Classificazione dei Bus di campo

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Lucia Colella
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1 Classificazione dei Bus di campo (BUS > Basic Utility System) Classificazione in funzione del tipo di accesso: Bus di campo con assegnazione decentralizzata: - accesso al bus di tipo deterministico - accesso al bus di tipo casuale Bus di campo con assegnazione centralizzata: - topologia lineare (punto-a-punto) - topologia ad anello

2 Assegnazione decentralizzata o distribuita Non esiste una stazione di controllo centrale, la funzionalità del sistema viene suddivisa fra i singoli componenti collegati sul bus, in base al principio della decentralizzazione. Ogni componente risulta quindi indipendente e non viene sottomesso da un controllo centrale.

3 Accesso al bus di tipo deterministico Token-passing: determinati componenti collegati sul bus (master) sono autorizzati alla trasmissione per un tempo prestabilito (tempo di mantenimento del token). Questi componenti attivi si scambiano fra loro il gettone di trasmissione (token). Fra le unità master si configura un anello logico, per cui questo processo è indipendente dalla topologia della rete. La velocità di reazione è proporzionale al tempo di mantenimento del token. Vantaggi: I collegamenti fra i vari componenti della rete, possono essere realizzati senza una stazione di controllo centrale In caso di guasto ad un componente collegato sul bus, il sistema resta in funzione I tempi di risposta sono calcolabili Svantaggi: I requisiti di programmazione di ogni singolo componente collegato sul bus sono relativamente cospicui Le trasmissioni urgenti possono essere inoltrate solo previo ottenimento del token Occorrono meccanismi di riconoscimento dell avvenuta perdita del token e di reinizializzazione dell anello logico Esempi: PROFIBUS (PROcess FIeld BUS), PROFIBUS-DP, ecc

4 Topologia PROFIBUS

5 Accesso al bus di tipo casuale Il bus non viene occupato secondo uno schema predefinito (scheduler). Tutti i componenti collegati sul bus hanno gli stessi diritti, ascoltano in parallelo tutti i messaggi, sono sempre pronti a ricevere e quando necessario, cominciano a trasmettere se nessun altro componente sta inviando messaggi sul bus. Vantaggi: Possibilità di attuare una comunicazione del tipo event-driven, cioè la trasmissione viene inizializzata solo quando necessario (cioè solo quando è richiesta dall applicazione del nodo) Carico medio molto inferiore sul bus (risp. acc. deterministico) e tempi di latenza molto brevi In caso di guasto ad un componente collegato sul bus, il sistema resta in funzione Svantaggi: In una comunicazione pilotata dagli eventi (event-driven) i tempi di risposta non sono definibili Necessità di un sistema di arbitraggio nel caso di contemporaneità di accesso al bus da parte di 2 o più componenti (nodi) Esempi: CAN (Controller Area Network), LON (Local Operating Network), ecc

6 Topologia CAN

7 Assegnazione centralizzata Nel controllo centralizzato un componente del sistema è la stazione di controllo (centralina), che viene incaricata ad arbitrare l accesso al bus, a controllare il trasferimento dei dati, a controllare la trasmissione degli stessi e a gestire gli errori. La stazione di controllo (master) interroga ciclicamente i componenti collegati al bus (slaves), incaricandoli dei task di invio/ricezione dati da/alla stazione di controllo (polling).

8 Topologia lineare Per il collegamento dei componenti su una linea bus, nella topologia lineare si utilizzano linee punto-a-punto, solitamente con una terminazione di linea. Vantaggi: I tempi di reazione sono controllabili e prevedibili: è quindi possibile realizzare un accesso di tipo deterministico, con tempi di risposta definiti I requisiti di programmazione per i componenti collegati al bus (nodi) sono limitati Le strategie di accesso sono modificabili e possono essere adattate al flusso dei dati Al polling può essere applicato un controllo delle priorità Svantaggi: L affidabilità e la disponibilità del sistema dipendono praticamente dalla stazione di controllo Il collegamento fra 2 slaves può essere inizializzato solo dalla stazione di controllo Il tempo di latenza massimo (tempo totale di reazione) dipende dal tempo del ciclo ed è direttamente proporzionale al numero dei componenti (nodi) collegati sul bus Esempi: ASI (Actuator Sensor Interface), BITBUS, FIP (Factory Instrumentation Protocol), ecc

9 Topologia BITBUS

10 Topologia ad anello Le due estremità della linea vengono collegate fra loro, formando un percorso chiuso senza la necessità di una terminazione di linea. Vantaggi: I requisiti di gestione sono indipendenti dal numero dei componenti dell anello Grazie all interrogazione rigorosamente ciclica dei componenti collegati sul bus, è possibile prevedere i tempi di risposta I costi hardware e software dei componenti sono ridotti I componenti collegati sul bus fungono da repeater, cioè il segnale viene rigenerato da ciascun componente Svantaggi: L ampliamento e la sostituzione dei componenti collegati sul bus, sono possibili solo quando il sistema non è in servizio Per determinare i tempi di risposta è necessario tenere presente il ritardo di ogni componente presente sul bus Un guasto ad un componente (nodo) comporta necessariamente una condizione di guasto dell intero anello Esempi: INTERBUS-S, SERCOS (Serial Real Time Communication System), ecc

11 Topologia SERCOS

Circuito per il calcolo del CRC-16 Il CRC-16 ha un polinomio generatore così: x 16 + x 15 + x 2 + 1 > ( 11000000000000101 ) Un CRC è in grado di rivelare tutti gli errori singoli, tutti i doppi,

12 Circuito per il calcolo del CRC-16 Il CRC-16 ha un polinomio generatore così: x 16 + x 15 + x > ( ) Un CRC è in grado di rivelare tutti gli errori singoli, tutti i doppi, tutti i casi di numero dispari di errori e tutti gli errori a raffica di lunghezza minore del divisore. L idea base del CRC: Il campo dati viene considerato un numero; si effettua un operazione matematica su questo numero e si trasmette insieme al messaggio (sottoposto al CRC) il risultato dell operazione quale controllo. In ricezione si esegue la stessa operazione sul messaggio e si confronta il risultato ottenuto con quello trasmesso. Se i 2 risultati coincidono è estremamente probabile che NON vi siano stati errori. L hardware di un CRC è formato da un registro a scorrimento (flip-flop con lo stesso clock) e da qualche porta EX-OR.

13 Osservazioni sulla trasmissione dei segnali (1) Baud-rate (o velocità di segnalazione): è il numero di variazioni al secondo del segnale nel mezzo trasmissivo. Bit-rate (o bps): definisce il tasso di bit che possono essere trasmessi per unità di tempo. bit rate N bit baud Se in una trasmissione un livello di tensione viene codificato con più di un bit, significa che x baud non sono x bps. Solamente se ogni livello di tensione viene codificato con un bit (come normalmente avviene), i valori di baud e di bit/s coincidono. Il tempo per spedire n bit è n/bit-rate.

14 Osservazioni sulla trasmissione dei segnali (2) Shannon ha dimostrato che un segnale analogico di banda B (da 0 a B Hz) può essere completamente ricostruito mediante una campionatura ad una frequenza maggiore di 2B. Di conseguenza: Il massimo bit-rate (detto anche velocità di trasmissione) di un canale di comunicazione dotato di una banda passante da 0 a B Hz, privo di rumore che trasporta un segnale formato da V livelli discreti è: =1 se codificato a 2 livelli max( bit rate ) 2 B log V 2 [bps] Esempio: Un segnale codificato a 1 bit (cioè 0 e 1 ) non può avere una velocità di trasmissione maggiore di 200 kbps, su un canale con una banda di 100 khz. Questo vale per canali privi di disturbi. Attraverso il Teorema di Shannon è anche possibile considerare le caratteristiche di canali rumorosi, considerando il concetto di rapporto segnale/rumore (rapporto fra la potenza del segnale e quella del rumore [db]).

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