Сетевые технологии в системах реального времени

    Набор команд протокола описывает функции:

·         чтение/запись битов и битовых последовательностей;

·         чтение/запись регистров;

·         функции диагностики;

·         программные функции;

·         функции управления списком опроса;

·         функция сброса (RESET).

    Протокол  MODBUS можно назвать наиболее распространенным в мире. Для работы со своими изделиями его используют десятки фирм: он привлекает простотой логики и независимостью от типа интерфейса. 

1.4. Протокол промышленной сети World-FIP

    Этот  протокол является результатом коллективных усилий ряда европейских компаний (в  основном, Франции, Бельгии и Италии) как некое альтернативное решение, предлагаемое американским рынком промышленных сетей. Протокол FIP (The Factory Information Protocol) нацелен на высокие скорости передачи и строго определенные интервалы обновления данных.

    Протокол  имеет гибридный централизованный/децентрализованный контроль за шиной, основанный на принципе широкого вещания (broadcast). Контроль осуществляется со стороны центрального узла сети (central unit), называемого Арбитром. Основной поток данных организован как набор отдельных переменных, каждая из которых идентифицирована своим именем. Любая переменная, обработанная в одном узле-передатчике, может быть прочитана любым числом узлов-приемников. Использование режима широкого вещания избавляет от процесса присваивания каждому устройству уникального сетевого адреса.

    Каждый  узел (участник) на шине полностью автономен. Все узлы должны уметь получать предназначенные  для них переменные.

    Шинный  арбитр имеет три рабочих цикла. Продолжительность каждого цикла  устанавливается самим пользователем. Эти три цикла выглядят следующим  образом:

     1. Циклический трафик.

    В этом случае арбитр сети имеет таблицу  циклического опроса, состоящую из поименованных переменных. Порядок  опроса устанавливается в соответствии с этой таблицей. Если какая-либо переменная должна опрашиваться чаще остальных, то она должна быть упомянута в этой таблице кратное числу опросов  раз. Арбитр имеет доступ более чем  к одной таблице опроса, но только одна из них может иметь активный статус. В конце цикла эта таблица  может быть модифицирована. Такой  трафик применяется в приложениях, ориентированных на пакетную обработку  данных.

     2. Периодический трафик.

    В этом случае шинный арбитр обращается к отдельным переменным из каждого  узла сети по запросу. Запросы на работу с переменными генерируются во время  циклического трафика.

     3. Обслуживание сообщений.

    Арбитр  предоставляет право на передачу любому устройству сети, запросившему эту функцию во время циклического графика. Получив это право, устройство может передать свое сообщение (с  подтверждением или без) одному или  всем устройствам на шине.

    Функции управления некоторым процессом  могут быть распределены на шине между  различными устройствами. Это возможно потому, что, с одной стороны, все "приемники" принимают одинаковые переменные одновременно, а с другой – время обновления данных и их передача подчиняются строгому контролю. То есть, основу FIP составляет так называемая "База данных реального времени".

    FIP-протокол описывается стандартом UTE46 (Франция). Он полностью специфицирован на уровнях 1, 2 и 7.

    ·  7-ой уровень (Application Layer): NF C46-602, NF C46-606

    ·  2-ой уровень (Data Link Layer): NF C46-603

    ·  1-ый уровень (Physical Layer): IEC 1158-2

    В качестве среды передачи используется витая пара или оптоволокно.

    Программное обеспечение реализовано под  операционные системы MS DOS и OS-9. 

1.5. Сетевой стандарт CAN

1.5.1. Принципы построения

    Сеть  CAN (Controller Area Network) была разработана в Германии компанией Robert Bosh GmbH для автомобильной промышленности, когда возникла необходимость (в конце 80-ых годов прошлого века) в управлении разраставшейся электропроводкой автомобиля. Эта задача была решена путём использования недорогой последовательной сетевой структуры. В настоящее время сети CAN активно применяются и за пределами автомобильной промышленности – от стиральных машин до ракет.

    Мировое признание сетей CAN закреплено в международном стандарте ISO11898. Стандарт определяет протоколы физического уровня и двух подуровней канального: доступа к среде передачи и управления информационным каналом.

    Сеть  CAN предназначена для сбора информации и управления в реальном масштабе времени. Топология сети – шинная. Узел сети состоит из CAN-контроллера, который обеспечивает взаимодействие с сетью, и вычислителя (обслуживающего процессора). Число узлов, подключаемых к шине, протоколом не лимитируется. Практически такое ограничение налагается задержкой передачи или предельной нагрузкой на канал. Максимальное расстояние между узлами 1 км.

    Физический  уровень определяет, как именно будут  передаваться сигналы, их электрические  уровни и скорость передачи. Скорость передачи данных по шине определяется её длиной: чем длиннее шина, тем  меньше скорость передачи. Максимальная скорость передачи – 1 Мбит/с при  длине шины 60 м.

    Канальный уровень отвечает за синхронизацию, арбитраж, доступ к шине, разделение сообщений на кадры, определение  и передачу ошибок.

    Протоколом  доступа к среде передачи определена технология множественного (случайного) доступа с проверкой несущей  и разрешением конфликтов. Возможные  конфликты, связанные с одновременным  запросом шины, разрешаются на основе приоритетности сообщений – право  на работу с шиной получает тот  узел, который передаёт сообщение  с наивысшим приоритетом. Разрешение конфликтов производится аппаратурой  по принципу побитового сравнения сетевых  адресов конфликтующих устройств.

    В CAN-протоколе определены следующие типы кадров:

·         кадр данных, переносит данные от отправителя к получателю;

·         кадр удалённого запроса, запрашивает передачу определённого кадра данных;

·         кадр сообщения об ошибке, вызывает повторную передачу;

·         кадр уведомления о перегрузке канала, требует дополнительной задержки между передачей кадров.

    Последние два кадра являются служебными.

   Рассмотрим  формат кадров данных и удалённого запроса (рис.2.).  
 

Рис.2. Формат CAN-кадра 

    Кадр  состоит из стартового поля SOF (Start of Frame), поля арбитража, поля управления, поля данных, контрольной суммы CRC, поля отклика АСК, конца кадра EOF и межкадрового интервала.

    Поле  SOF содержит один бит (логический ноль). Поле арбитража содержит 11 бит идентификатора и завершается битом RTR (Remote Transmission Request) удалённого запроса передачи. В информационном кадре бит RTR=0, для кадра удалённого запроса бит RTR=1. Идентификатор предназначен для адресации сообщений и используется механизмом арбитража.

    Поле  управления содержит 6 бит. Четыре бита DLC (Data Length Code) показывают количество байтов в поле данных, биты R0 и R1 зарезервированы для будущего использования.

    Поле  данных содержит передаваемые данные, количество передаваемых байт данных указывается в поле DLC. Максимальный размер поля данных 8 байт.

    Циклическая контрольная сумма (CRC) вычисляется на основании образующего полинома

g(x)=x¹⁵+x¹⁴+x¹⁰+x⁸+x⁷+x⁴+x³+1.   

    Поле  отклика АСК содержит 2 бита, первый из которых первоначально имеет уровень логической единицы, а узлы-получатели меняют его значение на логический ноль. Тем самым отправителю сообщается, что передача прошла успешна. Второй бит поля АСК всегда имеет уровень логической единицы.

    Поле  конца кадра EOF (End of Frame) содержит семь единичных бит. За этим полем следует межкадровый интервал из трёх единичных бит, после чего может следовать очередной кадр.

    Кадр  удалённого запроса аналогичен по структуре  кадру данных, но не имеет поля данных. Эти кадры имеют специальное  назначение: посылая кадр запроса  в сеть, его отправитель требует  передачи кадра данных с тем же идентификатором, который он установил  в кадре запроса. Кадры RTR предназначены для быстрого получения нечасто используемых данных.

    Передачу  по шине "слышат" все узлы. Когда  шина свободна от передачи, узел может  начать передавать. Если два или  больше узла начинают передавать в  одно и то же  время, конфликт разрешается при помощи неразрушающего побитового алгоритма арбитража, использующего поле арбитража (см. рис. 6.2). Каждый передающий узел сравнивает бит, который он выставил на шину, с битом, который пытается передать конкурирующий узел. Доминирующий уровень – логический ноль (активный бит). Одновременная передача бита с доминирующим уровнем и бита с рецессивным уровнем (логическая единица, пассивный бит) даёт в результате уровень логического нуля.

    В течение передачи поля арбитража  каждый передатчик контролирует текущий  уровень на шине и сравнивает его  с битом, который он выставил на шину. Если значения равны, узел продолжает передачу. Если узлом был передан  пассивный бит, а на шине обнаружен  уровень логического ноля, то данный узел понимает, что конфликтует и  теряет право передачи, поэтому он прекращает передачу последующих данных (рис.3.). Узел, который потерял шину, может сделать новую попытку передачи, когда текущая передача завершится. Если одновременно начнётся передача кадра данных и запроса в равными идентификаторами, то предпочтение будет отдано кадру данных, так как бит RTR входит в поле арбитража.  

поле  арбитража

 

   

 
                            

 Передача 1-го узла – 100110110110                            

 Передача  2-го узла – 10010111…

момент прекращения  передачи

 

 

 
  

                           Результат                    100110110110              

 

Рис. 3. Разрешение конфликта по CAN-протоколу 

    Механизм  арбитража гарантирует, что ни информация, ни время не будут потеряны. Хотя конфликты и возникают, но решаются предсказуемо и в предсказуемое  время. Именно это позволило CAN-протоколу занять достойное место в различных отраслях.

    Код арбитража одновременно является идентификатором  кадра – определяет назначение передаваемых данных (то есть кому они предназначены). Идентификатор с самым низким числовым значением выигрывает арбитраж, следовательно, идентификатор определяет приоритет передаваемых данных. Значение идентификатора определяется передаваемым сообщением и задаётся на фазе инициализации  сети. Разработчик системы может  влиять на приоритет сообщений с  тем, чтобы самые важные из них  не ожидали в очереди на отправку. Это свойство CAN позволяет строить сети, поддерживающие реальное время.

    Каждый  узел сети на основании идентификатора передаваемых данных, решает, получать или нет это сообщение. Адрес  назначения устанавливается в приёмнике  CAN-контроллера путём настойки входных фильтров соответствующих микросхем. Любое сообщение, которое проходит через входные фильтры, должно быть обработано обслуживающим процессором данного CAN-контроллера. Микросхемы, поддерживающие CAN-протокол, могут иметь одиночный фильтр (настроенный на приём единственного идентификатора) или многократные фильтры. В связи с этим передача данных по шине может быть воспринята одним узлом, группой узлов, всеми узлами или вообще не воспринята.

    CAN – это протокол, ориентированный на использование в условиях помех, в связи с чем CAN-сеть обладает высокой помехозащищённостью. CAN-протокол обеспечивает механизмы обнаружения следующих типов ошибок.