Designmigrationsstrategien von FlexRay nach Time-Triggered Ethernet

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1 Designmigrationsstrategien von FlexRay nach Time-Triggered Ethernet Hermand Dieumo Kenfack Department Informatik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 26. April 2012 H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

2 Agenda 1 Einführung 2 Architektur und Konzept 3 Hintergrund 4 Migrationsstrategien 5 Zusammenfassung und Ausblick H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

3 Agenda Einführung 1 Einführung Situation und Motivation Ziel der Arbeit 2 Architektur und Konzept 3 Hintergrund FlexRay TTEthernet Unterschied zwischen FlexRay und TTEthernet Modellierung mit Task-Graphen 4 Migrationsstrategien Migration des statischen Segments Migration des dynamischen Segments 5 Zusammenfassung und Ausblick H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

4 Situation Einführung Situation und Motivation Automobil-Netzwerk, komplexes verteiltes System Immer mehr E/E-Systeme (> 100) Kommunikation über mehr als 2500 Signale Anforderungen an einem Automobil-Netzwerk-Protokoll Determinismus Fehlertoleranz Hohe Bandbreite Event- und Time-Triggered Kommunikation Herkömmliche Protokolle (CAN) sind diese Anforderungen nicht gewachsen H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

5 Einführung Situation und Motivation Neue Ansätze werden untersucht Zwei vielversprechende Protokolle 1 FlexRay 2 Time-Triggered Ethernet (TTEthernet) Eigenschaften der beiden Protokolle 1 Deterministische Datenübertragung 2 Fehlertoleranz 3 Event- und Time-Triggered Kommunikation H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

6 Einführung Situation und Motivation TTEthernet zusätzliche Vorteile 1 Basiert auf dem Standard-Switch-Ethernet 2 Ethernet über 30 Jahre auf dem Mark 3 Mehr fachkundige Leute 4 Vorhandene Entwicklungs- und Diagnosewerkzeuge 5 Preiswerter 6 Deutlich höher Bandbreite (100/1000 Mbit s ) Migration von FlexRay nach TTEthernet lohnenswert H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

7 Ziel der Arbeit Einführung Ziel der Arbeit Entwicklung eines analytischen Frameworks zur Migration von FlexRay-Systemmodellen nach TTEthernet-Systemmodellen Fokus auf das Kommunikationsmodell Erarbeitung folgende Punkte 1 Festlegung eines Frameworks zur Modellierung bzw. Beschreibung von FlexRay- und TTEthernet-Systemen 2 Entwicklung der Migrationsstrategien Statisches Segment Dynamisches Segment 3 Analyse und Validierung der Migrationsstrategien H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

8 Agenda Architektur und Konzept 1 Einführung Situation und Motivation Ziel der Arbeit 2 Architektur und Konzept 3 Hintergrund FlexRay TTEthernet Unterschied zwischen FlexRay und TTEthernet Modellierung mit Task-Graphen 4 Migrationsstrategien Migration des statischen Segments Migration des dynamischen Segments 5 Zusammenfassung und Ausblick H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

9 Architektur und Konzept Komponenten der Migration Anforderungen System-Spezifikation und Zeitliche Anforderungen FlexRay-System stellt dar FlexRay- Systemmodell FlexRay- Scheduler hält ein FlexRay- Systemschedule TTEthernet-System stellt dar TTEthernet Systemmodell Migrations- Framework hält ein TTEthernet- Systemschedule zu beherrschen zu realisieren im Rahmen der Arbeit H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

10 Agenda Hintergrund 1 Einführung Situation und Motivation Ziel der Arbeit 2 Architektur und Konzept 3 Hintergrund FlexRay TTEthernet Unterschied zwischen FlexRay und TTEthernet Modellierung mit Task-Graphen 4 Migrationsstrategien Migration des statischen Segments Migration des dynamischen Segments 5 Zusammenfassung und Ausblick H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

11 Hintergrund FlexRay FlexRay Kommunikationszyklus H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

12 Hintergrund TTEthernet TTEthernet Kommunikationszyklus Diagnose BE BE BE 0 t TTE-Switch TTE-Switch LIN-BUS LIN-Gateway Tür RC 0 t 0 TT RC BE BE TT BE Zyklus t Fahrwerk TT Time-Triggered Nachricht 0 TT Zyklus TT t RC BE Rate-Constrained Nachricht Best-Effort Nachricht H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

13 Unterschied zwischen FlexRay und TTEthernet Eigenschaft FlexRay TTEthernet Time-Triggered-Slot Statische Länge Dynamische Länge Event-Triggered Minisloting RC und BE Kommunikation Max. Zyklen 64 1 Payload-Bereich [1Byte 254Byte] [46Byte 1500Byte] Topologie Bus, Stern und Mix Switch Bandbreite 10/20 Mbit s 100/1000 Mbit s

14 Task-Graph (Funktionsmodell) TG = (T, E, M, s m, t W, c) Beispiel: Task-Graph einer ACC-Anwendung ctp (175) ods (300) cp (150) tsg ( TGACC ) 0us m2 (1) m3 (1) m1 (1) dtp (250) ds (300) m4 (1) m4 (1) dbf (200) m5 (1) m6 (1) ctp (Current throttle position) ods (Object distance and speed) cp (Current speed) ds (Desired speed) dtp (Desired throttle position) dbf (Desired Braking force) at (Actuate throttle) ab (Actuate brakes) at (150) ab (200) tdg ( TGACC ) 3000us

15 Hintergrund Modellierung mit Task-Graphen Zeitliche Eigenschaften eines Tasks und einer Nachricht t W ( i ) m ) ( i t r ( i ) t s ( i ) i t ( ) f i t d ( i ( i ) t rm m ) t m ) t m ) t dm m ) sm( i m i Zeit fm ( i ( i H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

16 Agenda Migrationsstrategien 1 Einführung Situation und Motivation Ziel der Arbeit 2 Architektur und Konzept 3 Hintergrund FlexRay TTEthernet Unterschied zwischen FlexRay und TTEthernet Modellierung mit Task-Graphen 4 Migrationsstrategien Migration des statischen Segments Migration des dynamischen Segments 5 Zusammenfassung und Ausblick H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

17 Prozess Migration des statischen Segments FlexRay-System (ST-Anwendungen) TG_ST TPG_FR S_FR (S_STS) Task-Graphen der ST-Anwendungen übernehmen TG_TT TTEthernet-Topologie festlegen und Tasks auf die Prozessoren mappen TPG_TTE Nachrichten-Liste erzeugen (Algorithmus) ML Routen jeder TT- Nachricht festlegen R_M TTEthernet Time-Triggered-Schedule erzeugen (Algorithmus: Validiert den Schedule anhand der Dealines) S_TT Leere Menge ST-Anwendungen migrierbar ST-Anwendungen nicht migrierbar Migration des ST-Segments

18 Migrationsstrategien Schedule einer TT-Nachricht Migration des statischen Segments S TT (m) = (conf(m), t sm (m), t fm (m), t pm (m), N rep (m)) H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

19 TT-Nachrichten Scheduling(1) 1: procedure TTSchldErzeugen Require: TG TT TGm, TPG, R M, ML, S FR, S TT Ensure: S TT 2: T CC S FR.T CC S FR.N CC 3: Erstelle eine leere Menge S TT der TT-Nachrichten-Schedules 4: while ML do 5: sei m i die erste Nachricht aus ML 6: t pm (m i ) t dg (TG mi ), TG mi TG TT m i TG mi TCC 7: N rep (m i ) t pm (m i ) 8: Ermittele die Konflikt-Menge conf(m i ) der Nachricht m i 9: Slot ζ SW (m i ) + (2 T cp ) \* Slot-Länge berechnen *\ 10: if Existiert ein Zeitslot [t a, t b = t a + Slot )] : (t rm (m i ) t a ) (t b t dm (m i )) ( m k conf(m i ), (t b t sm (m k )) (t a t fm (m k ))) then 11: t sm (m i ) t a 12: t fm (m i ) t b 13: else 14: return \* Schedule nicht ausführbar *\ 15: end if

20 TT-Nachrichten Scheduling(1) 1: procedure TTSchldErzeugen Require: TG TT TGm, TPG, R M, ML, S FR, S TT Ensure: S TT 2: T CC S FR.T CC S FR.N CC 3: Erstelle eine leere Menge S TT der TT-Nachrichten-Schedules 4: while ML do 5: sei m i die erste Nachricht aus ML 6: t pm (m i ) t dg (TG mi ), TG mi TG TT m i TG mi TCC 7: N rep (m i ) t pm (m i ) 8: Ermittele die Konflikt-Menge conf(m i ) der Nachricht m i 9: Slot ζ SW (m i ) + (2 T cp ) \* Slot-Länge berechnen *\ 10: if Existiert ein Zeitslot [t a, t b = t a + Slot )] : (t rm (m i ) t a ) (t b t dm (m i )) ( m k conf(m i ), (t b t sm (m k )) (t a t fm (m k ))) then 11: t sm (m i ) t a 12: t fm (m i ) t b 13: else 14: return \* Schedule nicht ausführbar *\ 15: end if

21 TT-Nachrichten Scheduling(1) 1: procedure TTSchldErzeugen Require: TG TT TGm, TPG, R M, ML, S FR, S TT Ensure: S TT 2: T CC S FR.T CC S FR.N CC 3: Erstelle eine leere Menge S TT der TT-Nachrichten-Schedules 4: while ML do 5: sei m i die erste Nachricht aus ML 6: t pm (m i ) t dg (TG mi ), TG mi TG TT m i TG mi TCC 7: N rep (m i ) t pm (m i ) 8: Ermittele die Konflikt-Menge conf(m i ) der Nachricht m i 9: Slot ζ SW (m i ) + (2 T cp ) \* Slot-Länge berechnen *\ 10: if Existiert ein Zeitslot [t a, t b = t a + Slot )] : (t rm (m i ) t a ) (t b t dm (m i )) ( m k conf(m i ), (t b t sm (m k )) (t a t fm (m k ))) then 11: t sm (m i ) t a 12: t fm (m i ) t b 13: else 14: return \* Schedule nicht ausführbar *\ 15: end if

22 TT-Nachrichten Scheduling(1) 1: procedure TTSchldErzeugen Require: TG TT TGm, TPG, R M, ML, S FR, S TT Ensure: S TT 2: T CC S FR.T CC S FR.N CC 3: Erstelle eine leere Menge S TT der TT-Nachrichten-Schedules 4: while ML do 5: sei m i die erste Nachricht aus ML 6: t pm (m i ) t dg (TG mi ), TG mi TG TT m i TG mi TCC 7: N rep (m i ) t pm (m i ) 8: Ermittele die Konflikt-Menge conf(m i ) der Nachricht m i 9: Slot ζ SW (m i ) + (2 T cp ) \* Slot-Länge berechnen *\ 10: if Existiert ein Zeitslot [t a, t b = t a + Slot )] : (t rm (m i ) t a ) (t b t dm (m i )) ( m k conf(m i ), (t b t sm (m k )) (t a t fm (m k ))) then 11: t sm (m i ) t a 12: t fm (m i ) t b 13: else 14: return \* Schedule nicht ausführbar *\ 15: end if

23 TT-Nachrichten Scheduling(1) 1: procedure TTSchldErzeugen Require: TG TT TGm, TPG, R M, ML, S FR, S TT Ensure: S TT 2: T CC S FR.T CC S FR.N CC 3: Erstelle eine leere Menge S TT der TT-Nachrichten-Schedules 4: while ML do 5: sei m i die erste Nachricht aus ML 6: t pm (m i ) t dg (TG mi ), TG mi TG TT m i TG mi TCC 7: N rep (m i ) t pm (m i ) 8: Ermittele die Konflikt-Menge conf(m i ) der Nachricht m i 9: Slot ζ SW (m i ) + (2 T cp ) \* Slot-Länge berechnen *\ 10: if Existiert ein Zeitslot [t a, t b = t a + Slot )] : (t rm (m i ) t a ) (t b t dm (m i )) ( m k conf(m i ), (t b t sm (m k )) (t a t fm (m k ))) then 11: t sm (m i ) t a 12: t fm (m i ) t b 13: else 14: return \* Schedule nicht ausführbar *\ 15: end if

24 TT-Nachrichten Scheduling(2) 16: \* Die Intervalle für die Wiederholungen sollen auch frei sein. *\ 17: if N rep (m i ) > 0 then 18: k 1 19: while k N rep (m i ) do 20: T θ = t pm (m i ) k 21: if Existiert kein Zeitslot [t a, t b = t a + Slot )] : (t sm (m i ) + T θ t a ) (t b t fm (m i ) + T θ ) then 22: return \* Schedule nicht ausführbar *\ 23: end if 24: k k : end while 26: end if 27: S TT S TT {conf(m i ), t sm (m i ), t fm (m i ), t pm (m i ), N rep (m i )} 28: ML ML m i \* Lösche m i von ML *\ 29: end while 30: return S TT 31: end procedure

25 TT-Nachrichten Scheduling(2) \* Die Intervalle für die Wiederholungen sollen auch frei sein. *\ if N rep (m i ) > 0 then k 1 while k N rep (m i ) do T θ = t pm (m i ) k if Existiert kein Zeitslot [t a, t b = t a + Slot )] : (t sm (m i ) + T θ t a ) (t b t fm (m i ) + T θ ) then return \* Schedule nicht ausführbar *\ end if k k + 1 end while end if S TT S TT {conf(m i ), t sm (m i ), t fm (m i ), t pm (m i ), N rep (m i )} ML ML m i \* Lösche m i von ML *\ return S TT

26 TT-Nachrichten Scheduling(2) \* Die Intervalle für die Wiederholungen sollen auch frei sein. *\ if N rep (m i ) > 0 then k 1 while k N rep (m i ) do T θ = t pm (m i ) k if Existiert kein Zeitslot [t a, t b = t a + Slot )] : (t sm (m i ) + T θ t a ) (t b t fm (m i ) + T θ ) then return \* Schedule nicht ausführbar *\ end if k k + 1 end while end if S TT S TT {conf(m i ), t sm (m i ), t fm (m i ), t pm (m i ), N rep (m i )} ML ML m i \* Lösche m i von ML *\ return S TT

27 Fallstudie: Migration EPS- und TC-Anwendung: Task-Graphen (a) Electric power steering t1 (150) t2 (175) tsg ( TGEPS ) 0us t11 (200) (b) Traction control t12 (200) t13 (200) t14 (200) tsg ( TGTC ) 0us m1 (2) m1 m2 (2) m11 (2) m12 (2) m13 (2) m14 (2) t3 (300) t4 (250) t15 (150) t16 (300) t17 (175) m3 (1) m4 (2) m15 (2) m16 (2) m17 (1) t5 (150) t6 (100) tdg ( TGEPS ) 1500us t18 (400) m18 (2) m18 m18 m18 m18 t19 (150) t20 (150) t21 (150) t22 (150) t23 (200) tdg ( TGTC ) 3000us

28 Fallstudie: Migration EPS- und TC-Anwendung: Topologien FlexRay (10Mbit/s) TTEthernet (100Mbit/s) Left-front wheel speed [p1] (t13) Left-front Brake [p3] (t19) [p5] (t4) Hand-wheel angle [p7] (t1, t15) Hand-wheel motor [p9] (t6) Throttle actuator [p11] (t23) Accelerator [p13] (t17) Right-front wheel speed [p2] (t14) Right-front Brake [p4] (t20) [p6] (t16) [p8] (t3, t18) Steering rack force [p10] (t2) Steering rack motor [p12] (t5) Left-front wheel speed [p1] (t13) Left-front Brake [p3] (t19) [p5] (t4) Hand-wheel angle [p7] (t1, t15) Hand-wheel motor [p9] (t6) Throttle actuator [p11] (t23) TTEthernet Switch 1 [s1] Right-front wheel speed[p2] (t14) Right-front Brake [p4] (t20) [p6] (t16) [p8] (t3, t18) Steering rack force [p10] (t2) Steering rack motor [p12] (t5) Accelerator [p13] (t17) Left-rear wheel speed [p15] (t_11) Left-rear Brake [p17] (t_21) Right-rear wheel speed [p16] (t_12) Right-rear Brake [p18] (t_22) Left-rear wheel speed [p15] (t11) Left-rear Brake [p17] (t21) TTEthernet Switch 2 [s2] Right-rear wheel speed [p16] (t12) Right-rear Brake [18] (t22) Sensor ECU Aktuator

29 Fallstudie: Migration EPS- und TC-Anwendung: Routen und Konflikt-Nachrichten m i R mi conf(m i ) ζ SW (m i ) m 1 {{l [p7,s 1], l [s1,p 5]}, {m 2, m 15 } 15 {l [p7,s 1], l [s1,p 8]}} m 2 {l [p10,s 1], l [s1,p 5]} {m 1 } 15 m 11 {l [p15,s 2], l [s2,s 1], l [s1,p 6]} {m 12, m 13, m 14 } 25 m 12 {l [p16,s 2], l [s2,s 1], l [s1,p 6]} {m 11, m 13, m 14 } 25 m 13 {l [p1,s 1], l [s1,p 6]} {m 12, m 11, m 14 } 15 m 14 {l [p2,s 1], l [s1,p 6]} m 3 {l [p8,s 1], l [s1,p 12]} {m 18 } 15 m 4 {l [p5,s 1], l [s1,p 9]} m 15 {l [p7,s 1], l [s1,p 8]} {m 1, m 16, m 17 } 15 m 16 {l [p6,s 1], l [s1,p 8]} {m 1, m 15, m 17 } 15 m 17 {l [p13,s 1], l [s1,p 8]} {m 1, m 15, m 16 } 15 m 18 {{l [p8,s 1], l [s1,p 3]}, {l [p8,s 1], l [s1,p 4]}, {l [p8,s 1], l [s1,s 2], l [s2,p 18]}, {l [p8,s 1], l [s1,p 11]}} {m 3 } 25

30 Fallstudie: Migration EPS- und TC-Anwendung: Anforderungen und TT-Schedules m i t rm (m i ) t dm (m i ) t pm (m i ) N rep (m i ) t ms (m i ) t mf (m i ) m (1650) 185(1685) m (1685) 220(1720) m m m m m (2400) 935(2435) m (2350) 885(2385) m m m m

31 Migrationsstrategien Migration des dynamischen Segments Migration des dynamischen Segments Zwei Strategien 1 Abbildung von DYN-Nachrichten auf TT-Nachrichten 2 Abbildung von DYN-Nachrichten auf prioritätsbasierte RC-Nachrichten Validierung anhand der WCRTs der Nachrichten Es wird benötigt: Beschreibung des Schedules einer DYN- und RC-Nachrichten WCRTs von DYN-Nachrichten (R DYN (m)) WCRTs von RC-Nachrichten (R RC (m)) Nachrichten-Liste (ML) H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

32 Migrationsstrategien Migration des dynamischen Segments Migration des DYN-Segments: Strategie 2 1 RC-Schedule jede DYN-Nachricht berechnen (Algorithmus) Schedule einer DYN-Nachricht S DYN (m) = (mslot(m), bcc(m), CCRep(m), ltmslot(m)) Schedule einer RC-Nachricht S RC (m) = (CtId, T BAG, D max ) 2 WCRTs der DYN- und RC-Nachrichten berechnen (Gleichungen) 3 Ist die WCRT jeder RC-Nachricht kleiner als die ursprunliche DYN-Nachricht, dann sind die Anwendungen Migrierbar, sonst nicht. H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

33 Fallstudie: Migration DYN-Anwendungen (a) Driver Assistance (DA) (b) Diagnose (Diag) t_100 t_101 t_110 m_100 (254) m_101 (254) m_110 (30) m_110 (30) t_102 t_111 t_112 m_102 (10) m_111 (140) m_112 (150) t_103 t_113 t ( TG ) ms t ( TG ) ms dg DA 50 dg Diag 50 Task-Function (DA) t_100 (Send image) t_101 (Send image) t_102 (Interprete image) t_103 (Actuator) Task-Function (Diag) t_110 (Request diagnose data) t_111 (Send diagnose data) t_112 (Send diagnose data) t_112 (Interprete diagnose data)

34 Fallstudie: Migration DYN-Anwendungen DYN-Segment-Konfiguration T DYNS T MSlot N MSlot 600µs 6µs 100 Datenmengen und Übertragungszeiten m i d(m i )[Byte] ζ B (m i )[µs] m m m m m m DYN-Nachrichten-Schedules m i mslot(m i ) bcc(m i ) CCRep(m i ) ltmslot(m i ) m m m m m m

35 Fallstudie: Migration DYN-Anwendungen: Ergebnis erste Strategie TT-Schedule m i conf(m i ) t sm (m i )[µs] t fm (m i )[µs] N rep (m i ) m 100 {m 101 } m 101 {m 100 } m 102 {m 110 } m 110 {m 102 } m 111 {m 112 } m 112 {m 111 }

36 Fallstudie: Migration DYN-Anwendungen: Ergebnis zweite Strategie RC-Schedule m i CtID T BAG [µs] D max m m m m m m Worst-Case-Response-Times m i R DYN (m)[µs] R RC (m)[µs] m m m m 110 > m 111 > m 112 >

37 Agenda Zusammenfassung und Ausblick 1 Einführung Situation und Motivation Ziel der Arbeit 2 Architektur und Konzept 3 Hintergrund FlexRay TTEthernet Unterschied zwischen FlexRay und TTEthernet Modellierung mit Task-Graphen 4 Migrationsstrategien Migration des statischen Segments Migration des dynamischen Segments 5 Zusammenfassung und Ausblick H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

38 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ziel: Entwicklung eines analytischen Frameworks für die Migration eines FlexRay-Systemmodells nach einem TTEthernet-Systemmodells mit dem Fokus auf dem Kommunikationsmodell Migration des statischen Segments Migration des dynamischen Segments Fallstudien lieferte gute Ergebnisse Migration von FlexRay-Anwendungen nach TTEthernet-Anwendungen möglich H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

39 Ausblick Zusammenfassung und Ausblick Solide Basis für weiterführende Arbeiten Tool-Chain für die entwickelten Methoden Migration von anderen Protokollen, wie CAN und MOST, nach TTEthernet TTEthernet als Backbone H. Dieumo (Inf. HAW Hamburg) Migration von FlexRay nach TTEthernet 26. April / 34

40 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!