Bài giảng Hệ thống thông tin công nghiệp - Chương 4.3: Kiểm soát truy nhập bus

Hệ thống

thông tin công nghiệp

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

1/20/2006

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

1. Vấn ₫ề kiểm soát truy nhập bus

2. Phương pháp Master/Slave

3. Phương pháp Token Passing

4. Phương pháp TDMA

5. Phương pháp CSMA/CD

6. Phương pháp CSMA/CA

2

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

1. Vấn ₫ề kiểm soát truy nhập bus

Kiểm soát truy nhập bus (Bus access control, Medium

Access Control): Phân chia thời gian truy nhập ₫ường

truyền (gửi tín hiệu ₫i)

Phương pháp kiểm soát truy nhập bus ảnh hưởng tới:

— ₫ộ tin cậy

— tính năng thời gian thực

— hiệu suất sử dụng ₫ường truyền

Phương pháp kiểm soát truy nhập bus liên quan chặt

chẽ tới, nhưng không ₫ồng nghĩa với cơ chế giao tiếp.

So sánh ví dụ: Làm thế nào ₫ể trong một cuộc họp ₫ể

khi một người nói thì những người khác không chen

vào?

3

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

Phân loại phương pháp

Ph−¬ng ph¸p

truy nhËp bus

Truy nhËp ngÉu nhiªn

Truy nhËp tiÒn ®Þnh

KiÓm so¸t tËp trung KiÓmso¸t ph©n t¸n

NhËn biÕt xung ®ét

CSMA/CD

Tr¸nh xung ®ét

Master/Slave

Token Passing

CSMA/CA

TDMA

4

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

2. Phương pháp chủ/tớ (Master/Slave)

Master

Slave

Vai trò của trạm chủ:

— Kiểm soát hoàn toàn giao tiếp trong hệ thống, hoặc

— Chỉ ₫óng vai trò phân chia quyền truy nhập bus

5

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm

Ưu ₫iểm:

— Tiền ₫ịnh

— Đơn giản, ₫ỡ tốn kém

— Trí tuệ tập trung tại một trạm chủ

Nhược ₫iểm

— Độ tin cậy phụ thuộc vào một trạm duy nhất

— Hiệu suất trao ₫ổi dữ liệu giữa hai trạm tớ thấp

Ứng dụng chủ yếu

— phổ biến trong các hệ thống bus cấp thấp (bus trường

hay bus thiết bị)

— trao ₫ổi thông tin hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ là

thiết bị ₫iều khiển và các trạm tớ là thiết bị trường hoặc

các module vào/ra phân tán.

6

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

Biểu ₫ồ trình tự giao tiếp

Master

Slave 1

Slave 2

1: receive_request

2: send_request

3: send_data

4: send_completed

5: receive_completed

7

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

3. Token Passing

Tr¹m 2

Token

Tr¹m 1

Tr¹m 2

Tr¹m 3

Tr¹m 1

Token

Tr¹m 3

Tr¹m 4

Tr¹m 6

Tr¹m 5

Tr¹m 4

Tr¹m 6

Tr¹m 5

Token Bus

Token Ring

8

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

Token?

Một bức ₫iện rất ngắn, có cấu trúc ₫ặc biệt

Ví dụ:

Start

Delimiter

Destination

Address

Source

Address

End

Delimiter

9

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

Vấn ₫ề kiểm soát Token

Giám sát token: Nếu do một lỗi nào ₫ó mà token bị mất

hoặc gia bội, cần phải thông báo xóa các token cũ và

tạo một token mới.

Khởi tạo token: Sau khi khởi ₫ộng một trạm ₫ược chỉ

₫ịnh có trách nhiệm tạo một token mới.

Tách trạm ra khỏi mạch vòng logic: Một trạm có sự cố

phải ₫ược phát hiện và tách ra khỏi trình tự ₫ược

nhận token.

Bổ sung trạm mới: Một trạm mới ₫ược kết nố i mạng,

một trạm cũ ₫ược thay thế hoặc ₫ưa trở lại sử dụng

phải ₫ược bổ sung vào mạch vòng logic ₫ể có quyền

nhận token.

10

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm

Ưu ₫iểm:

— Tiền ₫ịnh

— Độ tin cậy cao hơn nhờ vai trò bình ₫ẳng

— Phù hợp cho nhiều cơ chế giao tiếp khác nhau

Nhược ₫iểm:

— Phức tạp

Ứng dụng

— Chủ yếu ở cấp phía trên (bus ₫iều khiển, bus hệ thống)

11

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

Kết hợp với Master/Slave (Multimaster)

(1)

Master

(2)

Slave

(1) Token passing gi÷a c¸c tr¹m tÝch cùc

(2) Master/slave gi÷a mét tr¹m tÝch cùc vμ mét sè tr¹m kh«ng tÝch cùc

12

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

4. TDMA

TDMA (Time-Division Multiple Access): Phân chia thời

gian cố ₫ịnh

Khe thời gian (time slot)

N

. . .

1

2

Theo yªu cÇu

Chu kú bus (chu kú TDMA)

13

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm

Ưu ₫iểm

— Tiền ₫ịnh, phù hợp với trao ₫ổi dữ liệu tuần hoàn

— Có thể ₫áp ứng yêu cầu rất ngặt nghèo về tính năng thời

gian thực

— Không cần kiểm soát tập trung

Nhược ₫iểm

— Hiệu suất sử dụng ₫ường truyền có thể không cao

— Đồng bộ hóa thời gian phức tạp

Ứng dụng:

— Thường là kết hợp với Master/Slave (ví dụ Profibus-DP

V2.0, Interbus) hoặc Token Passing (Foundation Fieldbus

H1)

— Chủ yếu ở cấp trường

14

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

5. CSMA/CD

Một phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên, nổi tiếng

cùng mạng Ethernet (IEEE 802.3)

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision

Detection)

— Carrier Sense: Cảm nhận, nghe ngóng ₫ường truyền

— Multiple Access: Đa truy nhập (₫ương nhiên!)

— Collision Detection: Nhận biết xung ₫ột

15

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

Nguyên tắc làm việc

A

B

C

1. carrier

sense

A

C

2. multiple

access

3. collision

...

A

B

C

4. detection

A ph¸t hiÖn xung ®ét, hñy bá bøc ®IÖn

C ph¸t hiÖn xung ®ét, hñy bá bøc ®IÖn

Chê mét thêi gian ngÉu nhiªn vμ lÆp l¹i

16

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

Điều kiện ràng buộc

Điều kiện ràng buộc giữa chiều dài dây dẫn, tốc ₫ộ

truyền thông và chiều dài bức ₫iện

Tại sao? Một trạm chỉ có thể dừng gửi một bức ₫iện khi

nó chưa gửi xong!

Điều kiện:

(Chiều dài bức ₫iện n / Tốc ₫ộ truyền v) > 2T_S

<=> n/v > 2l/(0,66*300.000.000),

với l là chiều dài dây dẫn và hệ số k = 0,67

<=> lv < 100.000.000n

Ví dụ: Fast Ethernet (100Mbit/s)

l = 100m => một bức ₫iện không thể ngắn hơn 100 bit.

Hệ quả xét về hiệu suất sử dụng ₫ường truyền và khả

năng ứng dụng?

17

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm

Ưu ₫iểm:

— Rất linh hoạt, không cần ₫ặt cấu hình mạng trước

— Được sử dụng rộng rãi

Nhược ₫iểm:

— Thiếu tính tiền ₫ịnh

— Thuật toán phức tạp

Ứng dụng:

— Chủ yếu ở mạng cấp cao (Ethernet)

— Gần ₫ây ₫ược sử dụng ở cấp thấp: Sử dụng công nghệ

chuyển mạch (switch) nhằm giảm xung ₫ột tín hiệu

18

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

Thuật toán tính thời gian chờ

Thuật toán BEB (Binary Exponential Backoff):

— Chọn khe thời gian (T_e) là cơ sở: thông thường là thời

gian lan truyền tín hiệu một lần qua lại ₫ường truyền.

— Sau lần xảy ra xung ₫ột ₫ầu tiên , mỗi trạm sẽ chọn

ngẫu nhiên 0 hoặc 1 lần khe thời gian chờ trước khi thử

gửi lại => xác suất tái xung ₫ột?

— Nếu hai trạm ngẫu nhiên cùng chọn một khoảng thời

gian, hoặc có sự xung ₫ột mới với một trạm thứ ba, thì

số khe thời gian lựa chọn chờ sẽ là 0, 1, 2 hoặc 3 => xác

xuất xảy ra xung ₫ột ở lần này?

— Sau lần xung ₫ột thứ i, số khe thời gian chọn ngẫu

nhiên nằm trong khoảng từ 0 tới 2^i-1.

19

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

6. CSMA/CA

CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision

Avoidance

Một phương pháp cải tiến từ CSMA/CD, bổ sung mức

ưu tiên ₫ể cải thiện tính thời gian thực

Nổi tiếng cùng mạng CAN (Controller Area Network)

20

4.3 Kiểm soát truy nhập bus