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

Hệ thống thông tin công nghiệp

1 g n ơ ư h C

4.3 Kiểm soát truy nhập bus

N Ơ S H N M G N À O H

1/20/2006

, 4 0 0 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

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

I

N Ơ S H N M G N À O H

, 4 0 0 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

1. Vấn ₫ề kiểm soát truy nhập bus

(cid:131) Kiểm soát truy nhập bus (Bus access control, Medium Access Control): Phân chia thời gian truy nhập ₫ường truyền (gửi tín hiệu ₫i)

— ₫ộ tin cậy — tính năng thời gian thực — hiệu suất sử dụng ₫ường truyền

(cid:131) Phương pháp kiểm soát truy nhập bus ảnh hưởng tới:

I

(cid:131) Phương pháp kiểm soát truy nhập bus liên quan chặt chẽ tới, nhưng không ₫ồng nghĩa với cơ chế giao tiếp. (cid:131) So sánh ví dụ: Làm thế nào ₫ể trong một cuộc họp ₫ể khi một người nói thì những người khác không chen vào?

N Ơ S H N M G N À O H

, 4 0 0 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

Phân loại phương pháp

Ph−¬ng ph¸p truy nhËp bus

Truy nhËp ngÉu nhiªn

Truy nhËp tiÒn ®Þnh

KiÓm so¸t tËp trung

KiÓm so¸t ph©n t¸n

NhËn biÕt xung ®ét

Tr¸nh xung ®ét

I

CSMA/CD

CSMA/CA

Token Passing

N Ơ S H Master/Slave N M TDMA G N À O H

, 4 0 0 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

2. Phương pháp chủ/tớ (Master/Slave)

Master

Slave

(cid:131) Vai trò của trạm chủ:

I

— Kiểm soát hoàn toàn giao tiếp trong hệ thống, hoặc — Chỉ ₫óng vai trò phân chia quyền truy nhập bus

N Ơ S H N M G N À O H

, 4 0 0 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm

— Tiền ₫ịnh — Đơn giản, ₫ỡ tốn kém — Trí tuệ tập trung tại một trạm chủ

(cid:131) Ưu ₫iểm:

— Độ tin cậy phụ thuộc vào một trạm duy nhất — Hiệu suất trao ₫ổi dữ liệu giữa hai trạm tớ thấp

(cid:131) Nhược ₫iểm

— 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

(cid:131) Ứng dụng chủ yếu

I

thiết bị ₫iều khiển và các trạm tớ là thiết bị trường hoặc các module vào/ra phân tán.

N Ơ S H N M G N À O H

, 4 0 0 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

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

I

N Ơ S H N M G N À O H

, 4 0 0 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

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

I

N Ơ S H N M G N À O H

, 4 0 0 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

Token?

Start Delimiter

Source Address

Destination Address

End Delimiter

(cid:131) Một bức ₫iện rất ngắn, có cấu trúc ₫ặc biệt (cid:131) Ví dụ:

I

N Ơ S H N M G N À O H

, 4 0 0 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

Vấn ₫ề kiểm soát Token

(cid:131) 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.

(cid:131) Khởi tạo token: Sau khi khởi ₫ộng một trạm ₫ược chỉ

₫ịnh có trách nhiệm tạo một token mới.

(cid:131) 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.

I

(cid:131) Bổ sung trạm mới: Một trạm mới ₫ược kết nối 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.

N Ơ S H N M G N À O H

, 4 0 0 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm

— Tiền ₫ịnh — Độ tin cậy cao hơn nhờ vai trò bình ₫ẳng — Phù hợp cho nhiều cơ chế giao tiếp khác nhau

(cid:131) Ưu ₫iểm:

(cid:131) Nhược ₫iểm: — Phức tạp

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

(cid:131) Ứng dụng

I

N Ơ S H N M G N À O H

, 4 0 0 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

Kết hợp với Master/Slave (Multimaster)

(1)

Master

(2)

Slave

I

(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

N Ơ S H N M G N À O H

, 4 0 0 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

4. TDMA

(cid:131) TDMA (Time-Division Multiple Access): Phân chia thời

Khe thời gian (time slot)

. . .

Theo yªu cÇu

Chu kú bus (chu kú TDMA)

gian cố ₫ịnh

I

N Ơ S H N M G N À O H

, 4 0 0 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

Ưu ₫iểm và nhược ₫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

(cid:131) Ưu ₫iểm

— Hiệu suất sử dụng ₫ường truyền có thể không cao — Đồng bộ hóa thời gian phức tạp

(cid:131) Nhược ₫iểm

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

(cid:131) Ứng dụng:

I

V2.0, Interbus) hoặc Token Passing (Foundation Fieldbus H1)

— Chủ yếu ở cấp trường

N Ơ S H N M G N À O H

, 4 0 0 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

5. CSMA/CD

(cid:131) Một phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên, nổi tiếng

cùng mạng Ethernet (IEEE 802.3)

(cid:131) 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

I

N Ơ S H N M G N À O H

, 4 0 0 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

Nguyên tắc làm việc

1. carrier sense

2. multiple access

3. collision ...

I

4. detection

N Ơ S H N M G N À O H

A ph¸t hiÖn xung ®ét, hñy bá bøc ®IÖn Chê mét thêi gian ngÉu nhiªn vμ lÆp l¹i

C ph¸t hiÖn xung ®ét, hñy bá bøc ®IÖn Chê mét thêi gian ngÉu nhiªn vμ lÆp l¹i

, 4 0 0 4.3 Kiểm soát truy nhập bus 2 ©

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

Điều kiện ràng buộc

(cid:131) Điều kiện ràng buộc giữa chiều dài dây dẫn, tốc ₫ộ

truyền thông và chiều dài bức ₫iện

(cid:131) Tại sao? Một trạm chỉ có thể dừng gửi một bức ₫iện khi

nó chưa gửi xong!

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

<=> 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

(cid:131) Điều kiện:

(cid:131) Ví dụ: Fast Ethernet (100Mbit/s)

I

l = 100m => một bức ₫iện không thể ngắn hơn 100 bit. (cid:131) Hệ quả xét về hiệu suất sử dụng ₫ường truyền và khả

năng ứng dụng?

N Ơ S H N M G N À O H

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm

— Rất linh hoạt, không cần ₫ặt cấu hình mạng trước — Được sử dụng rộng rãi

(cid:131) Ưu ₫iểm:

— Thiếu tính tiền ₫ịnh — Thuật toán phức tạp

(cid:131) Nhược ₫iểm:

— 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

(cid:131) Ứng dụng:

I

N Ơ S H N M G N À O H

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

Thuật toán tính thời gian chờ

— Chọn khe thời gian (Te) 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 2i-1.

(cid:131) Thuật toán BEB (Binary Exponential Backoff):

I

N Ơ S H N M G N À O H

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

6. CSMA/CA

(cid:131) CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision

Avoidance

(cid:131) Một phương pháp cải tiến từ CSMA/CD, bổ sung mức

ưu tiên ₫ể cải thiện tính thời gian thực

(cid:131) Nổi tiếng cùng mạng CAN (Controller Area Network)

I

N Ơ S H N M G N À O H

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

Nguyên tắc làm việc

Møc tÝn hiÖu lÊn ¸t --> ph¸t tiÕp

Ph¸t hiÖn lçi --> ngõng ph¸t

I

N Ơ S H N M G N À O H

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

Điều kiện ràng buộc

(cid:131) Ngặt nghèo hơn so với CSMA/CD (cid:131) Một trạm phải có khả năng phát hiện ra xung ₫ột trước khi nó ra quyết ₫ịnh có gửi bit tiếp theo hay không => thời gian bit TB phải lớn hơn nhiều hai lần thời gian lan truyền tín hiệu TS 1/v > 2TS, với v là tốc ₫ộ truyền <=> 1/v >> 2l/(0,67*300.000.000) <=> lv << 100.000.000

— v = 500kbit/s (tốc ₫ộ trung bình ở CAN) => l << 200m (thực tế người ta chọn l < 80m)

(cid:131) Ví dụ:

I

N Ơ S H N M G N À O H

CuuDuongThanCong.com CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt https://fb.com/tailieudientucntt

Qui ₫ịnh mức ưu tiên

...

00000010 => ưu tiên hơn

00000011

(cid:131) Theo ₫ịa chỉ trạm gửi hoặc trạm nhận (ví dụ ₫ịa chỉ càng thấp, mức ưu tiên càng cao) => bổ sung ₫ịa chỉ trạm gửi hoặc nhận ngay ₫ầu bức ₫iện

(cid:131) Theo kiểu bức ₫iện: bổ sung mức ưu tiên ngay ₫ầu

...

bức ₫iện