分散制御用リアルタイム通信規格：

Responsive Link
慶應義塾大学理工学部情報工学科
山﨑信行
E-mail: [email protected]
URL: http://www.ny.ics.keio.ac.jp/
センサやアクチュエータが空間的に広く配置
1CPUでは制御や処理ができない大規模システム
フォールトトレラントシステム等

リアルタイム性
自動車における分散制御の例

国立国語研究所：即時、同時進行
20～30個のプロセッサによって制御
通信リンクの総延長：2～3km
通信リンクのプロトコル：各社ごとに作りこ
み（ヨーロッパ車はCANが多い）

標準化の必要性
速い、すぐに等の意味はない

データのコピーの例(1/2)
ネットワークを介してノードAからノードBにデー
タのコピーを行う
ノンリアルタイムシステム
真：コピーされたデータの中身（バイト列）がコピー
元と同一
偽：コピーされたデータの中身（バイト列）がコピー
元と不一致
ある処理の真偽が、その処理の結果だけで
はなく、その処理の時間にも依存する性質
狭義には、その処理が時間制約（デッドライ
ン）を守る必要がある性質
データのコピーの例(2/2)
ネットワークを介してノードAからノードBにデー
タのコピーを行う。その際、1msec以内にコピー
という時間制約が与えられたとする。
リアルタイムシステム
真：コピーされたデータの中身（バイト列）がコピー
元と同一かつコピーが1msec以内に終了
偽：コピーされたデータの中身（バイト列）がコピー
元と同一かつコピーが1msec以上かかって終了
偽：コピーされたデータの中身（バイト列）がコピー
元と不一致
1
リアルタイム性の種別
ハード／ソフト・リアルタイムの例

ハードリアルタイム：必ず時間制約を守る性質
（時間制約を破ると価値が0になる。システム
に損害を与える可能性も。）
ソフトリアルタイム：時間制約を多少破ることを
許容する性質（時間制約を破っても価値は0に
ならない。システムに損害を与えることはな
い。）
ハードリアルタイムの例

センサ・アクチュエータ・モデル

リアルタイム性が損なわれるとアクチュエータの制御が
できない
リプル→制御不能→事故
ソフトリアルタイムの例

MPEGのデコード

リアルタイム性が損なわれると品質が低下

リアルタイム・スケジューリング

リアルタイム処理は基本的にRT-OSのス
ケジューラによって制御

EDF (Earliest Deadline First)
RM (Rate Monotonic)
…
Earliest Deadline First (EDF)

Deadlineを優先度として使用

最大プロセッサ利用率 U
U =１
Domino Effect
Rate Monotonic (RM)

周期を優先度として使用

Shorter the period, higher the priority
優先度は固定
最適スケジューリング法

Release time
Earlier the deadline, higher the priority
優先度は動的に変化
最適スケジューリング法

EDFスケジューリングの例
ブロックノイズの発生
動画と音声の同期がとれない
動画の動きが不自然等
最大プロセッサ利用率 U
U = n(2^1/2-1)
平均 ln 2 = 0.69
Deadline
2
RMスケジューリングの例
リアルタイム通信
ソフトリアルタイム通信

デッドラインを多少破ってもOK
主にマルチメディアデータ(動画や音声等)の送受信
等に利用
バンド幅保証によって実現可能
スループットを上げたい

ハードリアルタイム通信

デッドラインの厳守
レイテンシ保証
主にイベント伝達(同期、割込み、制御コマンド等)に
利用
レイテンシを小さくしたい

Release time
Deadline
従来のリアルタイム通信規格
アイソクロナス転送(IEEE1394の例)
IEEE-1394 (FireWire, iLink, DV)

USB2.0
ソフトリアルタイム（アイソクロナス転送）
アイソクロナスモードでのエラー処理なし
集中制御：低いロバスト性

最大接続ノード数が少ない

IEEE-1394:63, USB: 127
トポロジーが固定（1394:スター、USB:ツリー）

IEEE1394のアイソクロナス転送
125μs
125μs
アイソクロナス領域
max 100μs
（転送量により変動）
ch4 ch1
ch3 ch2
サイクル開始
パケット

アイソクロナスリソースマネージャーからチャネル番号と帯域
幅を取得
送信側ノードが取得したチャネル番号で送信する様に設定
受信側ノード（複数可)が取得したチャネル番号で受信するよ
うに設定
準備が終わると転送が開始され、サイクル開始パケッ
ト受信毎(125μs毎)に一回のみ送信が許可
IEEE1394の非同期転送
125μs
アイソクロナス領域
アイソクロナス領域に
複数チャネルで転送
一定周期(125μs)毎にデータを送受信する転送方式
一定周期を保つためにサイクルマスタが必要
アイソクロナスパケットには、転送先のＩＤは付与されて
おらず、チャネル番号が付与
転送を開始する前の手続き
125μs
アイソクロナス領域非同期領域
アイソクロナス領域
時間
時間
平等区間
送信を試みるノードが１回ずつ送信
平等区間
調停リセットギャップ
3
リアルタイム通信に必要な機能
リアルタイム通信におけるトレードオフ
ソフトリアルタイム通信：バンド幅保証
スループットを上げたい
ハードリアルタイム通信：レイテンシ保証
レイテンシを小さくしたい

Release time
Deadline
パケットサイズ
大
小
スループット
大
小
レイテンシ
大
小
通信の追い越し機能が必要
Responsive Link

sync
sound sync
signal
Shared traffic
データとイベントの独立したルーティング
優先度：256レベル
追越機能付ネットワークスイッチ (高い優先度のパケットが
ノード毎に低い優先度のパケットを追越)
優先度の付け替え (パケットの優先度はノード毎に新優先度
に付け替え可能)
同じネットワークアドレスを持つパケットの経路を優先度に
よって別々に設定及び変更可能（専用回線や迂回路の実現）
indefinite latency
and throughput
sync interrupt status open
signal connect
前方エラー訂正
リンク速度可変: 800～12.5 [Mbps/link]
トポロジーフリーなPoint-to-point通信
標準化

image
ハードウェアルーティング

イベントとデータの分離
データとイベントの分離
固定パケットサイズ：64Bデータ, 16Bイベント
フルデュプレックス差動型インタフェース
Event link
Low Latency
image
sound
voice
table
国内：情報処理学会試行標準WG6
国際：ISO/IEC JTC1 SC25 WG4
データリンク
用途：ソフトリアルタイム通信の実現

動画・音声などのマルチメディアデータの転送

通常のデータ転送

スループット重視
Point-to-point
パケットサイズ：比較的大きく固定(64B)
優先度によりノードごとにパケットの追越可能
text
Data link
High Throughput
Resp
イベントリンク
用途：レイテンシ保証のハードリアルタイム通信

割り込み

同期

制御系、コマンド系の通信

レイテンシ重視
Point-to-point
パケットサイズ：小さく固定(16B)
データパスとイベントパスが分離
イベントパケットの量：普通のデータと比較して非常に少ない
優先度によりノードごとにパケットの追越可能

4
Data Packet Format (64B)
パケット
フォーマット
Source Addr.
Event Packet Format (16B)
Source Addr.
Destination Addr.
Destination Addr.
レスポンシブリンクインタフェース
Payload
Control & Status
Responsive Link Connector
Payload
Responsive Link Cable
Tx Data+
Tx DataRx Data+
Data Link
Rx DataControl & Status
Tx Event+
1 byte
Control & Status Format (32bits)
1 bit
0
UD
Full
Tx Event-
Data Length
1
Dirty0
Dirty1
Dirty2
2
Dirty8
Dirty9
Dirty10 Dirty11 Dirty12 Dirty13 Dirty14 Dirty15
3
Start
End
Int.
Dirty3
Fatal
Dirty4
Correct
Dirty5
Dirty6
Dirty7
Rx Event+
Rx Event-
Frame Format (12bits)
Data bits
Redundancy bits
追越機能付ネットワークスイッチ
ルーティングテーブル
Priority[7-4]
Src Addr(16b)
Event Link
Serial Number (Cnt.)
Priority[3-0]
優先度に応じたルーティング
EE P[7-4]
Dtn Addr(16b)
DE
追越バッファの制御
PE L3 L1
P[3-0] L4 L2 L0
Data (Priority0)
Source
Data (Priority1)
Reference Referent
Event (Priority2)
同じソースとデスティネーションでもプライオリティごとに異
なる経路設定が可能（デフォルトルートはプライオリティ0)

Event (Priority0)
Destination
ノードごとにプライオリティの付け替えが可能
5
低レベル・データ／イベント通信
優先度によるルーティング
ノード０
データ
（優先度0）
ノード２
ノード１
ノード３
送信先
７
８
ノード４
９
１０
Forward Error Correction(FEC)
巡回ハミング符号
8bitデータ＋4bit冗長符号
Bit stuffing
NRZI(Non Return to Zero Inverted)
DPLL(Digital Phase-Lock-Loop)
同期フレーム(Setup Pattern)
リンク速度可変：800Mbaud, 400Mbaud, 200Mbaud,
100Mbaud, 50Mbaud, 25Mbaud, 12.5Mbaud
信号インタフェース：P-CML(LVTTL, ECL), LVDS

送信元
データ
（優先度3）
ノード５
１１
１２
ノード６
１３
１４
前方エラー訂正(FEC)
レイテンシを低く抑えるためにbyte単位で
エラー訂正

1byte(8bit)のバイト列を1frame(12bit)へ
変換（8bitの情報ビット列に誤り訂正用の
4bitの冗長ビット列）
Bit Stuffing
転送データ中に5つの連続した1：
直後に0を挿入
直流成分発生の回避

受信側のビット同期への支障回避

ハミング符号

生成多項式：x4+x+1

NRZI
(Non Return to Zero Inverted)
0を送信時：データビットを反転

1を送信時：データビットを維持

DPLL (Digital Phase Lock Loop)
DPLLの基準クロック: 1,600MHz

サンプリングレート: 4, 8, 16, 32, 64

6
Responsive Linkの標準化
Setup Pattern

情報処理学会試行標準ITSJ-TS 0006:2003

000001111110

http://www.itscj.ipsj.or.jp/ipsj-ts/02-06/toc.htm
ISO/IEC JTC1 SC25 WG4 Responsive Link SG
Bit stuffingの規則に外れるパターン
情報処理学会試行標準WG6参加団体：松下電器（株）、三菱
電機（株）、富士通（株）、（株）日立製作所、（株）東芝、産業
技術総合研究所、慶應義塾大学、九州大学

レスポンシブリンクのフレーム同期

ISO/IEC JTC1 SC25 WG4参加団体：NTT、沖電気工業
（株）、横河電機（株）、三菱電機（株）、富士通（株）、松下
通信工業（株）、（株）東芝、（株）日立製作所、ソニー（株）、
日本電気（株）、産業技術総合研究所、日本ユニシス（株）、
（株）ビクターデータシステムズ、（財）日本規格協会、住友
電気工業（株）
Responsive Processor
Responsive Processorの機能

用途：Home Automation, Factory Automation, 各種ロボット
等の様々な並列分散リアルタイム制御

プロセッシングコア(SPARC V8E互換)

Responsive Link（リアルタイム通信）
コンピュータ用周辺(SDRAM I/F, DMAC, PCI, USB,
Timers/Counters, SIO, PIO, …)

制御用周辺(ADC, DAC, PWM Generators, Pulse Counters, ...)
並列分散リアルタイム制御に必要な機能を1チップに集積
System-on-a-chip

任意のトポロジで複数結合

様々な制御システムを容易に構築可能に

Processing Core (SPARC V8E互換 100MHz)
Power Management Unit (100, 80, 60, 40, 20 [MHz],
Sleep)
MMU (64way)
Responsive Links (4 links, 200, 100, 50, 25 [MHz])
DMAC (4channels, Bus swapping, Bus sizing)
SDRAM I/F (2channels, 100MHz)
PCI I/F (Master/Target)
USB I/F (Function, Hub)
PWM Generators (50MHz, 9channels)
Pulse Counters (24bit, 9channels)
Timers/Counters (16bit, 4channels)
Real-Time Clock
A/D Converters (10bit, 8channels)
D/A Converters (8bit, 2channels)
Interrupt Controllers (43channels)
SIO (RS-232C, 2channels)
PIO (16bit), ...
Responsive Link
プロセスルール

Fabrication: Fujitsu
Process：0.35μm, CMOS, 4 layered metal
Usable gates : 2,378 k gates
Die size :14.5 mm x 14.5mm = 210mm2
Package : 416pin BGA (40mm x 40mm)
Voltage : 3.3V
Max. power : 2W
Routing Table
レイアウト
Overtaking Buffer for Data
Overtaking Buffer for Event
MMU
DMAC
Communication Buffer (DPM)
SDRAM I/F
I/O Controller
(IRC, SIO, PIO, Timer,
Counter,PWM,etc.)
PCI
USB
SPARClite
ADC,DAC
7
Responsive Multi-Threaded (RMT)
Processor

細粒度マルチスレッディング機構

柔軟なベクトル演算ユニット(Int, FP)
複数スレッドによるベクトルレジスタの共有
コンテキストキャッシュ
リアルタイム通信機構：Responsive Link II
コンピュータ用I/O

8スレッド同時実行
優先度(256レベル)によるスレッド制御機構
割り込みによるスレッド制御機構
マルチメディア演算ユニット

RMT Processor レイアウト
リアルタイム処理プロセッシングユニット
プロセス：TSMC 0.13μm,
CMOS, 8層, 銅配線
ゲート数: 14M gates
ダイサイズ:10.0 mm x
10.0mm = 100mm2
消費電力: 0.1～8W
パッケージサイズ: 4.0cm x
4.0cm
PCI-X
USB 2.0
IEEE-1394
RS-232C, etc.

32bit Scalar Integer
64bit Scalar Floating Point
Vector Integer

1.2GIPS
600MFLOPS

Context
Cache (RF)

Context
Cache
(Status)

Max. 8W

1way : 400 (Mbps/link)
1pair : 1.6 (Gbps/link)
Parallel Link:

64bit: 4.8GFLOPS
32bit: 9.6GFLOPS
演算性能：約5倍
消費電力：約1/10
Data Cache
Serial Link

9.6GIPS
19.2GIPS
38.4GIPS
76.8GIPS
消費電力
Vector
Register
(FP)
Responsive Linkのピーク性能
Pentium4(3GHz)との性能比較

Responsive Link
DDR SDRAM I/F
Vector Floating Point

64bit:
32bit:
16bit:
8bit:
DMAC
Vector
Register
(Integer)
PWM Generator
Pulse Counter, etc.
300MHz時

RMT PU
PLL
RMT PUのピーク性能

IEEE1394
Instruction
Cache
制御用I/O