TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ-ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA CƠ HỌC KĨ THUẬT VÀ TỰ ĐỘNG HÓA BÀI TIỂU LUẬN Mơn học: KIẾN TRÚC MÁY TÍNH VÀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI: Truy nhập bus 1/ Đặt vấn đề Trong hệ thống mạng truyền thông cơng nghiệp hệ thống có cấu trúc dạng bus, hay hệ thống bus đóng vai trị quan trọng lý sau: • Chi phí cho dây dẫn • Dễ thực lắp đặt • Linh hoạt • Thích hợp cho việc truyền dẫn phạm vi khoảng cách vừa nhỏ Trong mạng có cấu trúc bus, thành viên phải chia thời gian sử dụng đường dẫn Để tránh xung đột tín hiệu gây sai lệnh thông tin, thời điểm đường dẫn điện tín phép truyền Chính mạng phải điều khiển cho thời điểm định thành viên mạng gửi thơng tin Cịn số lượng thành viên mạng muốn nhận thơng tin không hạn chế Một vấn đề quan trọng hàng đầu ảnh hưởng tới chất lượng hệ thống bus phương pháp phân chia thời gian gửi thông tin đường dẫn hay phương pháp truy nhập bus Lưu ý rằng, số cấu trúc khác khơng phải dạng bus, vấn đề xung đột tín hiệu xảy ra, khơng hiển nhiên cấu trúc bus Ví dụ cấu trúc mạch vịng, trạm khơng phải có khả khống chế hồn tồn tín hiệu qua Hay cấu trúc hình sao, trạm trung tâm khơng có vai trị chủ động, mà chia tín hiệu nên khả gây xung đột tránh khỏi Trong cấu trúc ta cần biện pháp phân chia quyền truy nhập, đơn giản so với cấu trúc bus Chính thế, khái niệm truy nhập môi trường dùng thay cho truy nhập bus Tuy nhiên, giống cách dùng khái niệm chung “bus trường” khơng dừng lại hệ thống có cấu trúc bus, “truy nhập bus” thường dùng khái niệm chung Phương pháp truy nhập bus vấn đề hệ thống bus, phương pháp có ảnh hưởng khác tới tính kỹ thuật hệ thống Cụ thể, ta phải quan tâm tới ba khía cạnh: độ tin cậy, tính thời gian thực hiệu suất sử dụng đường truyền Tính thời gian thực khả đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin cách kịp thời tin cậy Còn hiệu suất sử dụng đường truyền mức độ khai thác, sử dụng đường truyền Ba yếu tố liên quan tới việc đánh giá tính thời gian thực thời gian đáp ứng tối đa, chu kỳ bus độ rung (jitter) Thời gian đáp ứng tối đa trạm thời gian tối đa mà hệ thống truyền thông cần để đáp ứng nhu cầu trao đổi liệu trạm với trạm khác Rõ ràng, thời gian đáp ứng tối đa thông số cố định, mà hàm độ dài liệu cần trao đổi Tuy vậy, ứng dụng cụ thể ta thường biết trước độ dài liệu tối đa độ dài liệu tiêu biểu mà trạm cần trao đổi Do vậy, bên cạnh thời gian đáp ứng tối đa người ta quan tâm tới thời gian đáp ứng tiêu biểu Do đặc trưng kỹ thuật tự động hóa, đa số hệ thống bus sử dụng lĩnh vực làm việc theo chu kỳ Chỉ số hoạt động truyền thông xảy bất thường (ví dụ thơng tin cảnh báo, liệu tham số, ), phần lớn liệu trao đổi định kỳ theo chu kỳ tuần hoàn bus Chu kỳ bus khoảng thời gian tối thiểu mà sau hoạt động truyền thơng lặp lại cũ Trong điều khiển tự động, chu kỳ bus ảnh hưởng tới xác chu kỳ lấy mẫu tín hiệu Lưu ý khác chu kỳ bus nhịp bus (xem phần 2.1) Có thể dễ thấy, thời gian đáp ứng chu kỳ bus có liên quan với nhau, không mức độ ràng buộc Chu kỳ bus lớn thường làm tăng thời gian đáp ứng Tuy nhiên, thời gian đáp ứng tối đa nhỏ lớn chu kỳ bus, phụ thuộc vào phương pháp truy nhập bus Có thể phân loại cách truy nhập bus thành nhóm phương pháp tiền định nhóm phương pháp ngẫu nhiên (Hình 2.13) Với phương pháp tiền định, trình tự truy nhập bus xác định rõ ràng Việc truy nhập bus kiểm soát chặt chẽ theo cách tập trung trạm chủ (phương pháp Master/Slave hay chủ/tớ), theo qui định trước thời gian (phương pháp TDMA) phân tán thành viên (phương pháp Token Passing) Nếu hoạt động truyền thông hạn chế khoảng thời gian độ dài liệu định, thời gian đáp ứng tối đa chu kỳ bus tính tốn Các hệ thống gọi có tính thời gian thực gọi có tính thời gian thực Ngược lại, phương pháp ngẫu nhiên trình tự truy nhập bus khơng quy định chặt chẽ trước, mà để xảy hoàn toàn theo nhu cầu trạm Mỗi thành viên mạng thử truy nhập bus để gửi thông tin lúc Để loại trừ tác hại việc xung đột gây nên, có phương pháp phổ biến nhận biết xung đột (CSMA/CD) tránh xung đột (CSMA/CA) Nguyên tắc hoạt động phương pháp có xung đột tín hiệu xảy ra, trạm phải ngừng gửi chờ khoảng thời gian trước thử lại, khả thành công kể lúc không đảm bảo Người ta thường coi hệ thông sử dụng phương pháp khơng có khả thời gian thực Tuy nhiên, tùy theo lĩnh vực ứng dụng cụ thể mà yêu cầu tính thời gian thực khác 2/ Chủ/tớ (Master/Slave) Trong phương pháp chủ/tớ, trạm chủ (master) có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy nhập bus cho trạm tớ (slave) Các trạm tớ đóng vai trị bị động, có quyền truy nhập bus gửi tín hiệu có u cầu Trạm chủ dùng phương pháp hỏi (polling) theo chu kỳ để kiểm sốt tồn hoạt động giao tiếp hệ thống Nhờ vậy, trạm tớ gửi liệu thu thập từ q trình kỹ thuật tới trạm chủ (có thể PLC, PC, v.v ) nhận thông tin điều khiển từ trạm chủ Trong số hệ thống, chí trạm tớ khơng có quyền giao tiếp trực tiếp với nhau, mà liệu cần trao đổi phải qua trạm chủ Nếu hoạt động giao tiếp diễn theo chu kỳ, trạm chủ có trách nhiệm chủ động yêu cầu liệu từ trạm tớ cần gửi sau chuyển tới trạm tớ cần nhận Trong trường hợp trạm tớ cần trao đổi liệu bất thường với trạm khác phải thông báo yêu cầu trạm chủ hỏi đến sau chờ phục vụ Trình tự tham gia giao tiếp, hay trình tự hỏi trạm tớ người sử dụng qui định trước (tiền định) công cụ tạo lập cấu hình Trong trường hợp có trạm chủ nhất, thời gian cần cho trạm chủ hoàn thành việc hỏi vịng thời gian tối thiểu chu kỳ bus Do vậy, chu kỳ bus tính tốn trước cách tương đối chắn Đây yếu tố thể tính thời gian thực hệ thống Phương pháp chủ/tớ có ưu điểm việc kết nối mạng trạm tớ đơn giản, đỡ tốn gần tồn “trí tuệ” tập trung trạm chủ Một trạm chủ thường lại thiết bị điều khiển, việc tích hợp thêm chức xử lý truyền thơng điều khơng khó khăn Một nhược điểm phương pháp kiểm soát tập trung chủ/tớ hiệu suất trao đổi thông tin trạm tớ bị giảm phải liệu phải qua khâu trung gian trạm chủ, dẫn đến giảm hiệu suất sử dụng đường truyền Nếu hai trạm tớ cần trao đổi biến liệu đơn giản với (một PLC trạm tớ), trường hợp xấu thời gian đáp ứng kéo dài tới chu kỳ bus Một biện pháp để cải thiện tình cho phép trạm tớ trao đổi liệu trực tiếp chừng mực kiểm sốt, Hình 2.15 minh họa Tình trạm tớ muốn gửi liệu cho trạm tớ 1, trạm tớ lại trạm chủ hỏi tới sau trạm tớ Sau trạm chủ yêu cầu trạm tớ nhận liệu (receive_request) trạm tớ gửi liệu (send_request), trạm tớ gửi trực tiếp tới trạm tớ (send_data) Nhận lệnh kết thúc từ trạm tớ (send_completed), trạm tớ có trách nhiệm thơng báo ngược trở lại trạm chủ (receive_completed) Như vậy, việc truy nhập đường truyền không bị chồng chéo lên nhau, mà hai trạm tớ trao đổi liệu nội chu kỳ bus Một hạn chế phương pháp độ tin cậy hệ thống truyền thông phụ thuộc hoàn toàn vào trạm chủ Trong trường hợp có xảy cố trạm chủ tồn hệ thống truyền thơng ngừng làm việc Một cách khắc phục sử dụng trạm tớ đóng vai trị giám sát trạm chủ có khả thay trạm chủ cần thiết Chính hai lý nêu trên, phương pháp chủ/tớ dùng phổ biến hệ thống bus cấp thấp, tức bus trường hay bus thiết bị, việc trao đổi thông tin diễn trạm chủ thiết bị điều khiển trạm tớ thiết bị trường module vào/ra phân tán Trong trường hợp thiết bị tớ có nhu cầu trao đổi liệu trực tiếp, trạm chủ có vai trị phân chia quyền truy nhập bus khơng kiểm sốt hồn tồn hoạt động giao tiếp hệ thống 3/ TDMA Trong phương pháp kiểm soát truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), trạm phân thời gian truy nhập bus định Các trạm thay gửi thông tin khoảng thời gian cho phép - gọi khe thời gian hay lát thời gian (time slot, time slice ) - theo qui định sẵn Việc phân chia thực trước hệ thống vào hoạt động (tiền định) Khác với phương pháp chủ/tớ, có khơng có trạm chủ Trong trường hợp có trạm chủ vai trị hạn chế mức độ kiểm soát việc tuân thủ đảm bảo giữ lát thời gian trạm khác Mỗi trạm có khả đảm nhiệm vai trị chủ động giao tiếp trực tiếp với trạm khác Hình 2.16 minh họa cách phân chia thời gian cho trạm chu kỳ bus Ngoài lát thời gian phân chia cố định cho trạm dùng để trao đổi liệu định kỳ (đánh số từ tới N), thường cịn có khoảng dự trữ dành cho việc trao đổi liệu bất thường theo u cầu, ví dụ gửi thơng tin cảnh báo, mệnh lệnh đặt cấu hình, liệu tham số, setpoint, Về nguyên tắc, TDMA thực theo nhiều cách khác Có thể phân chia thứ tự truy nhập bus theo vị trí xếp trạm mạng, theo thứ tự địa chỉ, theo tính chất hoạt động truyền thơng Cũng kết hợp TDMA với phương pháp chủ/tớ cho phép trạm tớ giao tiếp trực tiếp Có hệ thống lại sử dụng điện tổng hợp có cấu trúc giống sơ đồ phân chia thời gian Hình 2.16 để trạm đọc ghi liệu vào phần tương ứng 4/ Token Passing Token điện ngắn không mang liệu, có cấu trúc đặc biệt để phân biệt với điện mang thông tin nguồn, dùng tương tự chìa khóa Một trạm quyền truy nhập bus gửi thông tin thời gian giữ token Sau khơng có nhu cầu gửi thơng tin, trạm có token phải gửi tiếp tới trạm khác theo trình tự định Nếu trình tự với trình tự xếp vật lý mạch vịng (tích cực khơng tích cực), ta dùng khái niệm Token Ring (chuẩn IEEE 802.4) Cịn trình tự qui định có tính chất logic cấu trúc bus (ví dụ theo thứ tự địa chỉ), ta nói tới Token Bus (chuẩn IEEE 802.5) Trong trường hợp hình thành mạch vòng logic Một trạm giữ token khơng quyền gửi thơng tin đi, mà cịn có vai trị kiểm sốt hoạt động số trạm khác, ví dụ kiểm tra xem có trạm xảy cố hay không Các trạm khơng có token có khả tham gia kiểm sốt, ví dụ sau thời gian định mà token khơng đưa tiếp, trạm giữ token có vấn đề Trong trường hợp đó, trạm có chức tạo token Chính vậy, Token Passing xếp vào phương pháp kiểm sốt phân tán Trình tự thời gian quyền giữ token, thời gian phản ứng chu kỳ bus tối đa tính tốn trước, phương pháp truy nhập coi có tính tiền định Token Passing sử dụng kết hợp với phương pháp chủ/tớ, trạm có quyền giữ token trạm chủ, hay cịn gọi trạm tích cực Phương pháp kết hợp gọi nhiều chủ (Multi-Master), tiêu biểu hệ PROFIBUS Các trạm chủ điều khiển máy tính lập trình, cịn trạm tớ (trạm khơng tích cực) thiết bị vào/ra phân tán, thiết bị trường thông minh Mỗi trạm chủ quản lý quyền truy nhập số trạm tớ trực thuộc, trạm chủ quyền truy nhập bus phân chia theo cách chuyển token Tuy nhiên, trạm đóng vai trị chủ khơng bắt buộc phải có trạm tớ trực thuộc 5/ CSMA/CD CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) phương pháp tiếng với mạng Ethernet (IEEE 802.3) Nguyên tắc làm việc Theo phương pháp CSMA/CD, trạm có quyền truy nhập bus mà không cần kiểm sốt Phương pháp tiến hành sau: • Mỗi trạm phải tự nghe đường dẫn (carrier sense), đường dẫn rỗi (khơng có tín hiệu) phát • Do việc lan truyền tín hiệu cần thời gian đó, nên có khả hai trạm phát tín hiệu lên đường dẫn Chính vậy, phát trạm phải nghe đường dẫn để so sánh tín hiệu phát với tín hiệu nhận xem có xảy xung đột hay khơng (collision detection) • Trong trường hợp xảy xung đột, trạm phải huỷ bỏ điện mình, chờ thời gian ngẫu nhiên thử gửi lại Một tình xảy xung đột tiêu biểu cách khắc phục minh họa Hình 2.19 Trạm A C nghe đường dẫn Đường dẫn rỗi nên A gửi trước Trong tín hiệu từ trạm A gửi chưa kịp tới nên trạm C không hay biết gửi, gây xung đột điểm gần C A C nhận tín hiệu phản hồi, so sánh với tín hiệu gửi phát xung đột Cả hai trạm phải hủy điện gửi cách không phát tiếp, trạm muốn nhận không nhận cờ hiệu kết thúc điện coi điện khơng hợp lệ A C gửi tín hiệu “jam” đặc biệt để báo cho trạm cần nhận biết Sau trạm chờ thời gian chờ ngẫu nhiên, trước thử phát lại Thời gian chờ ngẫu nhiên nhiên phải tính theo thuật tốn để cho thời gian chờ ngắn cách hợp lý không giống trạm chờ Thông thường thời gian chờ bội số hai lần thời gian lan truyền tín hiệu TS Ưu điểm CSMA/CD tính chất đơn giản, linh hoạt Khác với phương pháp tiền định, việc ghép thêm hay bỏ trạm mạng không ảnh hưởng tới hoạt động hệ thống Chính vậy, phương pháp áp dụng rộng rãi mạng Ethernet Nhược điểm CSMA/CD tính bất định thời gian phản ứng Các trạm bình đẳng nên q trình chờ trạm lặp lặp lại, không xác định tương đối xác thời gian Hiệu suất sử dụng đường truyền thấp Rõ ràng, khơng kết hợp thêm với kỹ thuật khác phương pháp khơng thích hợp với cấp thấp, địi hỏi trao đổi liệu định kỳ, thời gian thực Điều kiện ràng buộc Khả thực phương pháp CSMA/CD bị hạn chế điều kiện ràng buộc chiều dài dây dẫn, tốc độ truyền thông chiều dài điện Chỉ trạm phát xung đột xảy điện chưa gửi xong có khả hủy bỏ điện (có thể đơn giản cách khơng gửi tiếp cờ hiệu kết thúc) Còn điện gửi xong phát xảy xung đột q muộn, trạm khác nhận xử lý điện với nội dung sai lệch Trong trường hợp xấu hai trạm gửi thơng tin hai đầu dây dẫn, trạm thứ hai gửi điện trước tín hiệu từ trạm thứ tới chút Tín hiệu bị xung đột xảy phải thêm khoảng thời gian thời gian lan truyền tín hiệu TS quay trở lại tới trạm thứ Như điều kiện thực phương pháp CSMA/CD thời gian gửi điện phải lớn hai lần thời gian lan truyền tín hiệu, tức: (Chiều dài điện n / Tốc độ truyền v) > 2TS n/v > 2l/(0,66*300.000.000), với l chiều dài dây dẫn hệ số k = 0,67 lv < 100.000.000n Đây điều kiện ràng buộc việc nâng cao tốc độ tăng chiều dài dây dẫn Ví dụ mạng Fast Ethernet (100Mbit/s) có chiều dài 100m điện ngắn 100 bit Hệ điều kiện ràng buộc hiệu suất truyền thông thấp liệu cần trao đổi không lớn Một lần nữa, ta thấy phương pháp khơng thích hợp cho hệ thống mạng cấp thấp 6/ CSMA/CA Nguyên tắc làm việc CSMA/CA thuật ngữ viết tắt từ Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Tương tự CSMA/CD, trạm phải nghe đường dẫn trước gửi sau gửi thơng tin Tuy nhiên, phương pháp mã hóa bit thích hợp sử dụng để trường hợp xảy xung đột, tín hiệu lấn át tín hiệu Ví dụ tương ứng với bit mức điện áp cao lấn át mức điện áp thấp bit Một tình tiêu biểu minh họa Hình 2.20 T1 thơng tin trạm gửi R1 thông tin trạm nghe phản hồi từ đường dẫn, T2 thông tin trạm phát R2 thông tin trạm nghe Khi hai điện khác bit đó, trạm thứ hai phát xung đột ngừng phát, cịn trạm thứ có mức tín hiệu lấn át nên coi khơng có chuyện xảy tiếp tục phát Trạm thứ hai chờ thời gian ngẫu nhiên, chờ đường dẫn rỗi trở lại gửi Điều kiện ràng buộc Điều kiện để thực theo chế trạm phải nhận tín hiệu phản hồi tương ứng với bit vừa gửi, trước gửi bit tiếp theo, có khả dừng lại kịp thời xảy xung đột để bit không bị ảnh hưởng Như vậy, thời gian bit TB phải lớn hai lần thời gian lan truyền tín hiệu TS, hay là: 1/v > 2TS, với v tốc độ truyền 1/v > 2l/(0,67*300.000.000) lv < 100.000.000 với l chiều dài dây dẫn hệ số k = 0,67 Ví dụ, với tốc độ truyền 1Mbit/s chiều dài dây dẫn phải nhỏ 100m Rõ ràng, điều kiện ràng buộc ngặt nghèo so với phương pháp CSMA/CD, không liên quan tới chiều dài tối thiểu điện Qui định mức ưu tiên Mỗi điện bắt đầu dãy bit đặc biệt gọi cờ hiệu, sau tới phần khác thơng tin kiểm sốt, địa chỉ, Đối với phương pháp CSMA/CA, sử dụng mức ưu tiên cho trạm (hoặc theo loại thông tin) gắn mã ưu tiên (001, 010, v.v ) vào phần đằng sau cờ hiệu điện Bức điện có mức ưu tiên cao (tức mã số ưu tiên thấp hơn) lấn át điện khác Trong trường hợp sử dụng mức ưu tiên theo trạm, lấy địa trạm làm mã số ưu tiên Cũng kết hợp phương pháp định mức ưu tiên theo loại thông tin theo địa Một điện có mức ưu tiên cao xét trước hết theo loại thơng tin sau theo địa trạm Nhờ có phương pháp sử dụng mức ưu tiên mà tính thời gian thực hệ thống cải thiện Có thể thấy rõ, bị hạn chế tốc độ truyền chiều dài dây dẫn, hiệu suất sử dụng đường truyền phương pháp cao Các trạm gửi thông tin có nhu cầu xảy xung đột hai điện tiếp tục gửi  ... pháp phân chia quyền truy nhập, đơn giản so với cấu trúc bus Chính thế, khái niệm truy nhập môi trường dùng thay cho truy nhập bus Tuy nhiên, giống cách dùng khái niệm chung ? ?bus trường” không dừng... bus Có thể phân loại cách truy nhập bus thành nhóm phương pháp tiền định nhóm phương pháp ngẫu nhiên (Hình 2.13) Với phương pháp tiền định, trình tự truy nhập bus xác định rõ ràng Việc truy nhập. .. chung ? ?bus trường” không dừng lại hệ thống có cấu trúc bus, ? ?truy nhập bus? ?? thường dùng khái niệm chung Phương pháp truy nhập bus vấn đề hệ thống bus, phương pháp có ảnh hưởng khác tới tính kỹ thuật