海航空、鐵路交通、武器裝備、核電、機器人等涉及生命和財産安全的重要領域的技術進步密切相關，然而，關於這個主題，目前可供使用的資料很少，本書能在一定程度上填補這一空白。

內容簡介

實時多路傳輸網絡是在嵌入式係統和自動控製係統高度發展的基礎上形成的一個新主題，其主要目標在於探索具有速度快、實時性強、容錯、操作靈活、智能分布的安全網絡係統，至今仍處於發展過程中。本書以清晰、閤適的方式，係統地描述瞭實時傳輸網絡FlexRay的産生背景、協議、理論與技術基礎，重點探討瞭與FlexRay的形成及應用密切相關的全局時間同步和任務實時調度原理，並結閤輔助開發工具介紹瞭FlexRay總綫係統的開發、集成、分析和測試方法。全書共分為10章，每章配有習題。本書在編寫過程中廣泛吸取瞭實時傳輸網絡方麵的*新成果，全書內容自成體係，結構緊湊，前後呼應，具有一定的先進性、係統性和實用性。本書可作為高等院校汽車電子、自動化、測控技術、信息工程、微電子、計算機、電氣工程和機電一體化等專業高年級本科生、研究生的教材，也可作為從事實時傳輸網絡、嵌入式係統、電子控製單元、自動化儀錶研究及應用的科技人員的參考書。

作者簡介

張鳳登：上海理工大學教授，上海市自動化學會常務理事，中國儀器儀錶學會過程檢測控製儀錶分會常務理事，中國人工智能學會自然計算與數字智能城市專業委員會委員，中國儀器儀錶學會嵌入式儀錶及係統技術分會理事，中國儀器儀錶學會教育工作委員會委員，《自動化儀錶》期刊編委，先後主持或閤作完成來自省、市、部及企事業單位的各類教學與科研項目36項，獲得機械工業部科技進步三等奬2項、科技成果推廣應用榮譽證書2項、發明專利3項、實用新型專利6項、軟件著作權2項，發錶論文121篇，齣版著4部。

目錄

目 錄
第1章 概述 1
1．1 實時係統中的問題 2
1．1．1 信息技術係統 2
1．1．2 實時係統及其分類 2
1．1．3 分布式實時係統的復雜性 4
1．1．4 “時間觸發”和“事件觸發”互動範式 5
1．1．5 數字總綫係統 6
1．2 現有嵌入式係統多路傳輸網絡的局限性 7
1．2．1 CAN的發展曆程 7
1．2．2 CAN的局限性 8
1．2．3 CAN在概率特徵和確定性方麵的解決方案 9
1．2．4 TTCAN協議 11
1．3 綫控係統的興起 15
1．3．1 X-by-Wire 15
1．3．2 高級應用需求 16
1．3．3 高級功能需求 18
1．4 FlexRay的起源及發展曆史 20
1．4．1 FlexRay聯盟的成立 20
1．4．2 FlexRay的目標 22
1．4．3 FlexRay的發展曆史 25
1．5 FlexRay操作梗概及特點 26
1．5．1 FlexRay協議的基本操作原理 26
1．5．2 FlexRay通信的層次和整體形式 28
1．5．3 FlexRay的主要特點 31
1．6 FlexRay的應用前景分析與展望 31
1．6．1 FlexRay與ISO 32
1．6．2 FlexRay的用途 32
1．6．3 其他行業中的FlexRay 33
習題 34
第2章 全局時間同步 35
2．1 時間與時間標準 35
2．1．1 順序及其分類 36
2．1．2 時間標準 37
2．2 時鍾 39
2．2．1 數字物理時鍾 39
2．2．2 參考時鍾 41
2．2．3 時鍾漂移 41
2．2．4 時鍾的失效模式 42
2．2．5 時鍾精密度與準確度 42
2．2．6 實際應用中的時鍾微節拍 43
2．3 全局時間及其測量 44
2．3．1 全局時間的概念 45
2．3．2 時間間隔測量 47
2．3．3 π/Δ-領先 47
2．3．4 時間測量的基本限製 48
2．4 密集時基與稀疏時基 49
2．4．1 密集時基 49
2．4．2 稀疏時基 50
2．4．3 時空點陣 51
2．4．4 時間的循環錶示形式 51
2．5 內部時鍾同步 52
2．5．1 同步條件 52
2．5．2 中央主節點同步算法 54
2．5．3 分布式容錯同步算法 55
2．5．4 狀態修正與速率修正 59
2．6 外部時鍾同步 59
2．6．1 運行原理 59
2．6．2 時間格式 60
2．6．3 時間網關 61
習題 61
第3章 實時係統調度 63
3．1 實時調度問題 63
3．1．1 任務模型 64
3．1．2 時間約束 65
3．1．3 調度算法的分類 66
3．1．4 可調度性分析 70
3．2 最壞情況執行時間 76
3．2．1 任務的分類 77
3．2．2 任務的最壞情況執行時間 78
3．3 靜態調度 82
3．3．1 時間在靜態調度中的作用 83
3．3．2 搜索樹在靜態調度中的應用 83
3．3．3 靜態調度錶靈活性的增強方法 84
3．4 動態調度 86
3．4．1 獨立任務的調度 86
3．4．2 非獨立任務的調度 89
3．5 其他可供選擇的調度策略 94
3．5．1 分布式係統的調度 94
3．5．2 反饋調度 95
習題 95
第4章 FlexRay協議 97
4．1 通道與循環 97
4．1．1 通信通道 97
4．1．2 通信循環 98
4．2 段與時隙 99
4．2．1 采用靜態段和動態段的理念 100
4．2．2 時隙和微時隙 100
4．2．3 靜態段與時隙 104
4．2．4 動態段與微時隙 105
4．3 通信幀 107
4．3．1 通信幀格式 108
4．3．2 在時隙和微時隙中邏輯數據幀的封裝和編碼 111
4．3．3 幀在靜態段和動態段的傳輸 113
4．4 符號窗 122
4．5 網絡空閑時間 123
習題 124
第5章 FlexRay協議的媒體訪問控製 125
5．1 分布式係統中的通信調度 126
5．1．1 分布式係統中的任務分配問題 126
5．1．2 通信調度 126
5．1．3 時鍾驅動通信法 127
5．1．4 基於固定優先級的通信法 130
5．2 FlexRay中的通信調度 131
5．2．1 優先級分配策略 132
5．2．2 調度問題的分類 133
5．2．3 調度算法 134
5．3 任務的定義 135
5．4 通信循環的執行 138
5．4．1 幀ID的含義 138
5．4．2 仲裁網格層 139
5．5 傳輸和媒體訪問條件 141
5．5．1 靜態段期間的傳輸和媒體訪問條件 141
5．5．2 動態段期間的傳輸和媒體訪問條件 141
5．5．3 動態段和CAN協議在媒體訪問方麵的相似性 145
5．5．4 關於雙通道應用的補充說明 146
5．6 應用實例 147
5．6．1 寶馬X5中的自適應驅動係統 148
5．6．2 FlexRay係統的參數 149
5．6．3 已實施的選擇 150
5．6．4 本地參數和網絡參數小結 153
習題 154
第6章 FlexRay物理層 155
6．1 FlexRay信號的創建和發送 155
6．1．1 信號的創建 156
6．1．2 綫路驅動器及其發送輸齣電路 158
6．2 媒體與FlexRay信號傳輸 161
6．2．1 媒體 161
6．2．2 信號傳播 162
6．2．3 與信號傳播有關的影響 163
6．3 拓撲結構及其對網絡性能的影響 165
6．3．1 拓撲結構的應用理念 165
6．3．2 網絡拓撲結構參數 165
6．3．3 信號完整性 166
6．3．4 單通道和雙通道型結構的特點 167
6．4 FlexRay的拓撲結構 169
6．4．1 點對點連接 169
6．4．2 無源綫性總綫連接 169
6．4．3 帶支綫無源綫性總綫連接 170
6．4．4 無源星連接 171
6．4．5 有源星連接 172
6．4．6 拓撲結構應用實例 174
6．5 FlexRay信號的接收 177
6．5．1 不對稱效應 177
6．5．2 在幀發送和幀接收開始時的特殊影響 179
6．5．3 完整發送接收鏈的截短效應小結 180
6．6 通信控製器對收到信號的處理 182
6．6．1 二進製流的采集 183
6．6．2 乾擾或噪聲的抑製 183
6．6．3 二進製匹配 184
6．7 誤碼率 184
6．7．1 眼圖 184
6．7．2 信號完整性、眼圖和BER之間的關係 189
6．8 網絡性能的建模與仿真 193
6．8．1 網絡元素的建模 193
6．8．2 仿真 196
習題 198
第7章 FlexRay時間同步 200
7．1 全局時間概念在FlexRay中的應用 200
7．1．1 網絡啓動階段 201
7．1．2 位時間 202
7．1．3 FlexRay的時間層次 203
7．1．4 全局時間與本地時間 206
7．2 FlexRay-TDMA型網絡中的同步 206
7．2．1 問題的提齣 206
7．2．2 網絡時間同步方麵的要求 208
7．3 節點間同步問題的解決方案 210
7．3．1 確保網絡節點時間同步的方法 210
7．3．2 時間偏差測量 212
7．3．3 持續時間測量 214
7．3．4 “多閤一”測量 215
7．3．5 偏差和速率修正值計算 216
7．4 修正值的應用和實現 219
7．4．1 偏差與偏差修正 219
7．4．2 速率與速率修正 220
7．4．3 何處、何時及如何應用修正 220
7．4．4 時間層級的補充說明 223
習題 224
第8章 網絡喚醒、啓動和錯誤管理 226
8．1 網絡喚醒 226
8．1．1 節點喚醒過程 226
8．1．2 喚醒模式 227
8．2 網絡啓動 228
8．2．1 常規網絡啓動 228
8．2．2 TT-E和TT-L同步模式 232

8．3 錯誤管理 234
8．3．1 錯誤管理的理念 234
8．3．2 降級模式 234
8．3．3 協議的狀態轉換 235
8．3．4 通道和通信幀上的錯誤 236
習題 236
第9章 典型節點結構與網絡電子組件 238
9．1 FlexRay節點結構 238
9．1．1 節點的主要組成部分 238
9．1．2 處理器和協議管理器的架構 240
9．2 網絡的電子組件 242
9．2．1 FlexRay協議管理器 243
9．2．2 綫路驅動器 246
9．2．3 有源星 251
9．3 電磁兼容性及其測量 255
9．3．1 電纜端接 256
9．3．2 端接方法比較 257
9．4 靜電放電保護 258
9．4．1 測試的嚴酷度要求 258
9．4．2 靜電放電測試設備 258
9．4．3 靜電放電抗擾性測試設備的主要性能要求 259
9．4．4 測試方法 259
9．5 一緻性測試 260
9．6 總綫監控器 261
9．6．1 初級集中式總綫監控器規範 261
9．6．2 初級節點總綫監控器規範 262
習題 263
第10章 FlexRay係統的開發、集成、分析和測試 264
10．1 V模式開發流程 264
10．1．1 V模式 264
10．1．2 汽車行業V模式開發流程 265
10．1．3 車載總綫係統開發流程的分級 267
10．2 FlexRay總綫仿真與測試工具 268
10．2．1 網絡設計工具 269
10．2．2 仿真驗證工具 272
10．2．3 通信分析工具 274
10．2．4 測試與診斷工具 275
10．2．5 通信網絡錯誤仿真工具 275
10．2．6 ECU內部參數標定和測量工具 276
10．3 CANoe的FlexRay協議特徵 277
10．3．1 仿真平颱的時間同步 277
10．3．2 其他語言程序的應用 279
10．3．3 CANoe中的實時 280
10．4 FlexRay通信在汽車邏輯控製器中的實現 281
10．4．1 AUTOSAR聯盟 282
10．4．2 AUTOSAR係統中的功能分析、虛擬功能總綫 282
10．4．3 虛擬到現實的轉變 284
10．4．4 AUTOSAR的FlexRay通信棧 285
習題 287
附錄A　FlexRay協議官方文件 288
附錄B　FlexRay協議主要參數 290
附錄C　CAN和FlexRay的差異 298
附錄D　縮寫語 301
參考文獻 304

前言/序言

前 言

實時係統的目的是監視和驅動被控對象的動態過程，通常需要以“實時”方式運行，它的正確性不僅取決於任務所執行計算的邏輯結果，而且取決於這些結果的産生時刻。實時係統分為強實時係統、弱實時係統和關鍵實時係統三類，其中關鍵實時係統受到可靠性的製約，涉及運行安全性和容錯問題。在關鍵實時係統中，如果響應時間延遲所導緻的結果是錯誤的，並且失效所産生的後果超過係統的附加值，那麼係統的所有運行情況必須進行確認，研究難度較大。因此，這類係統的發展一直滯後於前兩類係統。

FlexRay作為汽車行業最新推齣的實時傳輸網絡係統，它既考慮瞭時間同步、通信調度和容錯機製，又考慮瞭傳輸速度、安全性、操作靈活性、實時、分布式智能、網絡拓撲等，對於關鍵實時係統的發展將會起到極大的推動作用。但是，FlexRay將許多概念交集在一起，深奧難懂，給人們學習和掌握這一新型網絡帶來很大睏難。本書作者期望通過編寫本書，係統、清晰、深入地介紹實時傳輸網絡FlexRay的産生背景、理論與技術基礎，反映實時傳輸網絡的最新發展狀況，並結閤輔助開發工具介紹FlexRay總綫係統的開發、集成、分析和測試 方法。

為避免讀者失去試圖瞭解這一主題的信心，作者在組織和編寫過程中認真考慮瞭教學和自學的需要。第1章簡要介紹實時係統的一些基本概念，分析進行實時傳輸網絡研究的目的和必要性；第2章介紹與網絡媒體訪問密切相關的全局時間同步原理；第3章描述實時調度原理，為探討通信報文調度奠定基礎；第4章從通信循環、段和幀的角度描述FlexRay協議；第5~8章深入探討FlexRay協議的媒體訪問控製、物理層、時間同步、網絡喚醒、網絡啓動和錯誤管理等核心內容；第9~10章重點討論節點的結構、FlexRay網絡組件和AUTOSAR，並介紹FlexRay實時傳輸網絡係統的開發、集成、分析和測試方法。全書共分10章，每章配有習題。

本書的編寫得到瞭資深學者、同事和電子工業齣版社的大力支持。應啓戛、吳勤勤教授為本書的組織結構和新術語的定義提齣瞭很多寶貴建議；單冰華、魏誌強、屠雨、李莎、張宇惠、車蕊、劉魯平、邵文學、郭超、楊濤遠等仔細閱讀瞭部分或全部書稿，並提齣瞭許多改進建議；電子工業齣版社的宋梅編審在本書的體例格式和易讀性方麵給予作者許多幫助。在此謹嚮他們以及本書中引用的參考文獻的作者們緻以衷心的感謝。

由於作者水平有限，書中錯誤和不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。

作 者

2017年1月1日