CC BY
90
Метод передачи данных по сети Ethernet в режиме реального времени
Мороз О.В., Попов С.Н.
Московский государственный институт электроники и математики Кафедра «Информационные технологии и автоматизированные системы»
Рост числа вычислительных устройств, а также физических шин и сетей, объединяющих устройства, сделал распределенные системы логичным решением для множества областей разработки, управления и тестирования. Многие распределенные системы требуют, чтобы время взаимодействия между элементами было детерминировано. Примерами подобных систем могут служить:
• Распределенные системы управления движением.
• Промышленные системы управления.
• Системы синхронизированный сбора данных с датчиков.
Бортовые и промышленные системы контроля имеют сходные требования, когда ввод-вывод и обработка распределена между несколькими узлами. Для удовлетворения этих требований, сеть, объединяющая узлы, должна работать в режиме реального времени, то есть быть детерминированной.
Различные типы систем сильно различаются по требованиям к времени отклика.
1. Офисные системы не критичны к этому времени, отклик может приходить в произвольные моменты.
2. Системы SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) обычно имеют гарантированное время отклика, исчисляемое сотнями миллисекунд или единицами секунд. Это, так называемые, системы «мягкого» реального времени.
3. Системы реального времени требуют гарантированного времени отклика в единицы миллисекунд или десятки и сотни микросекунд. Это, так называемые, системы «жесткого» реального времени.
Для решения задачи детерминированности отклика в сети Ethernet разработана методика построения сетей с управляемым временем передачи данных. Она позволяет преодолеть присущее Ethernet отсутствия детерминизма передачи данных. В этом случае сеть имеет архитектуру «master-slave». Мастер сети (выделенный узел) планирует передачу данных по сети и синхронизирует сетевые часы на всех узлах сети.
При помощи такой сети, два или более контроллера, работающих под ОС реального времени, могут передавать данные детерминировано внутри частной выделенной сети. Каждый контроллер с помощь другого сетевого адаптера также может быть подключен к внешней сети для обмена данными с другими узлами сети в обычном режиме.
При конфигурировании сети один из контроллеров назначается мастером. Мастер задает цикл сетевого обмена. Сети Ethernet 100/1000 позволяют организовать сетевой цикл в 100 мкс. В начале каждого цикла мастер раздает всем подчиненным узлам сети пакет синхронизации длительностью 60мкс. Все остальные передачи в сетевом цикле планируются для каждого узла сети. При этом возможны два способа передачи данных по сети:
1. Передача блоками разделяемой памяти
Разделяемые блоки памяти с одного узла отправляются на все остальные узлы сети одним пакетом. Значения данных создаются в виде разделяемых переменных с указанием их типа. В каждом узле сети возникает прерывание при получении разделяемого блока памяти. Пакеты из каждого узла планируется последовательно, чтобы не возникало коллизий.
2. Передача данных с помощью переменных выделенных временных слотов
В этом случае переменные могут передаваться по сети в строго определенное время (временной слот). При конфигурировании сети каждой переменной назначается время начала передачи. Передача каждой переменной занимает минимум 33 мкс. Этот вариант позволяет организовать основной временной цикл вычисления-управления как сетевой цикл.
Применение сетей с управляемым временем передачи позволяет решать широкий круг задач. При этом используется уже имеющаяся в большинстве случаев инфраструктура сетей Ethernet. При этом обеспечивается детерминированная передача данных между узлами сети.
