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TTP协议相关文档

一般来说，汽车通信网络可以划分为四个不同的领域，每个领域都有其独特的要求。

现有的主流汽车总线协议都无法适应所有的要求：

信息娱乐系统：

此领域的通信要求高速率和高带宽，有时会是无线传输，目前主流应用协议有MOST，正在推出的还有IDB-1394等；

高安全的线控系统（X-By-Wire）：

由于此领域涉及安全性很高的刹车和导向系统，所以它的通信要求高容错性、高可靠性和高实时性。

可以考虑的协议有TTCAN、FlexRay、TTP等；

车身控制系统：

在这个领域CAN协议已经有了二十多年的应用积累，其中包括传统的车身控制和传动装置控制；

低端控制系统：

此系统包括那些仅需要简单串行通信的ECU，比如控制后视镜和车门的智能传感器以及激励器等，这应该是LIN总线最适合的应用领域。

其中，控制器局域网（CAN）是最有名的、也是最早成为国际标准的汽车总线协议。

CAN协议是串行协议，能够有效地支持具有高安全等级的分布实时系统。

CAN是一个多主机系统，所以它设计了高效率的仲裁机制来解决传输冲突问题，具有高优先级的系统总能优先得到总线的使用权。

CAN还同时使用了其它一些防错手段，能够判断出错的节点并及时关闭之，这样就在很大程度上保证了总线的可靠性。

CAN的传输速率和总线长度相关，最高可以到1Mbps，一般车内使用的速率是500Kbps到200Kbps。

CAN多年来作为车身控制的主干网已经形成了从IC设计到软件开发和测试验证的完整产业链，而且它还将在新的汽车主干网行业标准确立之前一直充当这一角色。

在车内，还有许多ECU的控制并不需要CAN这样高速率和高安全的通信，本地互联网络（LIN）就是为适应这类应用而设计的低成本解决方案。

LIN是一个公开的协议，它基于SCI（UART）串行通信的格式，结合了汽车应用的特点。

LIN是单一主机系统，不但降低了硬件成本，而且在软件和系统设计上也能更容易地兼容其它网络协议，比如CAN。

LIN的传输速率最高可到20Kbps，主要是受到EMI和时钟同步的限制。

由于LIN器件易得——几乎所有的IC都带有SCI（UART）接口，LIN很快就在车内低端控制器领域取得领先地位。

典型的LIN应用有车门、后视镜、导向轮、马达、照明以及其它智能传感器。

LIN不但定义了物理层和数据层，还定义了相关的应用软件层。

这些都为LIN方案提供商解决了设备兼容的问题，很有利于汽车工业的规模生产。

相信LIN协议会是汽车低端控制网络的未来标准。

车内除了嵌入式控制系统以外，还有诸如媒体播放器、导航系统、无线通信系统以及其他多种信息娱乐设备，这些设备之间的互连需要更高速的通信协议。

媒体导向系统传输协议（MOST）是目前车载信息娱乐系统普遍接受的高速通信协议。

MOST基于ISO/OSI七层网络模型设计，物理层由光纤通信组件构成，具有很好的抗干扰性，设计传输速率可达150Mbps（目前产品可达25Mbps）。

除了控制数据外，MOST数据可分为同步传输数据和异步传输数据，具有很大的灵活性——同步数据可直接用于音视频设备，异步数据可用于传输其它数据块，如导航地图数据等，甚至也可用于支持TCP/IP数据包的传输。

MOST还定义了应用层，包括MOST设备、功能块、功能函数以及参数格式等等，这些协议可以确保各个厂家生产的设备具有MOST互联性，也有利于车内信息娱乐设备的及时更新换代。

IDB-1394是从IEEE1394标准演化而来的另一种支持车内信息娱乐系统的高速通信协议。

IDB-1394可以达到400Mbps或更高的传输速率，而且IEEE1394也是一种很成熟的通信协议，已经有很多设备支持。

这些都是IDB-1394的优势，然而由于MOST受到更多厂商的支持，包括一些软件开发商的支持，可以预计MOST将会在汽车工业中进一步扩张势力。

汽车线控系统，按照汽车工程师社团（SAE）的定义，需要一个安全等级为C的通信网络架构。

如果要实现一个完全的线控汽车，没有传统的机械或液压系统作备份，不但要对传统的机械和液压单元作创新性的ECU替代，而且传统的CAN总线系统也不再适用。

CAN的本质是一种事件驱动的协议，在高安全性的系统中，CAN缺乏必要的决定性、同步性和容错性。

因此人们开始为线控汽车设计满足安全性要求的新一代汽车主干通信网络。

TTCAN、FlexRay和TTP就是其中的主要代表，它们无一例外地都采用了时间驱动的机制。

在时间驱动的系统里，信息的发送由预先设立好的时间表确定，所有的节点都知道什莫时间该发送，什莫时间该收取；信息收发的不确定性仅仅是时间同步的误差，而这个误差通常可以控制在非常小的范围内。

这一特点使时间驱动的通信网络成为线控汽车通信网络的必然选择。

TTCAN由CAN发展而来，数据格式和CAN兼容。

它定义了一个时间周期，在此周期内又有多个时间间隔，有些时间间隔专用于特定的网络节点（无需仲裁），其余间隔类似普通的CAN协议。

其特点是保留了和传统CAN网络的兼容，同时又具有时间驱动的优点。

然而，TTCAN不能提供比CAN更高的传输速率，在容错性方面也没有明确的设计说明。

FlexRay协议将其时间周期分为静态段和动态段两个部分。

静态段采用TDMA方式传输时间驱动类型的数据，动态段采用Mini-Slot方式传输事件驱动类型的数据。

在安全性方面，FlexRay采用冗余通道的方式确保数据正确传输，而其它的容错机制并没有直接在协议中明确说明，而交由应用提供者自己设计。

这种方法有很大的设计灵活性，然而会由此产生安全隐患以及兼容性问题。

TTP协议对所有的节点采用TDMA的网络通道分配方式，即所有节点在一个周期内都会传输数据至少一次。

整个系统采用统一的时间标准，所有的节点都存有预先定义的时间表，一旦传输数据和时间表发生冲突则认为节点错误。

只要一个节点有一次错误，那末该节点将退出通信网络，确保网络不受错误节点的干扰。

TTP将网络成员检查服务也定义在协议中，确保网络中没有可疑的节点。

这些虽然限制了该协议的灵活性，但确保了它的高安全性。

TTCAN、FlexRay和TTP三种协议在其它方面的比较

可以看到TTCAN由于受到带宽等的限制，将不会在下一代线控汽车主干网中占有主导地位。

FlexRay和TTP都可以使用虚拟CAN通道技术来兼容现有的CAN网络和器件，而两者在安全性和灵活性方面各有优缺点。

因为汽车工业的规模化和线控器件的兼容性，双标准并存的状况一定会影响下一代线控汽车的发展。

虽然有研究表明TTP节点会具有更低的制造和实现成本，而且TTP也已经在汽车和航空业中得到应用，但是推广FlexRay的企业巨头的影响力决不容忽视。

或许下一代汽车通信主干网的决定因素不是技术而是政

本文详细比较了现有几类主流汽车总线系统的特点。

这些比较将有助于界定下一代高安全性、高容错性的分布式汽车通信网络标准。

汽车总线协议

随着汽车功能的不断增加、可靠性要求的不断提高以及价格的不断下降，越来越多的电子控制单元（ECU）将被引入到汽车中。

目前，在高端汽车中一般会有50个以上的ECU。

为了使这些ECU能够在一个共同的环境下协调工作，也为了进一步降低成本，人们设计了针对汽车通信网络的总线协议。

一般来说，汽车通信网络可以划分为四个不同的领域，每个领域都有其独特的要求。

现有的主流汽车总线协议都无法适应所有的要求：

信息娱乐系统：

此领域的通信要求高速率和高带宽，有时会是无线传输，目前主流应用协议有MOST，正在推出的还有IDB-1394等；

高安全的线控系统（X-By-Wire）：

由于此领域涉及安全性很高的刹车和导向系统，所以它的通信要求高容错性、高可靠性和高实时性。

可以考虑的协议有TTCAN、FlexRay、TTP等；

车身控制系统：

在这个领域CAN协议已经有了二十多年的应用积累，其中包括传统的车身控制和传动装置控制；

低端控制系统：

此系统包括那些仅需要简单串行通信的ECU，比如控制后视镜和车门的智能传感器以及激励器等，这应该是LIN总线最适合的应用领域。

其中，控制器局域网（CAN）是最有名的、也是最早成为国际标准的汽车总线协议。

CAN协议是串行协议，能够有效地支持具有高安全等级的分布实时系统。

CAN是一个多主机系统，所以它设计了高效率的仲裁机制来解决传输冲突问题，具有高优先级的系统总能优先得到总线的使用权。

CAN还同时使用了其它一些防错手段，能够判断出错的节点并及时关闭之，这样就在很大程度上保证了总线的可靠性。

CAN的传输速率和总线长度相关，最高可以到1Mbps，一般车内使用的速率是500Kbps到200Kbps。

CAN多年来作为车身控制的主干网已经形成了从IC设计到软件开发和测试验证的完整产业链，而且它还将在新的汽车主干网行业标准确立之前一直充当这一角色。

在车内，还有许多ECU的控制并不需要CAN这样高速率和高安全的通信，本地互联网络（LIN）就是为适应这类应用而设计的低成本解决方案。

LIN是一个公开的协议，它基于SCI（UART）串行通信的格式，结合了汽车应用的特点。

LIN是单一主机系统，不但降低了硬件成本，而且在软件和系统设计上也能更容易地兼容其它网络协议，比如CAN。

LIN的传输速率最高可到20Kbps，主要是受到EMI和时钟同步的限制。

由于LIN器件易得——几乎所有的IC都带有SCI（UART）接口，LIN很快就在车内低端控制器领域取得领先地位。

典型的LIN应用有车门、后视镜、导向轮、马达、照明以及其它智能传感器。

LIN不但定义了物理层和数据层，还定义了相关的应用软件层。

这些都为LIN方案提供商解决了设备兼容的问题，很有利于汽车工业的规模生产。

相信LIN协议会是汽车低端控制网络的未来标准。

车内除了嵌入式控制系统以外，还有诸如媒体播放器、导航系统、无线通信系统以及其他多种信息娱乐设备，这些设备之间的互连需要更高速的通信协议。

媒体导向系统传输协议（MOST）是目前车载信息娱乐系统普遍接受的高速通信协议。

MOST基于ISO/OSI七层网络模型设计，物理层由光纤通信组件构成，具有很好的抗干扰性，设计传输速率可达150Mbps（目前产品可达25Mbps）。

除了控制数据外，MOST数据可分为同步传输数据和异步传输数据，具有很大的灵活性——同步数据可直接用于音视频设备，异步数据可用于传输其它数据块，如导航地图数据等，甚至也可用于支持TCP/IP数据包的传输。

MOST还定义了应用层，包括MOST设备、功能块、功能函数以及参数格式等等，这些协议可以确保各个厂家生产的设备具有MOST互联性，也有利于车内信息娱乐设备的及时更新换代。

IDB-1394是从IEEE1394标准演化而来的另一种支持车内信息娱乐系统的高速通信协议。

IDB-1394可以达到400Mbps或更高的传输速率，而且IEEE1394也是一种很成熟的通信协议，已经有很多设备支持。

这些都是IDB-1394的优势，然而由于MOST受到更多厂商的支持，包括一些软件开发商的支持，可以预计MOST将会在汽车工业中进一步扩张势力。

汽车线控系统，按照汽车工程师社团（SAE）的定义，需要一个安全等级为C的通信网络架构。

如果要实现一个完全的线控汽车，没有传统的机械或液压系统作备份，不但要对传统的机械和液压单元作创新性的ECU替代，而且传统的CAN总线系统也不再适用。

CAN的本质是一种事件驱动的协议，在高安全性的系统中，CAN缺乏必要的决定性、同步性和容错性。

因此人们开始为线控汽车设计满足安全性要求的新一代汽车主干通信网络。

TTCAN、FlexRay和TTP就是其中的主要代表，它们无一例外地都采用了时间驱动的机制。

在时间驱动的系统里，信息的发送由预先设立好的时间表确定，所有的节点都知道什莫时间该发送，什莫时间该收取；信息收发的不确定性仅仅是时间同步的误差，而这个误差通常可以控制在非常小的范围内。

这一特点使时间驱动的通信网络成为线控汽车通信网络的必然选择。

TTCAN由CAN发展而来，数据格式和CAN兼容。

它定义了一个时间周期，在此周期内又有多个时间间隔，有些时间间隔专用于特定的网络节点（无需仲裁），其余间隔类似普通的CAN协议。

其特点是保留了和传统CAN网络的兼容，同时又具有时间驱动的优点。

然而，TTCAN不能提供比CAN更高的传输速率，在容错性方面也没有明确的设计说明。

FlexRay协议将其时间周期分为静态段和动态段两个部分。

静态段采用TDMA方式传输时间驱动类型的数据，动态段采用Mini-Slot方式传输事件驱动类型的数据。

在安全性方面，FlexRay采用冗余通道的方式确保数据正确传输，而其它的容错机制并没有直接在协议中明确说明，而交由应用提供者自己设计。

这种方法有很大的设计灵活性，然而会由此产生安全隐患以及兼容性问题。

TTP协议对所有的节点采用TDMA的网络通道分配方式，即所有节点在一个周期内都会传输数据至少一次。

整个系统采用统一的时间标准，所有的节点都存有预先定义的时间表，一旦传输数据和时间表发生冲突则认为节点错误。

只要一个节点有一次错误，那末该节点将退出通信网络，确保网络不受错误节点的干扰。

TTP将网络成员检查服务也定义在协议中，确保网络中没有可疑的节点。

这些虽然限制了该协议的灵活性，但确保了它的高安全性。

TTCAN、FlexRay和TTP三种协议在其它方面的比较

可以看到TTCAN由于受到带宽等的限制，将不会在下一代线控汽车主干网中占有主导地位。

FlexRay和TTP都可以使用虚拟CAN通道技术来兼容现有的CAN网络和器件，而两者在安全性和灵活性方面各有优缺点。

因为汽车工业的规模化和线控器件的兼容性，双标准并存的状况一定会影响下一代线控汽车的发展。

虽然有研究表明TTP节点会具有更低的制造和实现成本，而且TTP也已经在汽车和航空业中得到应用，但是推广FlexRay的企业巨头的影响力决不容忽视。

或许下一代汽车通信主干网的决定因素不是技术而是政治。

本文小结

本文通过讨论汽车网络协议，如CAN、LIN、MOST、IDB-1394、TTCAN、FlexRay和TTP等，分析了下一代汽车网络的发展趋势。

希望这一讨论能够为正在蓬勃发展的中国汽车制造业以及汽车配件制造业提供一些借鉴。

谢文盛

高级软件工程师哈曼贝克汽车多媒体系统（深圳）有限公司

wxie@

 用TTP/C协议构建高可靠硬实时嵌入式应用技术探讨收藏

用TTP/C协议构建高可靠硬实时嵌入式应用技术探讨

刘太泽，刘 骊，吕 杨

（昆明理工大学信息与自动化学院，云南昆明650051）

摘 要：

用时间触发协议TTP/C设计容错性好的实时嵌入式系统是一种可行的方案。

本文详细阐述了TTP/C的物理实现机制、采用的帧结构、组合性和容错方法，阐明了时间触发和事件触发的区别和基于时间触发体系结构设计的基本构件以及各构件在系统中的作用。

关键词：

嵌入式系统；TTP/C协议；高可靠性；时间触发；事件触发；总线；网络

中图分类号：

TN915.04 文献标识码：

A 文章编号：

1811-8755（2004）0985

TheTechnicalExplorationofBuildingHighlyDependableHardR-TEmbeddedSystem

UsingTTP/CProtocol

LIUTai-ze,LIUli,LYyang

（InstituteofInformation&Automation,KunmingUniversityofScience&Science,Kunming Yunnan650051,China）

Abstract:

Itisakindofdesiredschemetousetime-triggeredprotocolindesignofgoodfault-tolerantreal-timeembeddedsystem.Thearticlehasillustratedthephysicalrealizationmechanism,theframestructureemployed,composabilityandfault-tolerantmethodsofTTP/Cindetail,illuminatedthedifferencebetweentime-triggeredandevent-triggered,explainedthebasiccomponentsbasedontime-triggeredarchitecturedesignandtheirroleinthesystem.

Keywords:

embeddedsystem;TTP/Cprotocol;highlydependability;time-triggered   event-triggered;Bus;network

0． 引言

传统用于分布式系统网络互联的协议很多，如RS-232串口通信协议、CAN（ControllerAreaNetwork）协议以及与Internet互联的TCP/IP协议等，在嵌入式系统中已得到了广泛的应用。

但是，在现代安全至上的高可靠硬实时嵌入式系统（safety-criticalhighlydependablehardreal-timeembeddedsystem）中，这些协议都没法满足系统的高可靠性要求。

爱尔兰Limerick大学开发了TTCAN（Time-TriggeredControllerAreaNetwork）现场总线，采用了时间触发的消息响应调度方式，使现场总线在本质上具有确定性行为，因而可以应用于有严格实时要求的工业控制领域，能满足消息传输时间是实时的、有界的系统的最基本的控制要求[2]。

用于工业测控系统的嵌入式计算机系统的工作环境往往是复杂恶劣的，有的嵌入式系统需要在高温、强辐射、高电磁干扰的恶劣环境下工作。

尽管传统上的在容错和抗干扰方面的解决方案取得了较大的成功。

但是，在要求严格实时高可靠的现代分布式嵌入式系统应用场合，传统采用的方案就显得不太理想了。

当今的嵌入式系统也倾向于采用分布式解决方案，这就涉及到采用何种总线，用何种协议来支持的问题。

在安全至上的自动化领域中，特别是在硬实时嵌入式操作系统和安全至上（Safety-critical）的自动控制系统中，安全可预测的调度算法显得尤为重要。

传统事件触发方式对消息响应时间的有界性有不可忽视的影响，必须在总线协议中采用多种调度策略，使不确定的消息传输时延发生的概率降到最低，但它仍不是适合于安全性要求极高控制场合。

本文介绍的TTP/C，最适合于安全硬实时控制领域，在硬实时嵌入式系统中用TTP/C协议开发高可靠的嵌入式应用系统有重要意义。

1． 事件触发系统与时间触发系统

系统在向控制对象提供服务时，可以采用两种本质上不同的调度方式：

事件触发和时间触发。

事件触发结构是系统对控制对象的响应是由某个事件行为决定的，其发生时间具有随机性。

也就是说，系统在时间上表现为不可预测性，而时间触发结构则不同，它是通过一个全局时钟进行驱动的，系统的行为不仅在功能上得到确定，而且在时间上也是确定的。

两者的异同表现在以下几个方面：

（1）从对控制对象产生行为的机制上看，在事件触发系统中，控制信号取决于事件的发生（如一次中断），是不可预知的。

也就是说，系统中的结点没有共同的时间概念，各结点的行为是随机的、不可预测的。

而在时间触发结构中，系统控制信号的产生是由时间的推进来触发的，系统中各结点都知道何时何结点在特定时刻将会产生何种活动。

因而系统的行为是确定的、可预测的。

（2） 从状态信息的来源看，时间触发系统的状态信息来源于规定时间内的某个条件（如在t0时刻读传感器的值）；而事件触发系统的状态信息则是当某个条件成立时的状态（如流量计超过某个闸值时触发事件的状态）。

（3） 对总线的占用来看，在事件触发系统中，由于子系统之间都是完全的自治系统，它们不知道何时系统会产生何种行为，相互之间共同争用带宽，从而会产生冲突。

而在时间触发系统中，系统中的各结点分时复用带宽，各结点对总线的占用在设计时就已确定，总线带宽取决于最坏情况下系统的通信量，因而不会产生带宽争用现象。

（4） 从可靠性方面看，事件触发系统中各结点的可靠性取决于相对的优先级，优先级越高，可靠性越高。

实验证明[3]，当事件率达到60~70%时，优先级低的结点的服务将得不到保证，整个系统是不可靠的。

而时间触发系统中各结点的事件都是预先安排好的，每个结点都在自己的时间槽内完成相应的任务，整个系统是可靠的。

（5） 从稳定上看，由于事件触发系统中各结点在争用总线时会产生冲突，从而会产生延迟和抖动现象，这在硬实时高可靠系统中危害最大的因素之一，而时间触发系统则不会。

（6） 从应用角度上看，事件触发系统广泛用于分时系统，使得系统获得较大的吞吐量和反映的灵活性。

而时间触发系统则适用于硬实时高可靠系统，以获得更好的可预测性和可靠性。

由以上区别可以看出，时间触发系统由于其自身的特性，比较适合于硬实时高可靠系统，而对软实时和分时系统来说，这种触发结构就显得不够灵活了。

在某些专用领域，如交通工具、医药行业等安全至上的行业，系统的失败可能导致严重后果的场合，使用时间触发系统不失为一种可行方案。

2． 基于TTP/C的时间触发高可靠嵌入式实时系统的实现机制

高可靠实时嵌入式系统必须具有良好的容错性能、实时性能、抗干扰性能和故障预测性能。

在嵌入式分布式系统中，在硬件可靠性得到保证的前提下，如果没有好的协议机制和调度机制，系统的可靠性也是没法保证的，时间触发协议TTP/C提供了良好的可靠性保证机制。

下面以一个基于B/S结构时间触发嵌入式实时系统为例，说明用TTP/C时间触发体系结构来设计嵌入式分布式系统的基本框架。

2.1　基于TTP/C的时间触发高可靠系统的物理实现机制

Vienna理工大学的H.Kopetz教授的研究小组开发了TTP/C协议，它的全称是C类时间触发协议（Time-TriggeredProtocolClassC），“C”表示实时通信协议。

TTP/C协议由SAE（TheSocietyofAutomotiveEngineers汽车工程师协会）定义。

TTP/C是以开发硬实时高可靠容错嵌入式应用的需求为目标而设计的，它可以用于设计高可靠嵌入式应用系统。

一个TTP/C结点由主机（host）、通信网络接口（CNI）、TTP/C通信控制器（TTPCC）组成，其功能框图如图1所示。

控制对象I/O接口是提供主机与环境检测、控制部件的接口。

主机负责向控制对象接收信息并进行处理，并可以向控制对象发送控制信息，同时可与通信网络进行交互。

网络通信接口CNI是联接主机和TTP/C的接口，它位于主机和TTP/C控制器都可以互相访问的双端口存储区中，为主机和TTP/C控制器会话提供了一个接口，其另一个作用是将主机和TTP/C控制器的时序隔离避免干扰。

主机可以通过CNI对TTP/C控制器的操作进行监视，并可通过CNI命令使TTP/C控制器执行特定的动作。

CNI还为TTP/C消息的流动提供一条缓冲路径。

TTP/C通信控制器是TTP/C网络通信的核心，它的内部有一个消息描述表MEDL（MessageDescriptionList），该表中定义了结点所需要的控制数据，包括结点通信的组织和TDMA每一轮的消息调度方案，如在某时间点上结点应该发送或接收什么样的数据。

该表是在系统投入运行前定义的，在运行时不能更改，一般存储在EEPROM或闪存中。

消息描述表中可包含着多种不同的模式，每种模式分别对应于一种特定的消息调度，在不同的模式下，机群周期内的TDMA轮数可能是不同的，在具体的某个