DE10191695B4 - Method and communication control unit for multimaster clock synchronization in a distributed real-time computer system - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Aufbau einer globalen Zeitbasis in einem verteilten Echtzeitcomputersystem bestehend aus einer Anzahl von Knotenrechnern (110, 120, 130, 140, 150), die über einen oder mehrere Broadcast Kommunikationskanäle (101) verbunden sind, wobei
• der lokale Oszillator eines Knotenrechners die Dauer eines Microticks (301) der lokalen Zeit eines Knotenrechners bestimmt,
• während eines a priori definierten Zeitintervalls ein ausgezeichneter Knotenrechner (110) die Rolle des aktiven Zeitmasters übernimmt,
• alle anderen Knotenrechner (120, 130, 140, 150) die Rolle eines Zeitslaves übernehmen,
• der aktive Zeitmaster (110) die einheitliche Macroticklänge (350) der globalen Zeit festlegt, und
• das Verhältnis Microtick zu Macrotick in jedem Knotenrechner unterschiedlich sein kann,
dadurch gekennzeichnet, dass
der aktive Zeitmaster (110) das Sendeereignis einer Synchronisationsnachricht, die in ihrem Datenfeld den Macrotick des globalen Synchronisationsereignisses enthält, so festlegt, dass das Zeitintervall zwischen dem globalen Synchronisationsereignis (412), das von allen korrekten Zeitslaves beobachtet werden...A method for establishing a global time base in a distributed real-time computer system comprising a number of node computers (110, 120, 130, 140, 150) connected via one or more broadcast communication channels (101), wherein
The local oscillator of a node computer determines the duration of a microtick (301) of the local time of a node computer,
During an a priori defined time interval, an excellent node computer (110) assumes the role of the active time master,
All other node computers (120, 130, 140, 150) assume the role of a time slave,
• the active time master (110) sets the uniform macro-tempo length (350) of the global time, and
The ratio of microtick to macrotick can be different in each node computer,
characterized in that
the active time master (110) determines the transmission event of a synchronization message containing in its data field the global synchronization event macro-tick so as to determine the time interval between the global synchronization event (412) observed by all the correct time slaves ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbau einer globalen Zeitbasis in einem verteilten Echtzeitcomputersystem bestehend aus einer Anzahl von Knotenrechnern die über einen oder mehrere Broadcast Kommunikationskanäle verbunden sind, wobei der lokale Oszillator eines Knotenrechners die Dauer eines Microticks der lokalen Zeit eines Knotenrechners bestimmt, während eines a priori definierten Zeitintervalls ein ausgezeichneter Knotenrechner die Rolle des aktiven Zeitmasters übernimmt, alle anderen Knotenrechner die Rolle eines Zeitslaves übernehmen, der aktive Zeitmaster die einheitliche Macroticklänge der globalen Zeit festlegt, und das Verhältnis Microtick zu Macrotick in jedem Knotenrechner unterschiedlich sein kann.The The invention relates to a method for establishing a global time base in a distributed real-time computer system consisting of a number from node computers over one or more broadcast communication channels are connected, wherein the local oscillator of a node computer the duration of a microtick the local time of a node computer determined during a a priori defined time interval an excellent node computer the role of the active time master takes over, all other node computers take on the role of a time slave, the active time master the uniform Macrotick length global time, and the ratio of microtick to macrotick may be different in each node computer.
In einem verteilten fehlertoleranten Echtzeitcomputersystem, bestehend aus einer Anzahl von Knotenrechnern die über ein Echtzeitkommunikationssystem verbunden sind, beispielsweise über ein CAN-Kommunikationsnetzwerk („Control Area Network"), müssen die Knotenrechner oft zeitlich koordinierte Aufgaben vornehmen. Um diese zeitliche Koordination der verteilten Aktionen zu erleichtern, ist es sinnvoll, eine systemweite globale Zeitbasis aufzubauen. Diese globale Zeit soll auch mit dem extern vorgegebenen Zeitstandard, der physikalischen Sekunde, abgestimmt sein. Eine effiziente Uhrensynchronisation von hoher Genauigkeit ist daher von großem wirtschaftlichen Wert.In a distributed fault tolerant real-time computer system consisting from a number of node computers via a real-time communication system are connected, for example via a CAN communication network ("Control Area Network"), the Node computers often perform temporally coordinated tasks. Around It is time-lapse coordination to facilitate the distributed actions makes sense to build a system-wide global time base. This global Time should also comply with the externally specified time standard, the physical one Second, be tuned. An efficient clock synchronization of high accuracy is therefore of great economic value.
Die
Die
Schließlich zeigt
die
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein effizientes Verfahren zum Aufbau einer globalen Zeitbasis sowie eine Kommunikationskontrolleinheit zu dessen Durchführung zu schaffen, womit eine systemweite, globale Zeit aufgebaut werden kann, welche auch mit einem externen Zeitstandard, wie der physikalischen Sekunde, abstimmbar ist.It It is an object of the invention to provide an efficient method of construction a global time base and a communication control unit for its implementation creating a system-wide, global time can, which also with an external time standard, like the physical second, is tunable.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs erwähnten Verfahren dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß der aktive Zeitmaster das Sendeereignis einer Synchronisationsnachricht, die in ihrem Datenfeld den Macrotick des globalen Synchronisationsereignisses enthält, so festlegt, dass das Zeitintervall zwischen dem globalen Synchronisationsereignis, das von allen korrekten Zeitslaves beobachtet werden kann, und dem Beginn des Macroticks, der im Datenfeld der Synchronisationsnachricht angegeben ist, a priori bekannt ist.These The object is achieved by the method mentioned in the fact that According to the invention, the active Time master the send event of a synchronization message, the in their data field, the macrotick of the global synchronization event contains so that the time interval between the global synchronization event, the can be observed from all correct time slaves, and the beginning the macro key specified in the data field of the synchronization message, a priori is known.
Das
hier vorgeschlagene Verfahren zur Uhrensynchronisation in einem
verteilten Echtzeitcomputersystem baut auf dem US-Patent
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments of the method according to the invention are the dependent claims refer to.
Das vorab beschriebene Ziel und andere neue Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden in der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigtThe previously described objective and other novel features of the present invention Invention will be explained in more detail in the drawing. In this shows
Im folgenden Abschnitt wird eine Realisierung des neuen Verfahrens an einem Beispiel mit fünf Knotenrechnern, die über einen gemeinsamen Bus kommunizieren, gezeigt. Die Objekte in den Abbildungen sind so nummeriert, dass die erste der dreistelligen Objektziffern immer die Bildnummer angibt.in the following section will be a realization of the new procedure on an example with five node computers, the above communicate a common bus, shown. The objects in the Illustrations are numbered so that the first of the three-digit Object numbers always indicates the picture number.
Die
Weiters
zeigt die
Die
In
der
Bei
der in
Da
im Slaveknoten das Ende der Synchronisationsnachricht
In
einer anderen Realisierung kann auch der Beginn des Sendens oder
der Beginn des Empfangs einer Nachricht als globales Synchronisationsereignis
Da
in CAN-Systemen die Bit-Länge
einer Nachricht, auch die der Synchronisationsnachricht, vom Dateninhalt
abhängt,
muss der Zeitmaster nach Festlegung des globalen Synchronisationsereignisses
(ausgedrückt
in globalen Macroticks) die exakte Länge der Synchronisationsnachricht,
ausgedrückt
in lokalen Microticks des Masters, berechnen und unter Berücksichtigung
der bekannten Übertragungsgeschwindigkeit
des Masters den Sendezeitpunkt
Schließlich ist
in
Nach
dem Eintreffen einer Synchronisationsnachricht beim Slave errechnet
sich der Slave die Abweichung zwischen der Uhr des Masters und dem
lokalen Zeitzählers
des Slaves nach folgender Formel
Diese
Abweichung wird nun dazu verwendet, die Microtick/Macrotick Relation
MMR zu korrigieren. Damit wird erreicht, dass sich die Driftrate
des Slaves an die Driftrate des Masters anpasst. Der neue Wert dieser
Relation new.MMR ergibt sich zu
Mit dem vorgeschlagenen Synchronisationsverfahren lassen sich folgende Präzision und Macrotickgranularität realisieren:
- • Angenommen die Microtickgranularität des Masters und des Slaves liegen bei einer μsec, ebenso der Latency Jitter in der Interruptbehandlung von Master und Slave. Dann beträgt die Konvergenzfunktion (Kopetz, p. 59) 4 μsec.
- • Angenommen die Abweichung der Driftrate zwischen Master und Slave beträgt nach einer Initialisierungsphase, in der sich die MMRs der Slaves an den Master adaptiert haben, 10–5 und die Synchronisationsperiode ist 100 msec. Dann ist der Drift-offset 1 μsec, womit sich die Präzision zu 5 μsec ergibt. In einem solchen System ist es sinnvoll, für die Granularität eines Macroticks ein Intervall von 2–17 Sekunden, das sind ca 8 μsec, zu wählen.
- • Suppose the microtick granularity of the master and the slave is one μsec, as well as the latency jitter in the interrupt handling of master and slave. Then the convergence function (Kopetz, p.59) is 4 μsec.
- • Assuming that the drift rate deviation between master and slave is 10 -5 and the synchronization period is 100 msec after an initialization phase in which the slaves' MMRs have adapted to the master. Then the drift offset is 1 μsec, which results in the precision of 5 μsec. In such a system, it makes sense to choose an interval of 2 -17 seconds, which is about 8 μsec, for the granularity of a macrotick.
Wenn eine kleinere Granularität der Mikroticks und eine Reduzierung des Interruptjitter durch Hardwaremechanismen erreicht werden, lässt sich die Präzision und damit die Makrotickgranularität wesentlich reduzieren, sogar in den Bereich unter einer Mikrosekunde.If a smaller granularity the microticks and a reduction of the interrupt jitter by hardware mechanisms can be achieved, can be the precision and thus significantly reduce macrotick granularity, even in the range under a microsecond.
Das vorgestellte Verfahren zur Synchronisation der Uhren in einem verteilten Computersystem lässt sich sowohl in Software wie auch in Hardware realisieren. Es stellt eine einfache und wirtschaftliche neue Methode zum Aufbau einer globalen Zeit dar.The presented method for synchronizing the clocks in a distributed Computer system leaves to realize themselves both in software as well as in hardware. It puts a simple and economical new way to build a global time.
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