以硬體實現主動可調式CAN網路排程系統

國 立 交 通 大 學

電 機 與 控 制 工 程 研 究 所

碩 士 論 文

以 硬 體 實 現 主 動 可 調 式 C A N 網 路 排 程 系 統

Realization and Improvement of the CAN Bus Transmission via

the Active Adjustable Priority Scheme

研

究

生 ： 薛 伊 婷

指 導 教 授 ： 徐 保 羅 博 士

以硬體實現主動可調式 CAN 網路排程系統

研究生 : 薛伊婷 指導教授 : 徐保羅 博士

國立交通大學電機與控制工程研究所

摘要

在本論文中分別使用 Borland C++ Builder 建立 CAN（Controller Area Network）網路系統的模擬軟體，並建立 8051 與 SJA1000 Standard CAN Controller 組成多組 CAN 節點的硬體實驗系統，實驗依據三項傳輸指標： 平均傳輸時間、未即時傳遞訊息比例以及訊息遺失比例，在不同的負載量 下，分析不同排程理論的優劣。

因為 Rate Monotonic scheme 與 Deadline Monotonic scheme 無法在訊息 傳輸的過程中更改訊息的優先權，使得優先權低的訊息在高負載量時無法 即時傳送，所以本研究希望在訊息傳送的過程中，可以即時更改訊息的優 先權以提升傳輸效率，文中使用動態調整訊息的理論有 Earliest Deadline First scheme 以及本論文研發出的 Active Adjustable Priority scheme。EDF 是訊息快要錯過 deadline 的時候，即時調整訊息的優先權，使得訊息可以 快速送出。而 AAP 是累積訊息一段時間的傳輸狀況後逐漸調整優先權。 EDF 因為硬體 SJA1000 的設計限制，無法在硬體上實現，而 AAP 可以在 硬體上實現。

對於在硬體實驗上顯示對於 missing deadline percentage 來說，DM＋ AAP 有很顯著的效果。而 lost message percentage 則以 RM＋AAP 的效果

最好。對於網路控制系統而言，如果訊息是作為回饋控制，未能及時傳遞 時，會造成系統不穩定，在這種系統架構下選用 DM＋AAP 最能達成系統 穩定。而訊息若是作為控制命令，控制命令如果遺失，系統無法做出回應 動作造成系統有錯誤發生，因此選用 RM＋AAP 可以使系統發生錯誤的機 會最少。

Realization and Improvement of the CAN Bus Transmission

via the Active Adjustable Priority Scheme

Student: Yi-Ting Hsueh

Advisor: Prof. Pau-Lo Hsu

Department of Electrical and Control Engineering

National Chiao-Tung University

ABSTRACT

By using the Borland C++ Builder software, a controller area network (CAN) bus simulation system is developed in this thesis. Furthermore, results of a hardware system with different bus loads and nine CAN nodes, which combine 8051 with SJA1000 standard-alone CAN controller, are compared with simulation results in three indices: (1) the average transmitting time, (2) the missing deadline percentage, and (3) the lost message percentage.

Simulation and experimental results indicate that the rate monotonic (RM) scheme and the deadline monotonic (DM) scheme, which are formed as the fixed message priority during the period of transmission, successfully transmit the higher priority messages only in time. Therefore, to develop real-time changing priority of CAN messages in this thesis leads to two adjustable schemes: (1) earliest deadline first scheme (EDF) and (2) the proposed active adjustable priority (AAP) scheme. Theoretically, as messages are going to miss their deadlines, the EDF changes their priorities immediately while the proposed AAP gradually changes its priority according to performance of message transmission. Physically, the EDF cannot be implemented on real hardware system and the AAP is adopted in the present experiments.

Experimental results also indicate that the DM+AAP presents the best performance in the missing deadline percentage and the RM+AAP presents the best performance in the lost message percentage. For network control systems, the deadline for the sensors to provide the measurement is critical for performance and stability in feedback control. Therefore, the DM+AAP scheme is more suitable as bus message load increases. On the other hand, as messages of commands for each CAN node is more important, like in the synchronization for multi-axis systems, the lost message is become more critical in contributing the errors. Thus, adopting the RM+AAP scheme is recommended.

誌謝

碩士論文的完成，首先要感謝保羅老師的耐心指導與包容，特別是在 研究的過程中，對於研究方向的選擇，給予相當的耐心以及支持。 感謝安平學長對於我的研究提供了很多的方向，以及鎮洲學長幫助我 解決了很多研究上的問題。還有研究室俊賢學長，琮政學長以及我的同學 政宏和政衍，學弟妹尚玲、景文、興漢、瑞原、宗翰、元銘、孝麟的幫助 使我能夠完成碩士學業。而我的室友慈育、億如、依璇在生活上給予我很 多的關懷。 最後將此論文獻給我的父母薛政雄先生以及郭淑麥女士以及我的姊妹 博勻、蓓芳、詩蓉、舒珮，因為有他們的支持與關懷，我才有勇氣與信心 繼續前進。

目錄

中文摘要 i 英文摘要 iii 誌謝 v 目錄 vi 圖目錄 ix 表目錄 xi 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 問題陳述 4 1.4 研究方法 5 1.5 論文架構 6

第二章 Controller Area Network 7 2.1 CAN 網路協定介紹 7 2.2 CAN資料傳輸方式 8 2.3 資料欄框 10 2.4 欄框間隔 13 2.5 TTCAN 14 2.6 TTCAN 架構 15 2.7 TTCAN 傳輸方式 17

2.8 CAN 與 TTCAN 的比較 19

第三章 排程理論 20

3.1 排程理論分類 20

3.2 排程理論介紹 21

3.2.1 rate monotonic scheme (RM) 21 3.2.2 deadline monotonic scheme (DM) 22 3.2.3 earliest deadline first scheme (EDF) 23 3.2.4 RM，DM 與 EDF 的結合 25

3.2.5 active adjustable priorioty schedm (AAP) 26 3.2.6 RM，DM 與 AAP 的結合 27 第四章 模擬軟體架構與模擬實驗結果 28 4.1 模擬軟體架構 28 4.1.1 軟體架構 28 4.1.2 程式流程 30 4.1.3 效能指標的運算 33 4.1.4 程式介面 34 4.2 模擬實驗數據 38 4.3 模擬結果分析 46 4.3.1 RM與DM的比較 46 4.3.2 EDF 48 4.3.3 RM+EDF 49 4.3.4 DM+EDF 51

4.3.6 RM+AAP 53 4.3.7 DM+AAP 55 4.4 討論 56 第五章 硬體實驗結果與分析 58 5.1 實驗系統之硬體架構 58 5.1.1 硬體架構 58 5.1.2 程式流程 60 5.2 硬體實驗問題 64 5.3 實驗數據 65 5.4 實驗結果分析 70 5.4.1 RM與DM的比較 70

5.4.2 active adjustable priority (AAP) 71

5.4.3 RM+AAP 72 5.4.4 DM+AAP 73 5.4.5 RM+AAP與DM+AAP的比較 75 5.4.6 實驗結果重複性驗證 77 5.5 討論 80 第六章 結論 82 附錄A CAN實驗操作步驟 84 參考文獻 98

圖目錄

圖 2.1 位準仲裁圖 9

圖 2.2 CAN bus 之 Data frame 10

圖 2.3 TTCAN 的架構圖 15

圖 2.4 FSE 的架構圖 16

圖 2.5 TTCAN 的 Basic Cycle 傳輸架構 17 圖 2.6 TTCAN 的 System Matrix 傳輸架構 18

圖 2.7 TTCAN 的時間標記 18 圖 3.1 RM scheme 表示在 CAN 仲裁欄的方式 22 圖 3.2 DM scheme 表示在 CAN 仲裁欄的方式 22 圖 3.3 EDF 的實現方式 23 圖 3.4 本文模擬之 EDF 在仲裁欄的表現方式 25 圖 3.5 RM,DM 與 EDF 的結合 25 圖 3.6 AAP 在訊息仲裁欄的表現方式 27 圖 3.7 (a)RM+AAP 在訊息仲裁欄的表現方式 27 (b)DM+AAP 在訊息仲裁欄的表現方式 27 圖 4.1 CAN BUS 模擬軟體資料庫的操作 30 圖 4.2 CAN BUS 模擬程式主流程圖 31 圖 4.3 Message Thread 流程圖 32 圖 4.4 BUS Thread 流程圖 33 圖 4.5 訊息輸入介面 35 圖 4.6 Simulation 介面 36 圖 4.7 Analysis 介面 37 圖 4.8 Original，RM 與 DM 傳輸效能比較 47

圖 4.9 Original 與 EDF 的傳輸效能比較 49 圖 4.10 RM，EDF 與 RM+EDF 的傳輸效能比較 50 圖 4.11 DM，EDF 與 DM+EDF 的比較 51 圖 4.12 Original 與 AAP 的傳輸效能比較 53 圖 4.13 RM，AAP 與 RM+AAP 的比較 54 圖 4.14 DM，AAP 與 DM+AAP 的比較 55 圖 5.1 實驗系統的硬體架構 59 圖 5.2 單一節點的硬體圖 59 圖 5.3 硬體實驗設備圖 60 圖 5.4 訊息傳輸方向圖 61 圖 5.5 程式傳輸端流程圖 62 圖 5.6 程式接收端流程圖 63 圖 5.7 RM，DM 與 Original 的傳輸效能比較 71 圖 5.8 Original 與 AAP 的比較 72 圖 5.9 RM，AAP 與 RM+AAP 的比較 73 圖 5.10 DM，AAP 與 DM+AAP 的傳輸效能比較 74 圖 5.11 Original、RM+AAP 與 DM+AAP 的比較 76 圖 A.1 實驗系統的硬體架構 84 圖 A.2 CAN 節點接線圖 85 圖 A.3 CAN 資料欄框 85

圖 A.4 PeliCAN Mode、Single Filter Mode 下 Acceptance Filter

的設定 86

圖 A.5 位準仲裁圖 87

表目錄

表 1.1 static、dynamic 和 planning schedulers 的比較 3

表 4.1 資料庫的欄位 29 表 4.2 (a) 傳輸速率 250 Kbits/s 時，30％的傳輸訊息量 40 (b) 傳輸速率 250 Kbits/s 時，30％傳輸訊息量的軟體模 擬結果 40 表 4.3 (a) 傳輸速率 250 Kbits/s 時，50％的傳輸訊息量 41 (b) 傳輸速率 250 Kbits/s 時，50％傳輸訊息量的軟體模 擬結果 41 表 4.4 (a) 傳輸速率 250 Kbits/s 時，70％的傳輸訊息量 42 (b) 傳輸速率 250 Kbits/s 時，70％傳輸訊息量的軟體模 擬結果 42 表 4.5 (a) 傳輸速率 250 Kbits/s 時，90％的傳輸訊息量 43 (b) 傳輸速率 250 Kbits/s 時，90％傳輸訊息量的軟體模 擬結果 43 表 4.6 (a) 傳輸速率 250 Kbits/s 時，110％的傳輸訊息量 44 (b) 傳輸速率 250 Kbits/s 時，110％傳輸訊息量的軟體模 擬結果 44 表 4.7 (a) 傳輸速率 250 Kbits/s 時，120％的傳輸訊息量 45 (b) 傳輸速率 250 Kbits/s 時，120％傳輸訊息量的軟體模 擬結果 45 表 4.8 軟體模擬實驗綜合整理（一） 56 表 4.9 軟體模擬實驗綜合整理（二） 56

表 5.1 (a) 傳輸速率 125 Kbits/s 時，30％的傳輸訊息量 65 (b) 傳輸速率125 Kbits/s時，30％傳輸訊息量的硬體實驗 結果 66 表 5.2 (a) 傳輸速率 125 Kbits/s 時，50％的傳輸訊息量 66 (b) 傳輸速率125 Kbits/s時，50％傳輸訊息量的硬體實驗 結果 66 表 5.3 (a) 傳輸速率 125 Kbits/s 時，70％的傳輸訊息量 67 (b) 傳輸速率125 Kbits/s時，70％傳輸訊息量的硬體實驗 結果 67 表 5.4 (a) 傳輸速率 125 Kbits/s 時，90％的傳輸訊息量 67 (b) 傳輸速率125 Kbits/s時，90％傳輸訊息量的硬體實驗 結果 68 表 5.5 (a) 傳輸速率 125 Kbits/s 時，100％的傳輸訊息量 68 (b) 傳輸速率125 Kbits/s時，100％傳輸訊息量的硬體實 驗結果 68 表 5.6 (a) 傳輸速率 125 Kbits/s 時，110％的傳輸訊息量 69 (b) 傳輸速率125 Kbits/s時，110％傳輸訊息量的硬體實 驗結果 69 表 5.7 (a) 傳輸速率 125 Kbits/s 時，120％的傳輸訊息量 69 (b) 傳輸速率125 Kbits/s時，120％傳輸訊息量的硬體實 驗結果 70 表 5.8 (a) 傳輸速率 125 Kbits/s 時，90％的傳輸訊息量 77 (b) 傳輸速率 125 Kbits/s 時，90％傳輸訊息量的 十次硬體實驗結果 77

表 5.9 (a) 傳輸速率 125 Kbits/s 時，70％的傳輸訊息量 78 (b) AAP在傳輸速率125kbits/s時，70％傳輸訊息量

8sec 的硬體實驗結果變化 79

表 5.10 硬體實驗綜合整理 80

表 A.1 bit interpretation of Mode register 88 表 A.2 bit interpretation of Status register 89 表 A.3 bit interpretation of Command register 90 表 A.4 bit interpretation of Clock divider register 91 表 A.5 bit interpretation of output control register 92

第一章 緒論

1.1 前言

CAN 是在 1990 年由德國 Robert Bosch 公司所訂定的一個網路協定 [2-4]。訂此協定的目的是在以一種新的數位網路技術，取代原先在汽車內 複雜且昂貴的硬體接線。CAN 原先是應用於連接汽車內防鎖死剎車系統 (anti-lock brake system, ABS)或是引擎控制單元等的，但由於它提供了快速 且可靠的連線反應，適用在即時(real-time)系統上，並且費用低廉，故也被 用於許多其他的控制場合。CAN 並已成為國際標準規格(ISO11898,

ISO11519) [1]。應用 CAN 於場域匯流排的商品已有 Honeywell 公司的 SDS，Allen-Bradley 公司的 DeviceNet [3]，與 CANopen [23]。

由於車用系統越來越複雜，所需要傳遞的訊息也越來越多，而 CAN 取代了複雜的硬體接線，所有的訊息都在 CAN 上傳遞。因此如何妥善安 排訊息，使訊息的傳送能夠達到系統的需求，達到系統安全穩定為本文的 重點。因此本文並不考慮 CAN 的其他機制，如傳輸錯誤的處理機制，只 針對如何透過排程理論來安排訊息的傳遞，來討論如何提升訊息傳輸的效 率以及即時性要求，。排程理論有很久的歷史，常用於工廠流程與管理方 面、網路或是嵌入式作業系統。在本文中由於 CAN 的有限的頻寬，使用 排程理論希望使訊息的傳送能達到最好的傳輸狀況。

1.2 文獻回顧

排程理論用於工廠流程或電腦系統排程有很多的理論，也有很長的歷 史。1990 年德國 Robert Bosch 公司所訂定 CAN 網路協定，因為 CAN 網路 有 1Mbps 頻寬的限制，所以之後有許多文獻提出改善 CAN 網路效能的方 式。

文獻中提及的排程理論分成兩種類型，第一種是 Almeida, et al.提出 planning scheduler [17-19] 。planning scheduler 是將所要傳送的訊息安排成 一個訊息表來傳送，以 on-line 的 scheduler 來調整訊息表，文中提出三種 調整訊息表的方式: static scheduler、planning scheduler 以及 dynamic scheduler。 static scheduler是先將訊息表安排好，在整個系統過程中不做任何改 變。此種方法雖然彈性很差，但能夠有效減少因為改變訊息表所造成的負 載加重，如果系統很穩定，不需要變動，是一個很有效的方法。dynamic scheduler是在傳送過程中，可任意改變訊息表，這種方法很有彈性，但是 為了改變訊息表會增加BUS的overhead。planning scheduler是一個折衷的方 法，它不是隨時在改變table，但如果系統效能不符合設定，可透過改變訊 息表來改善。此三種方法的特性如表1.1所示。

表 1.1 static、dynamic 和 planning schedulers 的比較 [17]

scheduler static dynamic planning operational

flexibility

low high medium*

run-time overhead

low high medium*

schedule size potentially huge

negligible bounded*

schedulability guaranteed not guaranteed

guaranteed each plan * Depends on the plan duration

第二類的排程理論:訊息的傳遞是以訊息為單位，提出此方法的是 Zuberl, and Shin(1995)提出非強迫式的排程方法 DM，EDF 以及 MTS(DM 與 EDF 的結合) [12-14]，文中以軟體模擬 computer-integrated manufacturing (CIM)系統的訊號傳輸比較 DM、EDF 以及 MTS 的傳輸效能。其他研究 EDF 的文獻如[15-16]。

1.3 問題陳述

由於 CAN 網路將車用線路簡化，改善車用線路的複雜度，但車用訊 號只透過 CAN 線路來傳送，雖然線路簡化，但車上大量的訊息資料並沒 有減少，而 CAN 的頻寬有限(1Mbits/s)，如何在有限的頻寬來傳送車上大 量的訊息，是本論文的重點。參考文獻中提到多種排程方法，本論文中除 了建立軟體模擬 CAN 的運作，模擬排程方法，並將排程方法實際實現在 硬體中。

在本論文中首先使用的方法為 rate monotonic (RM) scheme 來改善傳輸 效能，但使用 RM scheme 是依據訊息的週期長短來安排優先權，一旦訊息 的數量超過頻寬負載，優先權低的訊息會傳送不出去。因為在傳送的過程 中沒有彈性，所有訊息的優先權都是固定的。RM scheme 希望即使超過頻 寬的負載時，能夠彈性的調整訊息的優先權，以利於訊息的送出。

為了能夠在訊息傳送時，彈性的調整訊息的優先權，因此提出 earliest deadline first (EDF) scheme 在傳輸進行的過程中，如果訊息快要錯過

deadline，則調整訊息的優先權，使訊息能順利傳輸。EDF 在硬體的實現 上有困難，因為在硬體上訊息開始傳送之後，就無法更改優先權，因此本 文提出 active adjustable priority (AAP) scheme。AAP 更改優先權的方式和 EDF 不同，AAP 是觀察訊息傳輸狀況一段時間後，依訊息的傳輸表現，更 改訊息的優先權。因為 AAP 不在線上即時更改訊息的優先權，而是在線 上逐漸更改其優先權，因此 AAP 在硬體上是可實現的。

1.4 研究方法

為了研究排程理論對於改善網路傳輸的效果，建立評估 CAN 網路效能的 三項指標:平均傳輸時間、未即時傳遞訊息比例、遺失訊息比例，利用此三 項指標配合硬體以及軟體實驗，來比較排程理論的優劣。此三項傳輸指標 與文獻中所運用的指標有所不同，在文獻［12-14］運用指標 workload，比 較各式排程理論。此方式是觀察各種排程理論“可處理多少訊息量＂，使 系統還能正常運作。 而本論文利用三項指標來評估傳輸效能的原因，是希望能夠觀察在實 際應用的狀況下訊息的傳輸情形。平均傳輸時間觀察訊息的平均傳輸時 間，瞭解訊息從傳輸端開始傳送到接收端實際接收到訊息的時間，可幫助 系統規劃設計。制訂未即時傳遞訊息比例此項指標，是因為在控制架構 下，有些命令必須在 deadline 之前送到，不然系統會有錯誤的情形發生。 而遺失訊息比例是為了瞭解瞭解各種排程方法處理時，訊息未送出的比 例。 由於三項指標在實際應用系統的重要性，在本文中不論是在模擬或硬 體實驗都以三項指標為分析的依據。本文以 RM，DM 為主要的排程理論， 但由於 RM 在高負載量時，低優先權的訊息會有一直傳送不出去的現象， 所以提出能夠與其互補設計概念的 AAP。AAP 與 EDF 同樣都能在系統傳 輸過程中動態的調整訊息的優先權，但由於 EDF 在硬體上有實現的困難， 只能在模擬實驗中實現，所以在本文中提出 AAP 的概念與 RM 搭配為論 文的主軸。 因為上述的原因，在本論文中分成兩個部份:軟體模擬以及硬體實驗。 在軟體模擬中，比較 RM，DM，EDF，RM+EDF，DM+EDF，AAP，RM+AAP 以及 DM+AAP 在各項傳輸指標的表現。由於 EDF 無法在硬體中實現，所

以在硬體實驗中，比較 RM，DM，AAP，RM+AAP 以及 DM+AAP 在各 項傳輸指標的表現。

1.5 論文架構

本論文分成六章。第一章是緒論在說明論文的研究動機與目的，問題 陳述以及研究方法。第二章介紹本文所採用的網路協定-CAN，並討論 TTCAN 與 CAN 的不同。第三章是將所利用的排程理論做一個詳細的介 紹。第四章介紹模擬軟體的架構與模擬結果分析。第五章硬體實驗結果與 分析。第六章是結論針對硬體與軟體實驗的結果做比較。

第二章 Controller Area Network（CAN）

2.1 CAN 網路協定介紹

CAN 是在 1990 年由德國 Robert Bosch 公司所訂定的一個網路協定。 當初訂此協定的目的是在以一種新的數位網路技術，取代原先在汽車內複雜 且 昂 貴 的 硬 體 接 線 。 CAN 原 先 是 應 用 於 連 接 汽 車 內 防 鎖 死 剎 車 系 統 (anti-lock brake system, ABS)或是引擎控制單元等的，但由於它提供了快速 且可靠的連線反應，適用在即時(real-time)系統上，並且費用低廉，故也被 用 於 許 多 其 他 的 控 制 場 合 。 CAN 並 已 成 為 國 際 標 準 規 格 (ISO11898, ISO11519) [1]。應用 CAN 於場域匯流排的商品已有 Honeywell 公司的 SDS， Allen-Bradley 公司的 DeviceNet [3]，與 CANopen。

原始的 CAN 規格中只有針對相對於 OSI 架構中的資料連結層做規範， 至於實際硬體如何完成連線，接收到的資料要作何處理等，都不在其規格範 圍內。CAN 具有以下的特點： z 資料訊息具有優先權(priority) z 優先權的仲裁(arbitration)為非破壞性的(non-destructive) z 可設定優先權與資料傳輸長度(1-8byte) z 採用廣播的方式(multicast)，並藉所傳輸的訊息作時序同步的動作 z 任一節點皆可主動發送訊息(multimaster) z 未傳送成功的訊息會自動重新傳送

以下將詳細地介紹 CAN 之架構與特性。2.2 節至 2.4 節介紹 Standard CAN。2.5 節至 2.7 節介紹 TTCAN。2.8 節介紹 CAN 與 TTCAN 的差別。

2.2 CAN 資料傳輸方式

在介紹 CAN 的傳輸格式前，有一些基本的設定必須要先了解： z 傳輸速率 協定中設定傳輸速率上限是 1Mbps，而實際的傳輸速率是依系統的要 求而設定。 z 匯流排之值 CAN 為數位傳輸的協定，數位傳輸的位準只有兩種，在 CAN 中規定 為：主宰性的(dominant)與退讓性的(recessive)。在同一時刻，匯流排 上只能有兩種位準之一存在，其規則是：當匯流排上同時有兩個節點 分別送出主宰性與退讓性的位元時，只有主宰性的位元訊號會留下而 成為匯流排上被測得的位準，如圖 2.1 所示。而在一般的實作中，是 以電路上的 0 (low)代表主宰性的位準，而以 1 (high)代表退讓性的位 準。

圖 2.1 位準仲裁圖 z 發送節點(transmitter)與接收節點(receiver) 當有一節點在傳送資料時，此節點即稱之為發送節點，而其餘的全部 節點都是接收節點。 z 發送節點對匯流排的偵測 在網路中，發送節點在發送資料的同時，也需偵測匯流排上的值是否 與其送出的相同。在 CAN 的網路傳輸中，共有四種不同的欄框，分 別為資料欄框、遙控欄框、錯誤欄框與過載欄框。其中任兩個資料(遙 控)欄框之間，或是資料欄框與遙控欄框之間，都需要以欄框間隔作分 隔。以下分別詳述之。

2.3 資料欄框(Data Frame)

當節點有資料欲傳送出去時，需將資料封包在資料欄框內傳送至網 路上。資料欄框為四種欄框中最長的一種，其格式如圖 2.2 所示。在說明 欄框內各區段前，需先介紹 CAN 的填充/編碼(bit stuffing/coding)傳輸方 式：當發送節點在傳送資料(遙控)欄框時，若是傳送出 5 個連續且相同位 準的位元，則需在緊接著第 5 個位元之後加入一個相反位準的位元於要傳 送的序列中。接收節點在接收時會自動地將這填充進來的位元刪除，以得 到真正的資料。錯誤欄框或是過載欄框並不會經過位元填充的手續，而是 以固定的格式發送。位元填充只適用於資料(遙控)欄框的下列區域： z 欄框起始 z 仲裁區

z

控制區 z 資料區 z 循環多餘碼區 z 確認區 z 欄框終止

以下將分別介紹資料欄框中的七個區段： z 欄框起始(Start of Frame) 欄框起始為一單一的主宰性位元，標示一個新的資料框之開頭。 只有在匯流排閒置時方可開始一個新的資料(遙控)欄框。 z 仲裁區(Arbitration Field) 此 區 域 可 再 分 為 識別 碼 (identifier)與要求遙控傳送位元 (remote transmission request, RTR bit)兩部份。識別碼是用來識別各筆不同 的資料，代表著與該筆資料相關的意義與在網路上競爭的優先順 序，協定中並規定其前 7 位元不可皆為退讓性的位元。要求遙控 傳送位元的目的是用來區別資料欄框與遙控欄框的，資料欄框設 定在資料欄框中必須被設為主宰性的位元，而在遙控欄框中則要 被設為退讓性的位元無資料。整個仲裁區域是用來判斷各節點存 取匯流排的優先次序，其所採用的是非破壞性的二進位倒數(binary countdown)的方法：當有兩個以上的資料框同時要被送上匯流排時 (當然此匯流排必須為閒置的狀態)，其整個欄框從欄框起始位元開 始逐位元地傳送仲裁區內的位元逐次地送出，當送出退讓性位元 的節點偵測到匯流排上之值為主宰性位元的時候，此節點便知道 有其他優先權較高的節點也正在傳送，則此優先權較低的節點必 須在下一位元送出之前便終止進行傳送，等待下一資的匯流排閒 置。 舉例來說，以 0 代表主宰性的位準，而 1 代表退讓性的位準的假 設仲裁區只有 4 個位元長度，若有三個節點在同一時刻分別送出 0010、0011、1010 的仲裁區，在第 1 個位元的時刻，仲裁區為 1010 的節點便喪失了匯流排的存取權，再來第 2、第 3 位元的位準都相

後只剩優先權最高的-仲裁區為 0010 的節點可進行傳送。

z 控制區(Control Field)

此區有 6 個位元，前 2 位元為保留位元，必須為主宰性位元。後 面 4 位元是資料長度碼(data length code)，用來標示在此資料欄框 中包含了多少個位元組(byte)的資料。一個資料欄框的有效負載 (payload) 最 多 為 8 個 位 元 組 ， 故 資 料 長 度 碼 容 許 的 範 圍 為 0000-1000。 z 資料區(Data Field) 發送節點欲傳送的資料需放在此處，資料區的長度以位元組為單 位，最少可傳送 0 個位元組，最多可為 8 個位元組。若是節點要 傳送的資料超過 8 個位元組，則需發送另一個資料欄框。 z 循環多餘碼區(CRC Field)

此 區 包 含 了 循 環 多 餘 碼 序 列 (cyclic redundancy check, CRC sequence)與循環多餘碼邊界(CRC delimiter)。循環多餘碼也稱為多 項 式 碼 (polynomial code) ， 而 CAN 所 採 用 的 產 生 多 項 式 ( generator polynomial)為 1 3 4 7 8 10 14 15 +Χ +Χ +Χ +Χ +Χ +Χ + Χ 每一個 CAN 節點都有此一相同的產生多項式。當要傳送資料 (遙控)欄框時，發送節點將從欄框起始到資料區結束之間的二進位 位元序列(bit stream)視為一個係數只有 0 或 1 的多項式，並在其後 附上長度為 15 位元的循環多餘碼序列，使得整個多項式(從欄框起 始到循環多餘碼結束為止)能被產生多項式以 2 的餘數法(modulo-2) 整除。也就是說，發送節點必須附上能使整個多項式被整除的循 環多餘碼序列。循環多餘碼邊界為 1 個退讓性位元。 z 確認區(Acknowledgment Field)

確認區包含了 2 位元，分別為確認槽(ACK slot)與確認邊界(ACK delimiter)。這兩個位元在發送節點送出時都是送出退讓性的位元， 匯流排上的接收節點在收到此欄框，並計算其送出的循環多餘碼 正確無誤後，便會在確認槽之處發送出 1 主宰性位元，如此發送 端可藉由偵測到確認槽的位準為主宰或的而得知網路上至少有一 節點成功地接收到其所送出的欄框，不必準備重複傳送剛才傳送 的欄框。 z 欄框終止(End of Frame) 欄框終止由 7 個退讓性位元所組成，標示一個資料欄框(遙控欄框) 的結束。

2.4 欄框間隔 (Interframe Spacing)

欄框間隔包括中斷欄框(intermission)與匯流排閒置(bus idle)，其用途是 用以區隔資料欄框或是遙控欄框，以及提供節點時間處理資料。中斷欄框 是由 3 個退讓性位元組成，在中斷欄框的過程中，全部的節點皆不可以嘗 試傳送資料欄框和遙控欄框，而匯流排閒置是指匯流排上沒有任何節點正 在進行傳送的動作。在中斷欄框結束之後(第 3 個退讓性位元結束時)，任 一個有資料要傳送的節點都可以立即開始傳送，若是有兩個以上的節點都 想要傳送，則進入仲裁的程序以決定可以傳輸資料的節點。若是在中斷欄 框之後沒有節點要傳送，便進入匯流排閒置的狀態，在此狀態下，任一想 傳送的節點都可隨時進行傳送。

2.5

時間觸發 CAN (Time Triggered CAN ; TTCAN)

一般 CAN 是使用事件觸發(event-triggered)，只有當有事件發生時才會 傳送與時間不無相關性。時間觸發 CAN (time-triggered CAN； TTCAN) 具有執行時間分配(time-slots)功能，因此當一次性傳輸模式準備就緒時， 無論發生任何仲裁損失或錯誤的封包結構，資訊都必須被一次性傳輸。另 外，封包起始點(SOF)輸出功能亦可幫助系統設計人員執行時間分配協 定，或在 CAN 匯流排進行診斷以儘早判斷出匯流排資料流量以降低錯誤 發生的情形。因為 TTCAN 的傳送與時間有相當密切的關係，所以 TTCAN 的架構與 CAN 有些許的不同，其不同的地方在於 TTCAN 能使所有的節點 具有同步的機制。另外 TTCAN 的傳送與時間點有關係，也是因為此同步 機制才能使每個節點上的訊息能夠在設定的時間點上送出而不會有訊息 無法送出的狀況。以下的章節會詳細論述 TTCAN 的架構與傳輸方式以及 TTCAN 與 CAN 的比較。

2.6

TTCAN 的架構

TTCAN 的架構如圖 2.3 所示，TTCAN 比標準的 CAN 多了兩個功能區 塊，觸發記憶體(Trigger Memory)和同步處理架構(Frame Synchronization Entity ; FSE)。Trigger Memory 是用來處理時間觸發的訊息傳送，它會從 message RAM 中取出所需的訊息，配合 FSE 在正確的時間點將訊息送出。

圖 2.3 TTCAN 的架構圖 [9]

FSE 是處理 TTCAN 的同步架構，它是一個狀態控制器(state machine)， 控制 Time Triggered 訊息的溝通，FSE 的架構如圖 2.4 所示。FSE 可細分 成以下六個功能區塊:

z TBB : Time Base Builder z CTC : Cycle Time Controller z TSO : Time Schedule Organizer z MSA : Master State Administrator z AOM : Application Operation Monitor z GTU : Global Time Unit

2.7

TTCAN 的傳輸方式

在介紹 TTCAN 的傳輸之前，先介紹 TTCAN 的基本設定。 z 參考訊息(Reference Message)

TTCAN 在開始傳輸之前，會由 master node 須先傳送一個 Reference Message，表示要開始傳送訊息了，接下來會連續傳輸數個訊息如 圖 2.5 所示。

z 時間視窗(Time Windows)

在兩個 Reference Message 中，區分成很多個 Time Windows，Time Windows 裡面放置等待傳送的訊息。Time Windows 分成 3 種: Exclusive Time Window 裡面放置週期性的訊息，Arbitrating Time Window 放置自發性的訊息(spontaneous messages) 和 Free Time Window 可傳送上面兩種訊息以及保留給其他的網路應用。

圖 2.5 TTCAN 的 Basic Cycle 傳輸架構 [7] z 基礎循環(Basic Cycle)

在兩個 Reference Message 的週期時間稱為 Basic Cycle。Basic Cycle 是 TTCAN 基礎傳輸單位，裡面包含很多個 Time Window 來 傳輸資料。

z 系統矩陣(System Matrix)

如果 Basic Cycle 不能滿足使用者的需求，TTCAN 允許將好幾個 Basic Cycle 組合成一個 System Matrix 來傳送訊息，如圖 2.6 所示。 但 System Matrix 裡面的每個 Basic Cycle 仍要以 Reference Message 開頭來區隔每個 Basic Cycle。

圖 2.6 TTCAN 的 System Matrix 傳輸架構 [7]

z 時間標記(Time Mark)

Time Mark 是用來標記，每個 Time Window 在 Reference Message 後多少時間送出，如圖 2.7 所示。

TTCAN 的傳輸是依據 Cycle Time 或是 System Matrix 的順序來傳送訊 息。TTCAN 上每個的節點不需要知道所有在 BUS 上的訊息，節點只需依 據 Reference Message 以及 Time Mark 來傳送訊息。節點的傳送就不需要比 較每個訊息的 Identify。因此 TTCAN 不會有失掉仲裁權(lost arbitration)的 狀況發生。

2.8

CAN 與 TTCAN 的比較

TTCAN 之所以會出現是因為 event-triggered CAN 沒有同步的時脈，網 路上沒有一個 master node 來主導，所有訊息的傳送都必須透過比較資料欄 位的仲裁欄，當節點的仲裁欄的優先權低的時候，常常會有訊息一直送不 出去的現象發生。所以在傳送上充滿不確定性，不知道何時訊息才會傳送 出去。但 TTCAN 滿足了此部分的要求，TTCAN 所有的傳送與接收都透過 time slot，節點只需要在特定的時間去傳送或接收。TTCAN 也因為如此其 傳送比較不具彈性，因為所有的訊息都要透過規劃來產生，它的設計較為 嚴謹且繁複，不似標準的 CAN 傳送較為簡單有彈性。 由於 TTCAN 的特性藉由時間觸發來傳送訊息，所以在需要時間觀念 的排程方法中有很大的用處。有很多的排程方法有假設系統有統一的系統 時間觀念，利用訊息的緊急程度不同，改變訊息的仲裁欄決定優先權先 後。因此在一些論文中，模擬排程方法假設在 TTCAN 的狀況下。

雖然 TTCAN 是因為有其需要才出現，現在還是 event-triggered CAN 比較普及，TTCAN 現在雖然有產品，但車上所使用的 CAN 仍然還是 event-triggered CAN。

第三章 排程理論

3.1 CAN的排程理論分類

有關CAN的排程理論，大致上可以區分成兩種:第一種是使用訊息表為 單位，編排訊息表來改善網路效能;第二種以單個訊息為單位，使訊息依一 定規則送出，改善網路效能。其分類如下: z 使用訊息表: ‹ static scheduler ‹ dynamic scheduler ‹ planning scheduler z 利用訊息來排程:

‹ rate monotonic scheme (RM) ‹ deadline monotonic scheme (DM) ‹ earliest deadline first scheme (EDF)

將所要傳送的訊息先排程一個表，所有訊息的傳遞都依照排程表的順 序傳送，如果要改變一個訊息的順序，就必須整個變動排程表。此種方法 如果用於TTCAN的話，因為TTCAN本身就是將訊息放在System Matrix來 傳送，且matrix在傳送之前必須先排好message再傳送，所以較為適合。若 用於普通的CAN如果要造一個訊息表，可能需要使用很多的訊息先做溝

通，並不適合。 在此論文中，主要以event-triggered CAN來架構軟體模擬及硬體，所以 適合直接使用訊息為單位來排程。依據各種不同的排程理論，改變訊息的 仲裁欄位以達成提高網路效能的目的。下面會仔細描述此種類別的排程理 論。

3.2 排程理論介紹

3.2.1 rate monotonic scheme (RM)

RM scheme是一種使用很久的排程方法[11]，所使用的方式是週期越短 的訊息，得到越高的優先權，使週期較短的訊息比其它週期較長的訊息先 傳送出去，藉此使訊息的傳輸更為順暢。在CAN的設定上將週期反映在資 料欄位的仲裁欄，由於在CAN傳輸上仲裁欄位值越小者，其優先權越高， 所以取週期反應在仲裁欄上。但CAN的仲裁欄標準只有11個位元，如果週 期無法充分反映在11個位元的仲裁欄，CAN仲裁欄可以擴充成29個位元， 但此方法會增加系統的overhead，因為需多傳輸18個位元。 為了能夠將週期更完整的表現在仲裁欄上，將週期範圍分段，為了避 免訊息週期在同一段，在仲裁欄留下幾個位元區分這些訊息，使每個訊息 的仲裁欄都會是唯一的， 以利訊息的辨識。仲裁欄的分布方式如圖3.1所 示。

圖3.1 RM scheme 表示在 CAN 仲裁欄的方式

3.2.2 deadline monotonic scheme (DM)

DM scheme與RM scheme很相似，不過一個是以週期的長短為依據， 另一個是以deadline的長短為依據[12-14]。deadline是系統能容忍訊息最長 的傳輸時間，如果訊息錯過deadline怎可能造成系統不穩定 DM scheme的想法是「造成系統出現問題是因為傳輸時間超過 deadline所致」，因此優先權的順序應該以deadline越近的訊息優先權越高。 由於DM於RM非常相似，其實現的手法也與RM相同，是將反應在ID上的 週期換成deadline。為了避免造成ID的位元不夠長，所以所做的處理與RM 相同，分出幾個位元使得每個訊息都是唯一。其仲裁欄的分布方式如圖3.2 所示。 圖3.2 DM scheme 表示在 CAN 仲裁欄的方式

3.2.3 earliest deadline first scheme (EDF) EDF是一種動態的排程方法[12-16]，它與RM及DM不同，其原理是將 最接近deadline的訊息，動態的更改其優先權使其擁有最高的優先權。但此 方法需要比較所有待傳輸的訊息距離deadline時間的長短，在參考文獻中為 了實現此方法都假設系統裡面要有一個同步的時脈，以方便將訊息距離 deadline的時間差(圖3.3中的D)，反應在資料欄位仲裁欄中，如圖3.3所示。 圖3.3 EDF 的實現方式 此外在ID中deadline的欄位只有在SOE的時候更新，且必須維持到下一 次SOE為止。在圖3.3中ri是訊息i能最靠近deadline所能更改ID的時間點，di 是訊息i的deadline。SOE1及SOE2是每次更改ID的時間點，兩次SOE所相差 的時間差l。在實現EDF的時候，只須在最後最近deadline的SOE更改ID即 可，所以D的計算如下:

1

1

t: current time

: depends on what fraction of CPU time that allow for ID updates

(

1)

i i i i i l

d

SOE

l D

t

d

SOE

d

l

l

t

D d

l l

l

t

d

l

l

−

= +

⎢ ⎥

−

_{= − ⎢ ⎥}

⎣ ⎦

⎢ ⎥

= −

_{⎢ ⎥}

−

⎣ ⎦

⎢ ⎥

= −

_{⎢ ⎥}

−

⎣ ⎦

但在普通event-triggered CAN是並沒有同步時脈的，也沒有參考的 SOE點，因為每個訊息的傳送都是獨立的，無法計算出上面的D值。而能 夠擁有一個同步的時脈，每個訊息要在同一個時間點更新，以及知道整個 bus的時間和自己本身的時間，只有TTCAN有此功能。TTCAN的傳輸是以 cycle time以及system matrix的方式，一次傳遞好幾個訊息，且TTCAN在硬 體設計上有同步的機制，能夠更改傳送內容只有在下次reference message 的時候。 在CAN2.0b上此方法並不可行，因為CAN2.0b無法得知每個訊息的狀 況，來安排訊息的仲裁欄。為了能夠將排程理論應用在在CAN 2.0b上，雖 然CAN 2.0b沒有同步的時脈，無法知道所以無法比較每個時間點上，各個 訊息deadline的長短。但EDF其精神在於將快接近deadline的訊息傳送出 去，解決最緊急最接近deadline的訊息，為了能夠將EDF的精神應用在普通 的CAN上，所以提出在仲裁欄中保留最前面的一個位元，一般設計為1， 在時間快接近deadline之前，將最前面的一個位元從1改成0，使其擁有最高 的優先權，使訊息能夠即時在deadline之前送出，其表現方式如圖3.4所示。

圖3.4 本文模擬之 EDF 在仲裁欄的表現方式 3.2.4 RM，DM與EDF的結合 靜態排程理論RM scheme與DM scheme，是將排程理論反應在訊息的 仲裁欄上。而動態排程理論EDF是將最緊急的訊息送出，此兩種想法並不 衝突。其結合方式如圖3.5所示。仲裁欄的前面一個位元，第一個位元保留 給EDF，當訊息接近deadline時，將此位元由1改成0，最後面則留幾個位元 則是為了讓訊息的ID是唯一的。 圖3.5 RM,DM 與 EDF 的結合

3.2.5 active adjustable priority scheme (AAP) 由於EDF在硬體上無法實現，因此本論文提出AAP的概念，本質上與 EDF有相同的概念，但EDF是當訊息傳送不出去的時候，直接更改訊息的 優先權，使訊息能夠立即送出。AAP是經過一段時間的觀察後，觀察訊息 的傳輸狀況，調整訊息的優先權。雖然不能達到立即調整優先權的效果， 但因為調整是經過一段時間的觀察，因此能適當的調整訊息的優先權。 AAP的概念如下: (1) 將訊號的緊急程度分成M級，觀察N次傳輸的狀況，N次傳輸中傳輸成 功的次數為t。需要調降緊急程度的次數為x，以及調升緊急程度的次數 為y。 (2) 如果在N次傳輸過程中，若t>x則訊息緊急程度(m)降一級(m-1)。 (3) 如果在N次傳輸過程中，若t<y則訊息緊急程度(m)升一級(m+1)。 (4) 如果在N次傳輸過程中，若y<t<x則訊息緊急程度(m)不變。 例如當M=3，N=10，x=10，y=5時，訊息的運作如下: (1) AAP將訊號的緊急程度分成三級(index1、index2、index3)，訊息仲裁欄 如圖3.6所示，實驗一開始所有訊息都設為index2。調整訊息仲裁欄的時 間以節點十次傳輸時間為一個單位。 (2) 如果十次都順利傳輸出去，則訊息降一級(index1→index1、 index2→index1、index2→index3)。 (3) 如果訊息有一至五次傳送不出去，則訊息等級不變(index1→index1、 index2→index2、index3→index3)。 (4) 若訊息有超過五次以上傳送不出去，則訊息調高一級(index1→index2、 index2→index3、index3→index3)。

圖3.6 AAP在訊息仲裁欄的表現方式 3.3.6 RM、DM與AAP的結合 RM、DM與AAP的結合和與EDF結合相似，因為動態調整的排程方法 與靜態的RM或DM結合並沒有衝突的地方。其結合方式如圖3.7所示。將前 面兩個位元保留給AAP調整訊息的優先權。其餘的位元按照RM或DM的表 現法。 圖3.7 (a)RM+AAP在訊息仲裁欄的表現方式 (b)DM+AAP在訊息仲裁欄的表現方式

第四章 模擬軟體架構與模擬實驗結果

在本章中，將進行RM 與其他排程方法的比較。首先說明如何架構 CAN 的模擬軟體，其次說明評估的三項指標： 平均傳輸時間(average

transmitting time)、未即時傳遞訊息比例(missing deadline percentage)、訊息 遺失比例(lost message percentage)。最後以三項指標作為評估的依據，並分 析實驗結果進行討論。

4.1 模擬軟體架構

4.1.1 軟體架構

為了能夠比較各種排程方式的優缺點，建立一套能夠模擬分析CAN的 軟體，以期能夠在電腦上先做分析模擬，直接比較其優缺點。所以在此論 文中利用Borland C++ Builder 5 建立一個CAN的模擬軟體，模擬CAN訊息 的傳輸方式，並直接在電腦上進行分析比較。此套系統並不執行細部的模 擬CAN的各項軟體設定或硬體架構，而只是在邏輯上模擬CAN的傳輸，由 於CAN的傳輸是以比較資料欄位仲裁欄的大小，仲裁欄的值越小者其優先 權越高，以此方式來決定傳輸的先後順序。 建立此系統的主要目的是為了方便分析傳輸結果，因此在模擬的過程 中，必須將所有傳輸的過程與結果記錄下來以方便分析。在過程中所要記

錄的有:訊息開始等待傳輸時間點，傳輸完畢的時間點以及訊息在傳輸過程 中錯失幾次。為了達成這樣的目標，此系統藉助資料庫的幫助。在架構此 程式時，使用兩個資料庫系統來記錄這些訊息。一個資料庫用來記錄等待 BUS傳輸的訊息(BUS queue database)，另一個資料庫用來記錄BΜS傳輸完 的訊息(transmitted message database)。BUS queue與transmitted message兩個 資料庫的欄位如表4.1所示，由表4.1所示所記載的欄位資料可以記錄訊息 的傳輸狀況，幫助分析傳輸狀況。

表4.1 資料庫的欄位

BUS queue database transmitted message database

identifier identifier length length period period deadline deadline enter time enter time

lost lost

leave time

程式的架構如圖4.1所示，節點將所要傳輸的訊息送到BUS queue的資 料庫，並紀錄進入的時間點於資料庫的『enter time』的欄位。所有的訊息 都送入BUS queue中等待傳輸。如果在下次同樣的訊息送入BUS queue時， 發現原本訊息尚未送出，必須紀錄此訊息錯失，將其記錄在『lost』的欄位。 當訊息依照所設定的傳輸速度，從BUS queue送入transmitted message的資 料庫時，以代表訊息已經傳送，除了將此訊息的所有資料外還要再記錄離

開BUS queue資料庫的時間點，將其記錄在transmitted message 資料庫的 『leave time』欄位，以方便後續的分析。 圖4.1 CAN BUS 模擬軟體資料庫的操作 4.1.2 程式流程 整個程式流程可分成三個部份:第一部分是程式主流程，介紹整個程式 的使用流程；第二部分是Message Thread的程式流程；第三部份是BUS Thread的程式流程。 ‹ 程式主流程

圖4.2 CAN BUS 模擬程式主流程圖 ‹ Message Thread的流程 整個程式是以多工處理來解決節點獨立運作的特性，在程式中每 個節點都以一個執行緒(Thread)來表示，執行緒會依照設定週期性的將 訊息送入BUS queue的資料庫中，若資料庫中已有此Thread的訊息，則 表示此訊息在一個週期時間內還未送出，將『Lost』的欄位加1，表示 其錯失了一個訊息。若資料庫中沒有這個訊息，則將訊息依其仲裁欄 的大小插入資料庫中。其處理方式如圖4.3所示。

圖4.3 Message Thread 流程圖

‹ BUS Thread的流程圖

BUS Thread的存在是為了模擬CAN的傳輸，此執行緒會依照所設定 的傳輸速度，週期性的從BUS queue Database拿走優先權最高的訊息，並 將此訊息的所有資料與此訊息離開BUS queue Database的時間點寫入 Transmitted Database的『Leave time』欄位，也方便後面的分析。其處理方 式如圖4.4所示。

4.1.3 網路效能指標

z 平均傳輸時間（average transmitting time）

對於控制系統而言評估整體訊息的平均傳輸時間，以了解整個系統中 訊息的傳輸狀況。命令的傳輸時間直接影響到下達命令的時間安排， 如果訊息的平均傳輸時間越短，系統中的節點在做個別處理時，比較 不需考慮傳輸時間的因素。相反的若平均傳輸時間很長，則節點必需 遷就CAN BUS的傳輸狀況做處理。 傳輸成功的訊息總傳輸時間 平均傳輸時間 ＝ 傳輸成功的訊息數量 z 未即時傳遞訊息比例（missing deadline percentage）

在即時多工的系統中 ，為了每個訊息都能發揮其效果，一般會有 deadline的設計，訊息如果錯過deadline則可能造成系統運作的錯誤。 如在馬達控制系統中，有一定的sampling time來計算馬達的轉動速 率，回朔之後再下達控制命令。但如果訊息錯過這個時間送達，則會 造成命令下達不符合實際狀況。而造成系統不穩定因為deadline是一個 很重要的問題。 × 未即時傳遞訊息比例 傳輸成功的訊息中沒有即時傳遞的訊息數量 ＝ 100％ 傳輸成功的訊息數量

z 訊息遺失比例（lost message percentage）

訊息如果沒有傳送出去對系統所造成的影響最大，如果漏掉的訊息只 是一般普通的資料的話影響不大，但若漏掉的訊息是緊急的命令，那 可能會造成系統嚴重錯誤，導致系統無法運作。如以車用系統為例，

使用上以訊息沒有傳送出去，造成的影響最大也最危險。 × 沒有傳輸成功的訊息數量 訊息遺失比例 ＝ 100％ 所有傳輸的訊息數量 4.1.4 程式介面 程式介面分成三個個頁面:Messages，Simulation以及Analysis。第一個 頁面【Messages】如圖4.5所示，此頁面的用途是編輯所要模擬的訊息。在 『key in message』的欄位中可直接輸入訊息，輸入訊息的順序依次為訊息 的仲裁欄位，傳送訊息的長度，訊息的週期以及訊息的deadline。輸入一組 訊息後，按下[Add message]的按鍵後，訊息會出現在『Message information』 中，接著可繼續鍵入下一組訊息。訊息也可以從檔案一次輸入，從『Message file』欄位中的[Open]按鍵，可以開啟所需的訊息檔，訊息同樣也會出現在 『Message information』中。所有出現在『Message information』都可以直 接修改，修改完後必須將訊息存檔(『Message file』欄位中的[Save]按鍵)。 要進入模擬前，按下[Enter message to simulation]的按鍵，結束編輯模擬訊 息。

， 圖4.5 訊息輸入介面 第二個頁面【Simulation】此介面設定CAN的模擬設定，並可操作觀察 CAN的傳輸，整個頁面設計如圖4.6所示。在『Simulation option』的欄位 設定傳輸速度，傳輸方法以及模擬的傳輸時間。在『Simulation』及『BUS status』兩個欄位，設定啟動模擬[Start simulation]，終止模擬[End simulation]，暫停模擬[suspend]以繼續模擬[resume]。在右邊的兩個資料欄 顯示BUS上的狀況(BUS Queue)以及傳輸過的訊息狀況(Transmitted message)。

圖4.6 Simulation 介面

第三個頁面【Analysis】是作為分析的頁面，其介面如圖4.7所示，按 下[Start Analysis]的按鍵後，會將分析的結果average transmitted time， missdeadline，lost message以及BUS的流量顯示在頁面上。

4.2 模擬實驗數據

軟體實驗是模擬在傳輸速度250Kbits/s時，模擬CAN實際傳輸4秒鐘的 傳輸狀況，由於是用模擬軟體模擬CAN的運作，實際的程式執行時間遠大 於4秒鐘。以不同的頻寬負載量以量測average transmitting time，missing deadline percentage，lost message percentage藉此比較其效能。實驗中比較 的排程法有:RM、DM、EDF、RM+EDF、DM+EDF、AAP、RM+AAP與 DM+AAP。 負載公式計算方法如下: 1 2 i n 1 2 i n i i

BUS Transmitting Rate : K / Message : 1,2, ,i, ,n

Period : T ,T , ,T , ,T ( )

Message Data Length : L ,L , ,L , ,L ( ) Message overhead =44 ( )

1 bit time = ( )

K

Message Length (L ) = D +ove " " " " " " bits s ms bits bits sec i i i i=n i=1 _i rhead ( ) 1 L

one message transmitting time = L = ( ) K K

K 1 can transmit maximum messages M =

L 1000 T ( ) Bus Load (%) = 100% M × ×

∑

bits sec sec ms ms

下面的例子是由表4.2 (a)的數據，計算其負載量：

-6 3

BUS Transmitting Rate : 250K / Message : 1, 2, 3, 4, 5

Period : 4, 8, 10, 6.9, 7.8 ( )

Message Data Length : 64, 64, 64, 64, 64 ( ) Message overhead =44 ( ) 1 bit time = = 4 10 ( ) 250 10 Me bits s ms bits bits sec × × i 6 ssage Length (L ) = 64 44 108 ( )

one message transmitting time = 108 4 10 =0.432 ( ) 1000

1 can transmit maximum messages M = 2314.8 0.432 1000 1000 1000 1000 1000 4 8 10 6.9 7.8 Bus Load (%) = bits ms ms sec ms − + = × × = + + + + 100% 2314.8 30% ×  表4.2至表4.7分別為頻寬負載量在30%，50%，70%，90%，110%，120% 進行實驗的實驗數據。(a)表是所有Node的傳輸資料，總共有五個Node在傳 送資料，傳輸資料包括:訊息仲裁欄(Identifier)，訊息的資料長度(data length)，訊息的傳送週期(period)，訊息的截止期限(deadline)。(b)表是模 結果依據average transmitting time，missing deadline percentage，lost message percentage三項指標分析的數據。

表4.2 (a) 傳輸速率250 Kbits/s時，30％的傳輸訊息量 Node Identifier data length

(bits) period (ms) deadline (ms) 1 25 64 4 15 2 65 64 8 25 3 12 64 10 30 4 10 64 6.9 33 5 28 64 7.8 28 表4.2 (b) 傳輸速率250 Kbits/s時，30％傳輸訊息量的軟體模擬結果 Scheme Original RM DM EDF RM+EDF Average Transmitting Time(µs) 16.013 15.621 16.209 15.392 15.196 Missing Deadline Percetntage(%) 0 0 0 0 0 Lost Message Percentage(%) 0 0 0 0 0

Scheme DM+EDF AAP RM+AAP DM+AAP Average Transmitting Time(10µs) 15.359 17.275 15.359 16.209 Missing Deadline Percetntage(%) 0 0 0 0 Lost Message Percentage(%) 0 0 0 0

表4.3 (a) 傳輸速率250 Kbits/s時，50％的傳輸訊息量 Node Identifier data length

(bits) period (ms) deadline (ms) 1 25 64 2.4 10 2 65 64 5.5 25 3 12 64 7.2 22 4 10 64 3.3 13 5 28 64 4.8 18 表4.3 (b) 傳輸速率250 Kbits/s時，50％傳輸訊息量的軟體模擬結果 Scheme Original RM DM EDF RM+EDF Average Transmitting Time(µs) 21.395 20.807 20.059 19.764 19.823 Missing Deadline Percetntage(%) 0 0 0 0 0 Lost Message Percentage(%) 0 0 0 0 0

Scheme DM+EDF AAP RM+AAP DM+AAP Average Transmitting Time(10µs) 21.297 20.923 19.665 20.177 Missing Deadline Percetntage(%) 0 0 0 0 Lost Message Percentage(%) 0 0 0 0

表4.4(a) 傳輸速率250 Kbits/s時，70％的傳輸訊息量 Node Identifier data length

(bits) period (ms) deadline (ms) 1 25 64 1.8 8 2 65 64 3.8 14 3 12 64 5.1 21 4 10 64 3.0 10 5 28 64 2.5 15 表4.4 (b) 傳輸速率250 Kbits/s時，70％傳輸訊息量的軟體模擬結果 Scheme Original RM DM EDF RM+EDF Average Transmitting Time(µs) 17.879 17.963 17.851 17.668 17.809 Missing Deadline Percetntage(%) 0.4213 0.2809 0 0.2809 0.2809 Lost Message Percentage(%) 0 0 0 0 0

Scheme DM+EDF AAP RM+AAP DM+AAP Average Transmitting Time(µs) 18.005 18.202 17.809 17.879 Missing Deadline Percetntage(%) 0.2808 0.4213 0.4213 0.1404 Lost Message Percentage(%) 0 0 0 0

表4.5(a) 傳輸速率250 Kbits/s時，90％的傳輸訊息量 Node Identifier data length

(bits) period (ms) deadline (ms) 1 25 64 1.5 8 2 65 64 2.9 14 3 12 64 3.5 15 4 10 64 2.2 12 5 28 64 2.0 10 表4.5 (b) 傳輸速率250 Kbits/s時，90％傳輸訊息量的軟體模擬結果 Scheme Original RM DM EDF RM+EDF Average Transmitting Time(µs) 27.934 28.175 28.317 28.428 28.295 Missing Deadline Percetntage(%) 2.5137 0.7650 0.6557 0.5459 0.6557 Lost Message Percentage(%) 0 0 0 0 0

Scheme DM+EDF AAP RM+AAP DM+AAP Average Transmitting Time(µs) 28.185 28.776 28.689 28.525 Missing Deadline Percetntage(%) 0.7650 2.7322 0.8743 0.7650 Lost Message Percentage(%) 0 0 0 0

表4.6 (a) 傳輸速率250 Kbits/s時，110％的傳輸訊息量 Node Identifier data length

(bits) period (ms) deadline (ms) 1 25 64 1.2 5 2 65 64 5.8 28 3 12 64 2.5 15 4 10 64 4.4 14 5 28 64 0.9 4 表4.6(b) 傳輸速率250 Kbits/s時，110％傳輸訊息量的軟體模擬結果 Scheme Original RM DM EDF RM+EDF Average Transmitting Time(µs) 39.699 48.680 48.342 34.503 42.733 Missing Deadline Percetntage(%) 19.0763 15.9722 15.9888 12.9317 15.4154 Lost Message Percentage(%) 10.5924 9.5153 9.6050 11.4901 10.5640

Scheme DM+EDF AAP RM+AAP DM+AAP Average Transmitting Time(µs) 46.096 51.781 79.063 77.473 Missing Deadline Percetntage(%) 15.5599 27.3642 22.6321 26.7732 Lost Message Percentage(%) 9.5878 11.0116 10.0448 10.1436

表4.7 (a) 傳輸速率250 Kbits/s時，120％的傳輸訊息量 Node Identifier data length

(bits) period (ms) deadline (ms) 1 25 64 1.2 6 2 65 64 2 10 3 12 64 2.4 14 4 10 64 1.7 7 5 28 64 1.5 8 表4.7 (b) 傳輸速率250 Kbits/s時，120％傳輸訊息量的軟體模擬結果 Scheme Original RM DM EDF RM+EDF Average Transmitting Time(µs) 46.673 44.612 45.621 98.787 99.394 Missing Deadline Percetntage(%) 22.4429 14.9105 14.2289 56.2624 56.9444 Lost Message Percentage(%) 17.5941 17.6085 17.6229 17.5410 17.4447

Scheme DM+EDF AAP RM+AAP DM+AAP Average Transmitting Time(µs) 98.532 79.520 86.474 85.986 Missing Deadline Percetntage(%) 59.9444 22.8771 27.6892 26.6932 Lost Message Percentage(%) 17.5123 17.9508 17.8396 17.8396

4.3 模擬結果分析

4.3.1 RM 與 DM 的比較

由4.2 節的實驗數據，依據 average transmitting time，missing deadline percentage 和 lost message percentage 三項指標整理成圖 4.8。由圖 4.8(b)(c) 可知RM 能有效改善 missing deadline percentage 與 lost message

percentage。但對改善 average transmitting time 的效果差。由圖 4.8 也可知 RM 與 DM 的效果差不多。

(a) Average transmitting time 0 10 20 30 40 50 60 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (µs)

(b) Missing deadline percentage

0 5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (%)

(c) Lost message percentage

0 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Load(%) (% ) Original RM DM 圖4.8 Original，RM 與 DM 傳輸效能比較

4.3.2 EDF

圖4.9 是由 4.2 節的數據將 EDF 與 Original 依據整理而成。由圖 4.9(b) 可知EDF 在負載量不太大時能有效克制 missing deadline 的狀況發生，但 是若負載增加到120%後則效果很差，missing deadline 的情形會突然急遽 增加。而EDF 在改善 Lost message 的效果如圖 4.9(c)所示，其效果並不好。

(a) Average transmitting time 0 20 40 60 80 100 120 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (µs)

(b) Missing deadline percentage

0 20 40 60 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (%)

(c) Lost message percentage

0 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (%) Original EDF 圖4.9 Original 與 EDF 的傳輸效能比較 4.3.3 RM+EDF 使用RM 設計訊息的仲裁欄，在訊息傳送時利用 EDF 調整仲裁欄，其 結果如圖4.10 所示。在高負載時 RM+EDF 如圖 EDF 一樣，average

average transmitting time、missing deadline percentage 與 lost message percentage 的效果比單純的 EDF 佳但比 RM 來得差。

(a) Average transmitting time

0 20 40 60 80 100 120 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (µ s)

(b) Missing deadline percentage

0 10 20 30 40 50 60 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (%)

(c) Lost message percentage

0 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 _{90 100 110 120Load(%)} (%) RM EDF RM+EDF 圖4.10 RM，EDF 與 RM+EDF 的傳輸效能比較

4.3.4 DM+EDF

使用DM 設計訊息的仲裁欄，在訊息傳送時利用 EDF 調整仲裁欄，其 結果如圖4.11 所示。DM+EDF 在改善 lost message percentage 的效果和 DM 差不多，且比單純EDF 好。DM+EDF 與 EDF 在 missing deadline percentage 一樣劇增，DM 則沒有這個問題。

(a) Average transmitting time

0 20 40 60 80 100 120 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (µs)

(b) Missing deadline percentage

0 20 40 60 80 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (%)

(c) Lost message percentage

0 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (% ) DM EDF DM+EDF 圖4.11 DM，EDF 與 DM+EDF 的比較

4.3.5 Active adjustable priority (AAP)

Active adjustable priority(AAP)是一種動態調整訊息 Identifier 的方式， 與EDF 不同的地方是 AAP 是經過一段時間後再調整訊息仲裁欄改變訊息 的優先權。將4.2 節 Original 與 AAP 的實驗結果依據 BUS load 與三項指 標的關係整理成圖4.12。由圖 4.12(b)所示 AAP 只有在中低負載時對 missing deadline percentage 有效果。其他如圖 4.12(a)、4.12(c)所示，AAP 的效果比 沒有加排程法的時候來得差。

(a) Average transmitting time 0 20 40 60 80 100 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (µs)

(b) Missing deadline percentage

0 5 10 15 20 25 30 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (%)

(c) Lost message percentage

0 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (%) Original AAP 圖4.12 Original 與 AAP 的傳輸效能比較 4.3.6 RM+AAP

percentage 與 lost message percentage 介於 RM 與 AAP 之間。對於 average transmitting time 此項指標 RM+AAP 比 RM 以及 AAP 差。

(a) Average transmitting time

0 20 40 60 80 100 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Load(%) (µs)

(b) Missing deadline percentage

0 10 20 30 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Load(%) (%)

(c) Lost message percentage

0 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (% ) RM AAP RM+AAP 圖4.13 RM，AAP 與 RM+AAP 的比較

4.3.7 DM+AAP

將4.2 節 DM、AAP 與 DM+AAP 的實驗結果依據 BUS load 與三項指 標的關係整理成圖4.14。DM+AAP 對與傳輸的改善在 missing deadline percentage 與 lost message percentage 介於 DM 與 AAP 之間。對於 average transmitting time 此項指標 DM+AAP 比 DM 以及 AAP 差。

(a) Average transmitting time

0 20 40 60 80 100 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (µs)

(b) Missing deadline percentage

0 5 10 15 20 25 30 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Load(%) (% )

(c) Lost message percentage

0 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Load(%) (%) DM AAP DM+AAP 圖4.14 DM，AAP 與 DM+AAP 的比較

4.4 討論

由4.3 節的分析結果，依據 average transmitting time，missing deadline percentage，lost message percentage 的表現整理出表 4.8 與表 4.9。

表4.8 軟體模擬實驗綜合整理（一）

Scheme RM DM AAP RM+AAP DM+AAP Average Transmitting Time *** *** *** * * Missing Deadline Percentage ***** ***** ** **** *** Lost Message Percentage ***** ***** *** **** ****

[註] *worst ***fair *****best

表4.9 軟體模擬實驗綜合整理（二）

Scheme RM DM EDF RM+EDF DM+EDF Average Transmitting Time *** *** ***** **** ** Missing Deadline Percentage ***** ***** **** **** **** Lost Message Percentage ***** ***** ** **** *****

由表4.8 與表 4.9 可做出幾點討論：

1. 利用 RM 來安排訊息的仲裁欄，確實能有效的降低 missing deadline percentage，lost message percentage。但對於 average transmitting time 並 沒有改善效果。DM 的效果和 RM 的效果也差不多。

2. EDF 雖然在高負載時表現不好，但 EDF 在中低負載時，對降低 average transmitting time 比其他的排程法好。

3. RM+EDF 是利用 RM 來安排訊息的仲裁欄，在加上傳輸時使用 EDF 動 態調整訊息的仲裁欄。RM+EDF 效果比不上單純使用 RM 來安排訊息 欄，但比EDF 來得好。

4. DM+EDF 在改善 lost message percentage 的效果和 DM 差不多，且比單 純EDF 好。DM+EDF 與 EDF 在 missing deadline percentage 一樣劇增， DM 則沒有這個問題。

5. 由三項傳輸指標來看，AAP 沒有任何改善效果。而 RM+AAP 效果雖然 比不上單純使用RM，但比 AAP 來得好。DM+AAP 也有同樣的情形。

第五章 硬體實驗結果

在這一章中，將進行排程理論的硬體實驗。首先介紹實驗平臺的硬體 架構以及相關資訊；之後再說明硬體實驗設計流程，排程理論的實現方 式；最後依據average transmitting time、missing deadline percentage、lost message percentage 作為實驗分析的依據，並分析實驗結果，交叉比對進行 討論。

5.1 實驗系統之硬體架構

5.1.1 硬體架構

用來作為實驗的平台是Winbond 公司生產的 W78E516B 8051 微控制 器，搭配Philip 公司的 Stand-alone CAN controller SJA1000 以及高速光耦 合器PCA82C251。實驗的主要架構是由九個 CAN 節點（Node）所構成， 其中CAN 節點是由 8051 連接控制 SJA1000，再透過 PCA52C251 傳送接 收訊息。實驗流程是由PC 透過 RS232 將程式下載至 8051，由 8051 控制 SJA1000 傳送接收訊息，最後的實驗數據由 8051 透過 RS232 回傳到 PC 加 以分析。硬體架構如圖5.1 所示。圖 5.2 是節點的硬體圖。圖 5.3 是硬體的 實驗系統圖，由九個節點所構成的系統，最後將資料傳回PC 端。

圖 5.1 實驗系統的硬體架構

圖 5.3 硬體實驗設備圖

5.1.2 程式流程

硬體實驗的設計如圖5.4 所示，由 master node 發出開始訊息(start message)，當傳輸端 node 接收到 start message 之後，就能同時開始傳輸所 設定的訊息量，每個傳輸端的node 都有相對應的接收端的 node 以利於傳 輸效能指標的運算。當接收端收到所有的傳輸資料後，將所得的傳輸效能 指標透過RS232 傳回電腦。從 master node 到傳輸端以及從傳輸端到接收 端的訊傳輸都是透過同一條CAN BUS。接收端的 Node 將傳輸資料傳回電 腦，是由每個接收端的8051 透過 RS232 傳回電腦。

在實驗的過程中由master node 發出 start message 的目的，是為了能夠 使所有的節點能在同一時間開始傳送接收訊息，以方便在計算訊息的傳送 延遲時間。當實驗結束之後，接收端的節點會將個別的傳輸結果傳回PC。 最後再將所有的接收端的節點所傳回來的資料，計算傳輸效能指標。之所 以每一個傳輸節點都有一個接收端的節點相對應，是因為方便紀錄訊息的 傳輸狀況，如訊息的延遲時間、錯過deadline 的訊息、訊息沒有傳送出去 的狀況。

圖5.4 訊息傳輸方向圖

傳輸端得流程圖如圖5.5 所示，當收到 start message 之後，傳輸節點 開始傳送所需要傳送的訊息，直到傳輸完所設定需要傳送的訊息。

圖5.5 程式傳輸端流程圖

接收端的程式流程圖如圖5.6 所示，當接收到第一個訊息之後，開始 計算三項傳輸指標:average transmitting time，missing deadline percentage， lost message percentage。當所有的訊息都接收到之後，將所得的三項傳輸 指標的訊息傳回電腦。

5.2 硬體實驗問題

本節中將說明當應用 EDF 於硬體實驗時，所遇到的問題。原本 EDF 的中心理論是希望在訊息傳送不出去的時候，將訊息改以更高優先權，使 訊息得以傳送出去。但由於Stand-alone CAN controller SJA1000 的限制， 訊息一旦正式開始傳送後，直到傳送結束無法中斷。此時可以停止SJA1000 的方式是重新啟動 SJA1000，但若 BΜS 上沒有連續 11 個 recessive bits(Bus free)，則 SJA1000 無法重新開始運作。在實驗進行中，BUS 上若一直有訊 息在傳送，就無法達到重新啟動SJA1000 的功能。因此無法在 SJA1000 的CAN Controller 下實現 EDF。

但本論文中所提的AAP 則沒有這個問題，AAP 的調整並不是即時的， 是經過一段時間的累積。在訊息傳輸之前先設定好訊息的優先權，一旦設 定之後，經過幾次的傳送，觀察新設定的仲裁欄的傳輸表現，才能再次更 改優先權。因此在SJA1000 中就沒有中斷正在傳輸訊息的狀況發生，所以 能夠正常運作。

5.3 實驗數據

實驗是在傳輸速度125Kbits/s，總傳輸時間1秒鐘的狀況下進行。以不 同的頻寬負載量以量測average transmitting time，missing deadline percentage， lost message percentage藉此比較其效能。實驗中使用的排程法有:RM、DM、 AAP、RM+AAP與DM+AAP。

表5.1至表5.7分別為頻寬負載量在30%，50%，70%，90%，100%，110%， 120%進行實驗的實驗數據。(a)表是所有Node的傳輸資料，總共有四個Node 在傳送資料，傳輸資料包括:訊息仲裁欄(Identifier)，訊息的資料長度(data length)，訊息的傳送週期(period)，訊息的截止期限(deadline)。(b)表是模 結果依據average transmitting time，missing deadline percentage，lost

message percentage三項指標分析的數據。

表5.1(a) 傳輸速率125 Kbits/s時，30％的傳輸訊息量

Node Identifier data length (bits) period (ms) deadline (ms) 1 0x20 16 10.2 4.2 2 0x40 16 6.2 1.2 3 0x60 16 4.2 1.7 4 0x80 16 5.9 3.9

表5.1(b) 傳輸速率125 Kbits/s時，30％傳輸訊息量的硬體實驗結果

Original RM DM AAP RM+AAP DM+AAP Average Transmitting Time(µs) 224.504 211.216 240.826 196.667 239.501 222.831 Missing Deadline Perctntage(%) 1.349 1.199 1.499 4.049 1.499 1.349 Lost Message Percentage(%) 0 0 0 0 0 0 表5.2(a) 傳輸速率125 Kbits/s時，30％傳輸訊息量的硬體實驗結果

Node Identifier data length (bits) period (ms) deadline (ms) 1 0x20 16 5.6 2.6 2 0x40 16 4.2 1.2 3 0x60 16 2.6 1.6 4 0x80 16 4.8 2.8 表5.2(b) 傳輸速率125 Kbits/s時，50％傳輸訊息量的硬體實驗結果

Original RM DM AAP RM+AAP DM+AAP Average Transmitting Time(µs) 223.702 191.954 218.244 222.584 200.666 217.625 Missing Deadline Perctntage(%) 0.99 0.693 0.99 0.99 0.792 0.99 Lost Message Percentage(%) 0 0 0 0 0 0