張春熹 楊玉生 文懷濤

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100191)

IEEE-1394b總線等時傳輸性能分析

張春熹 楊玉生 文懷濤

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100191)

IEEE-1394b是一種高速數(shù)據(jù)總線,已成功應(yīng)用于航空電子中.其等時傳輸保證數(shù)據(jù)傳輸具有確定的延時,廣泛應(yīng)用于多媒體數(shù)據(jù)的傳輸.為解決等時傳輸中的性能評價問題,基于確定與隨機(jī) Petri網(wǎng)(DSPN,Deterministic and Stochastic Petri Net),建立了 IEEE-1394b總線等時傳輸?shù)哪Ｐ?模型考慮了對等時傳輸性能影響較大的帶寬預(yù)留和仲裁機(jī)制的影響,精確描述了總線行為.通過對模型的仿真分析,得到了等時傳輸?shù)耐掏铝亢推骄却龝r間等性能指標(biāo)與節(jié)點(diǎn)數(shù)量、數(shù)據(jù)包大小以及數(shù)據(jù)包到達(dá)速率的關(guān)系,并得到了 IEEE-1394b等時傳輸總線吞吐量的極限.

航空電子;總線;IEEE-1394b;性能;Petri網(wǎng);等時傳輸

IEEE 1394b[1](以下簡稱 1394b)是一種新型高速數(shù)據(jù)總線,傳輸速率達(dá)到 800Mbps并支持光纖傳輸和 COTS(Commercial-Off-The-Shelf)技術(shù),已經(jīng)成功地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,是一種很有應(yīng)用潛力的總線.

國外從 20世紀(jì) 90年代就展開了對 1394總線的研究,針對其性能分析也做了一些研究[2],但是對 1394b總線研究的報道還不多.

國內(nèi)對 1394的研究起步較晚,雖然也有一些研究報道[3],但是對1394b的研究,尤其是對其進(jìn)行性能分析的研究并不成熟,本文的研究對1394b總線的應(yīng)用具有參考意義.

1 1394b等時傳輸及 BOSS仲裁

1394b的等時傳輸機(jī)制強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性,而對數(shù)據(jù)中的某些位出現(xiàn)錯誤并不十分關(guān)心,主要用于多媒體信息的傳輸.1394b的帶寬預(yù)留機(jī)制保證等時傳輸具有可預(yù)測的延時.希望發(fā)起等時事務(wù)的節(jié)點(diǎn)首先從等時資源管理器分配所需要的帶寬和傳輸?shù)耐ǖ捞柎a.在分配資源時,不但要考慮數(shù)據(jù)的大小,還要考慮總線仲裁等相關(guān)時間,在獲得了相應(yīng)的資源后,節(jié)點(diǎn)才可以開始仲裁總線,傳輸數(shù)據(jù).

1394b協(xié)議引進(jìn)了新的仲裁機(jī)制,稱為總線擁有者 /監(jiān)管者 /選擇者(BOSS,Bus Owner/Supervisor/Selector)仲裁,該仲裁方式主要包括以下幾個方面:

1)采用全雙工方式,在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r,仲裁請求信號在與數(shù)據(jù)傳輸相反的方向上傳輸.

2)仲裁的決定者是 BOSS節(jié)點(diǎn)而不是總線管理器節(jié)點(diǎn).在子事務(wù)中最后傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)將成為 BOSS節(jié)點(diǎn).

3)總線上采用令牌(token)代替?zhèn)鹘y(tǒng) 1394總線上的空閑(gap)來界定各種總線事務(wù),令牌中包含了當(dāng)前總線的相位信息.

4)采用了具有優(yōu)先級的仲裁隊(duì)列方式,保證節(jié)點(diǎn)可以公平地訪問總線.總線上的仲裁信號有兩個相位(phase),奇相位和偶相位,這兩個相位依次順序切換.所有的仲裁信號都是與相位相關(guān)的,在不同的相位中其優(yōu)先級不同,具體情況如表1所示.所有的節(jié)點(diǎn)都將根據(jù)數(shù)據(jù)請求的優(yōu)先級來確定仲裁總線的順序.

表 1 等時仲裁優(yōu)先級

2 1394b等時傳輸?shù)?DSPN模型

2.1 節(jié)點(diǎn)模型

1394b等時傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)確定與隨機(jī) Petri網(wǎng)(DSPN,Determ inistic and Stochastic Petri Net)模型如圖 1所示.

模型中將弧的弧權(quán)函數(shù)標(biāo)注在弧上,用“#”加“位置名稱”表示位置中所有的標(biāo)記數(shù)量,如#P1表示位置 P1中所有的標(biāo)記數(shù)量.默認(rèn)位置容量為無限大.模型中包含了 24個位置,22個變遷,其中 15個瞬時變遷,1個隨機(jī)時間變遷,6個確定時間變遷.主要的位置、變遷以及他們的含義見表 2、表 3.

圖1 1394b等時傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn) DSPN模型

模型由 4個部分組成,虛線右側(cè)的部分代表總線上所有節(jié)點(diǎn)共享的公共資源,包括等時循環(huán)計(jì)時器 P15,T13,可用帶寬資源寄存器 P12,可用通道寄存器 P13,總線控制權(quán) P21,總線忙狀態(tài)P23和總線空閑狀態(tài) P22.虛線左側(cè)的部分代表節(jié)點(diǎn)的私有資源,分為 3個部分.

1)位置 P4及其以上的部分,這部分模擬1394b的帶寬預(yù)留機(jī)制.當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時,T1實(shí)施,數(shù)據(jù)進(jìn)入 P2位置準(zhǔn)備請求分配資源.如果節(jié)點(diǎn)已經(jīng)獲得了資源,即#P11＞0,則變遷 T8實(shí)施,數(shù)據(jù)進(jìn)入P4位置等待仲裁總線.如果節(jié)點(diǎn)還沒有獲得所需要的資源,則節(jié)點(diǎn)通過 P3向等時資源管理器申請資源.如果#P12＞ReqBW(ReqBW表示節(jié)點(diǎn)需要分配的帶寬資源),同時#P13＞0,說明總線上有足夠的帶寬和通道資源,節(jié)點(diǎn)成功獲得所需要的資源,T3實(shí)施,從 P12中移走 ReqBW個標(biāo)記,從 P13中移走一個標(biāo)記.如果 #P12＜ReqBW,或者#P13＜0,說明總線沒有足夠的資源,節(jié)點(diǎn)分配資源失敗,T9實(shí)施.節(jié)點(diǎn)將等待一段時間 T10(約為 1 s)后再次申請資源.若帶寬預(yù)留成功,即 T3實(shí)施,節(jié)點(diǎn)將結(jié)束帶寬預(yù)留過程進(jìn)入P4位置等待仲裁總線,這就是帶寬預(yù)留過程.

表 2 模型中主要的位置及其含義

表 3 模型中主要的變遷及其含義

2)位置 P4到 P7之間的部分,這部分模擬了1394b總線的 BOSS仲裁過程.變遷實(shí)施序列T4T5T6,T4T5T12T11模擬了 current(當(dāng)前相位)隊(duì)列的仲裁過程.而 T15T18T20,T15T18T19T16則模擬了 next相位仲裁隊(duì)列的仲裁過程.當(dāng)有請求到達(dá) P4位置后,如果#P17＞0,說明節(jié)點(diǎn)在本周期中還沒有發(fā)送數(shù)據(jù),則 T4可實(shí)施,數(shù)據(jù)進(jìn)入current隊(duì)列 P5;否則,T15實(shí)施,數(shù)據(jù)進(jìn)入 next相位隊(duì)列 P16.由于 current隊(duì)列中的請求具有比next隊(duì)列中請求更高的優(yōu)先級,所以當(dāng) P5中有標(biāo)記時,說明總線有當(dāng)前相位請求,next請求將被禁止實(shí)施,禁止弧(P5,T18)模擬了上述優(yōu)先級差異.此外,通過將 T6的優(yōu)先級設(shè)置為 5,大于 T20的優(yōu)先級 4,可以保證當(dāng)有多個節(jié)點(diǎn)同時仲裁總線時,current請求首先得到響應(yīng),這也是與協(xié)議相符的.由于 current隊(duì)列和 next隊(duì)列中的仲裁過程完全一致,所以以 current為例來說明節(jié)點(diǎn)的仲裁過程.在請求隊(duì)列中有請求時,如果此時總線已經(jīng)可以仲裁,即#P17＞0,則 T5實(shí)施,節(jié)點(diǎn)仲裁總線.如果#P21＞0,說明總線上還沒有其他節(jié)點(diǎn)成功仲裁總線,所以本節(jié)點(diǎn)仲裁成功,T6實(shí)施.否則,T12實(shí)施,節(jié)點(diǎn)仲裁失敗.仲裁失敗之后,節(jié)點(diǎn)會等待總線發(fā)送完數(shù)據(jù)之后重新開始仲裁總線.模型中體現(xiàn)為 T11的實(shí)施需要條件#P21＞0,說明節(jié)點(diǎn)仲裁失敗后,只有等待仲裁成功的節(jié)點(diǎn)發(fā)送完數(shù)據(jù)釋放總線控制權(quán)時,節(jié)點(diǎn)才可以重新開始申請仲裁總線.

3)剩余的部分模擬了總線仲裁成功后發(fā)送數(shù)據(jù)的過程.P22和 P23通過兩個變遷 T7和 T21相互轉(zhuǎn)換,代表的總線發(fā)送數(shù)據(jù)時總線由空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)為忙狀態(tài),發(fā)送完成后由忙轉(zhuǎn)化為空閑狀態(tài).

2.2 系統(tǒng)模型

節(jié)點(diǎn)模型描述了總線上只有一個節(jié)點(diǎn)的情況,但是應(yīng)用中總線上往往不止一個節(jié)點(diǎn),所以需要系統(tǒng)模型來描述總線上有多個節(jié)點(diǎn)時總線的行為.通過設(shè)置多個節(jié)點(diǎn)共用節(jié)點(diǎn)模型中的公共資源,即可得到總線的系統(tǒng)模型.

3 模型仿真及性能分析

3.1 仿真環(huán)境

TimeNet[4]是一種 DSPN仿真分析工具,在DSPN仿真分析中得到了廣泛的應(yīng)用.本文采用該軟件對模型進(jìn)行仿真分析.分析中仿真參數(shù)設(shè)置如下:置信區(qū)間為 99%,最大相對誤差為 5%,總線傳輸速率 S=800Mbps,總共的可用帶寬BW=4915.

根據(jù) little定理,節(jié)點(diǎn)的吞吐量:

current隊(duì)列中數(shù)據(jù)包的平均等待時間:

next隊(duì)列中數(shù)據(jù)包的平均等待時間:

其中,E{#P4}表示 P4中標(biāo)記的數(shù)量;Tgen表示數(shù)據(jù)到達(dá)延時,對應(yīng)模型中 T1的延時參數(shù).

3.2 性能分析

吞吐量 P和平均等待時間 T是衡量總線性能的兩個重要性能指標(biāo),數(shù)據(jù)包大小 D和數(shù)據(jù)包到達(dá)速率 V是影響總線負(fù)載的參數(shù),本文針對這兩項(xiàng)性能指標(biāo)與總線負(fù)載參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行仿真分析.

由上式可得,N為 1,2,3,4時,總線帶寬預(yù)留中能夠允許的最大數(shù)據(jù)包大小分別為8K字節(jié)(等時傳輸中,Dp最大為 8K字節(jié)),4 902字節(jié),3264字節(jié)和 2444字節(jié).所以 D小于 2 444字節(jié)時,總線上有 4個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,從圖 2a中可以看出:此時總線吞吐量是單節(jié)點(diǎn)時的 4倍.D介于2444字節(jié)和 3264字節(jié)之間時,總線上有3個節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù),總線吞吐量是單節(jié)點(diǎn)時的 3倍.同理,D介于 3264字節(jié)和 4902字節(jié)之間時,總線吞吐量是單節(jié)點(diǎn)時的 2倍.D大于 4902字節(jié)后,多節(jié)點(diǎn)的吞吐量與單節(jié)點(diǎn)相同.以上分析說明,在成功進(jìn)行帶寬預(yù)留的情況下,總線的吞吐量與節(jié)點(diǎn)數(shù)量成正比,與數(shù)據(jù)包大小成正比.

從圖 2b中可以看出:在 P小于 8 000包/s時,P與 V成正比,當(dāng) V大于 8000包 /s之后,P不再變化.這是因?yàn)榈葧r傳輸周期為 125μs,在每個等時周期中,節(jié)點(diǎn)在一個通道中最多只可以發(fā)送一次數(shù)據(jù).即等時數(shù)據(jù)包發(fā)送能夠達(dá)到的最高頻率就是 8 000包/s.所以當(dāng)數(shù)據(jù)包速率大于8000包 /s后,吞吐量不再增加.

圖2 P與 D和 V的關(guān)系

T與 D和 V的關(guān)系如圖 3所示.圖中 CQ表示當(dāng)前相位隊(duì)列,NQ表示 next隊(duì)列.從圖 3a中可以看出:T基本沒有隨著 D的變化而變化.雖然在多節(jié)點(diǎn)的 NQ隊(duì)列中 T稍微有些波動,但是整體上 D對 T沒有影響.而且,NQ中的平均等待時間要大于 CQ中的.這是因?yàn)閹掝A(yù)留機(jī)制保證無論數(shù)據(jù)包多大,節(jié)點(diǎn)在每個等時循環(huán)周期中都可以發(fā)送一個數(shù)據(jù)包.所以數(shù)據(jù)包大小變化對等待時間沒有影響.而 BOSS仲裁中,current隊(duì)列具有比 next隊(duì)列更高的優(yōu)先級,所以 CQ中的平均等待時間小于 NQ中的.在應(yīng)用中,用戶無法區(qū)分CQ和 NQ,只要其中一個比較大,就會對用戶產(chǎn)生影響.所以應(yīng)用中應(yīng)該以 CQ和NQ中T較大的一個作為性能分析的依據(jù),即以 NQ中的平均等待時間作為性能分析的依據(jù).從圖 3a中可以看出:單節(jié)點(diǎn)和多節(jié)點(diǎn) NQ中的平均等待時間基本相等,而且不隨著數(shù)據(jù)包大小變化而變化,說明數(shù)據(jù)包大小和節(jié)點(diǎn)數(shù)量對平均等待時間沒有影響.

T與 V的關(guān)系如圖 3b所示.可以看出:單節(jié)點(diǎn)和多節(jié)點(diǎn) NQ中的平均等待時間相等,說明節(jié)點(diǎn)數(shù)量對 NQ中的平均等待時間沒有影響.此外,NQ中的平均等待時間比 CQ中的大,這些與上面分析的結(jié)果一致.如上所述,應(yīng)用中應(yīng)該以 CQ和NQ兩個隊(duì)列中平均等待時間較大的一個作為標(biāo)準(zhǔn)來衡量總線性能,即以 NQ中的平均等待時間作為性能分析的依據(jù).這樣可以得到應(yīng)用中,T隨著 V的增加而增大.當(dāng) V小于 6000包 /s時,T緩慢增加.V大于 6000包/s之后,T開始迅速增大,當(dāng) V達(dá)到 7800包/s時,平均等待時間已經(jīng)接近無窮大.如果以 200μs作為 T的閾值,V不應(yīng)該超過6000包/s.

圖3 T與 D和V的關(guān)系

T和 P的關(guān)系如圖 4所示.因?yàn)?D越大,P可以達(dá)到的極限值越大,所以為了能夠得到節(jié)點(diǎn)和總線吞吐量的極限值,在單節(jié)點(diǎn)模型仿真中本文取 D=8K字節(jié),這是等時傳輸中數(shù)據(jù)包允許的最大值.在4節(jié)點(diǎn)模型仿真中取 D=2444字節(jié),總線上恰好可以允許 4個節(jié)點(diǎn)同時傳輸數(shù)據(jù),此時得到的性能指標(biāo)可以作為多節(jié)點(diǎn)總線性能的極限值.

從圖4中可以看出:單節(jié)點(diǎn)時P最大可以達(dá)到 511 Mbps,而多節(jié)點(diǎn)時,P最大可以達(dá)到587Mbps,此時數(shù)據(jù)的平均等待時間已經(jīng)接近無窮大.應(yīng)用中如果以 200μs作為平均等待時間的閾值,從圖 4中可以得到,此時單節(jié)點(diǎn)總線吞吐量可以達(dá)到 365Mbps,而多節(jié)點(diǎn)總線吞吐量可以達(dá)到430Mbps.

圖4 T和 P的關(guān)系

4 結(jié) 論

本文針對 IEEE-1394b總線等時傳輸?shù)男阅茉u價問題展開研究,通過對等時傳輸中的帶寬預(yù)留和仲裁機(jī)制的抽象,最終建立了等時傳輸?shù)腄SPN模型并對模型進(jìn)行了仿真分析.通過仿真分析,給出了吞吐量與數(shù)據(jù)包大小和數(shù)據(jù)包速率的關(guān)系,得到了平均等待時間與數(shù)據(jù)包大小無關(guān)的結(jié)論.此外,得到了總線吞吐量的理論極限值和應(yīng)用中的極限值.

References)

[1]IEEE Std 1394b-2002 IEEE standard for a high performance serial bus-amendment 2[S]

[2]Huang Chihyuan,Kuo Teiwei,Pang Aichun.Qos for storage subsystems using IEEE-1394[J].ACM Transactions on Storage,2009,4(4):12:1-12:17

[3]段靖遠(yuǎn),張春熹,史潔琴.IEEE-1394b光纖總線系統(tǒng)的 Qos分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2008,34(4):396-399 Duan Jingyuan,Zhang Chunxi,Shi Jieqin.Qosanalysison IEEE-1394b fiber optical bus system[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2008,34(4):396-399(in Chinese)

[4]Zimmermann A rm in,Knoke Michael.TimeNet user manual 4.0[EB/OL].Berlin:Real-Time Systems and Robotics Group,2007[2009-07-10].http://iv.tu-berlin.de/TechnBerichte/2007/2007-13.pdf

(編 輯:趙海容)

Performance analysis of IEEE-1394b bus isochronous transmission

Zhang Chunxi Yang Yusheng Wen Huaitao

(School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

IEEE-1394b is a high speed data bus,which has been successfully utilized in avionics.Its isochronous transmission assures definite transmission delay of data,and is widely adopted in multimedia data transmission.To solve the performance evaluation problem of isochronous transmission,deterministic and stochastic Petrinet(DSPN)model of IEEE-1394b isochronous transmission was developed.The proposed model considers the effect of bandwidth reservation and arbitration mechanism,which have remarkable effect on isochronous transmission performance,and the bus activity was described precisely.Through simulation,the relations among system's throughput,average waiting time,packet size,packet arrival rate and node count were numerical studied.The limitation of IEEE-1394b isochronous transmission throughput was also obtained.

avionics;bus;IEEE-1394b;performance;Petri net;isochronous transmission

V 243

A

1001-5965(2010)11-1281-05

2009-10-16

張春熹(1965-),男,湖南岳陽人,教授,zhang-chunxi@163.com.