В настоящее время CAN - интерфейс широко применяется во многих областях, в том числе в промышленной автоматике и в аэрокосмическом приборостроении. Предназначен для организации высоконадежных и недорогих каналов связи в распределенных системах управления.

Протокол CAN определяет только первые два уровня ISO/OSI - физический и уровень доступа к среде передачи данных и реализован в дешевых (менее доллара) широко распространенных микросхемах. Для превращения его в полнофункциональный сетевой протокол необходим дополнительный программный уровень. На базе CAN реализованы сети DeviceNet, SDS, CANOpen и др.

3.7 Промышленные сети на основе CAN

1. DeviceNet

Происхождение: Allen-Bradley, 1994 год.

Длина соединения: от 100 до 500 метров.

Скорость передачи данных: 125, 250 и 500 Кбит/с.

Максимальный размер сообщения: 8 байт на сообщение для одного узла.

Область применения: в основном сборочные, сварочные и транспортировочные агрегаты. Особенно широкое распространение данная шина получила в автомобильной и полупроводниковой отраслях промышленности.

Достоинства: низкая стоимость, широкое распространение, высокая надежность, эффективное использование пропускной способности, подача питающего напряжения по сетевому кабелю.

Одним из главных достоинств DeviceNet является поддержка нескольких типов обмена сообщениями. Для обеспечения наиболее эффективной передачи сообщений в сети одновременно могут использоваться несколько методов.

1) Опрос (Polling): опрашивающее устройство поочередно запрашивает данные из каждого устройства сети либо посылает данные в это устройство. Данный метод является самым совершенным, но и самым медленным.

2) (Широковещательное) стробирование (Strobing): опрашивающее устройство посылает подчиненным устройствам общий запрос, после чего подчиненные устройства по очереди отсылают главному данные о своем состоянии (первым отвечает узел с номером 1, вторым с номером 2 и т.д.). Меняя порядок нумерации узлов, можно задавать приоритетность сообщений. Опрос и широковещательное стробирование наиболее распространенные способы сбора данных.

3) Периодическая отсылка (Cyclic): сетевые устройства автоматически с установленной периодичностью передают центральному узлу сведения о своем состоянии. Сообщения данного типа, называемые иногда heartbeat-сообщениями (сообщениями типа "я живой"), нередко используются совместно с сообщениями об изменении состояния (Change of State) для индикации текущей работоспособности устройства.

4) Изменение состояния (Change of State): отсылка сообщения происходит только по факту изменения состояния устройства. Отличается наименьшими временными затратами, в крупных сетях его производительность может оказаться выше, чем в сетях с использованием метода опроса. Является самым экономичным с точки зрения временных затрат, но, иногда и наименее точным, поскольку производительность и время отклика становятся непредсказуемыми величинами.

5) Явное сообщение (Explicit Messaging): передача сообщения с одновременным указанием способа его интерпретации устройством. Широко используется для связи с такими сложными устройствами, как приводы и контроллеры в целях получения значений параметров, меняющихся не так быстро и часто, как производственная информация.

6) Фрагментированное сообщение (Fragmented Messaging): если размер передаваемого сообщения превышает восемь байт, оно может быть разделено на несколько восьмибайтовых фрагментов с последующим восстановлением сообщения в принимающем устройстве. Обычно фрагментирование выполняется автоматически, без вмешательства со стороны пользователя.

7) UCCM (UnConnected Massage Manager Менеджер однорангового обмена): UCMM-интерфейсы DeviceNet могут непосредственно взаимодействовать друг с другом на одноранговой (peer-to-peer) основе. В отличие от связи типа "главный-подчиненный", любое UCMM-устройство обменивается данными с другим UCMM-устройством напрямую, без предварительной отсылки информации в главное устройство.

Недостатки: ограниченные пропускная способность, размер сообщений и длина соединения.

2. CANOpen

Происхождение: CAN in Automation, 1993 год.

Максимальное число узлов: 64.

Длина соединения: от 100 до 500 метров.

Скорость передачи данных: 125, 250, 500 и 1000 Кбит/с.

Максимальный размер сообщения: 8 байт на сообщение для одного узла.

Типы сообщений: аналогично DeviceNet.

Область применения: в системах управления перемещением (текстильная и полиграфическая отрасли, упаковочные линии, опрессовка под давлением), сварочных агрегатах, в роботизированном производстве, подъемных и транспортных системах.

Достоинства: по сравнению с другими сетями на базе CAN сеть CANopen в большей степени пригодна для быстродействующих систем управления и контуров регулирования с обратной связью. Высокая надежность, рациональное использование пропускной способности, подача питающего напряжения по сетевому кабелю. Основное отличие CANОpen от других промышленных шин, ориентированных на соединения типа Master/Slave, заключается в способности каждого узла самостоятельно обмениваться данными с другим узлом, минуя главное устройство.

Недостатки: малая распространенность за пределами Европы, сложность протокола, а также общие для всех CAN-сетей недостатки (ограниченная пропускная способность, ограниченный размер сообщений, ограниченная длина соединения).

3.8 AS-интерфейс (Actuator/Sensor Interface)

Разработан в 1993 году Siemens и др.

Интерфейс исполнительных устройств и датчиков, является открытой промышленной сетью нижнего уровня, позволяет осуществить непосредственную интеграцию датчиков и ИМ в систему автоматизации, исключить аналоговые линии. Применяются в распределенных АСУТП РВ, например в СУ конвейерами.

Максимальное количество ведомых узлов 62.

Ограничение общей длины кабеля 100 м (сумма длин всех ветвей сегмента, обслуживаемого одним ведущим устройством). С помощью двух повторителей можно обеспечить расширение до 300 м.

Данные и питающее напряжение передаются по одной паре проводов.

Скорость передачи: 167 кбит/с.

Топология сети: шина, звезда, кольцо, дерево.

В существовавших ранее решениях для подключения дискретных датчиков и ИМ к УУ использовалось множество кабелей, так как каждое устройство подключалось к модулю I/O отдельной парой проводников. При этом затраты на монтаж и эксплуатацию были велики. AS-i позволяет решить задачу подключения датчиков и приводов к СУ с использование одного двухжильного кабеля, с помощью которого обеспечивается питание всех сетевых устройств, опрос датчиков и управление ИМ.

Сеть AS-i может иметь только одно ведущее устройство (master). Это может быть ПЛК, промкомпьютер или модули связи с сетями более высокого уровня.. По спецификации 2.0 до 31 ведомого устройста (slave), по спецификации 2.1 - до 62 за счет разделения адресного пространства ведущего устройства на две подобласти А и В. Используется метод циклического опроса ведомых устройств.

Сеть ASI детерминированная. Это означает, что всегда можно сказать, через какой временной промежуток изменение состояния подчиненного устройства станет известно главному. Время цикла Тц = N x 150 мкс, где N - число узлов (включая Master). Таким образом при опросе 31 устройства Tц= 4,7 мс, 62 устройств Тц=9,4мс, что быстрее цикла опроса ПЛК (около 20 мс).

Протокол AS-I состоит из запросов ведущего устройства длиной 14 бит и ответов ведомого устройства из 7 бит. Время передачи одного бита 6 мкс.

Запрос: ST - стартовый бит (0); SB - управляющий бит (0 - запрос данных; 1 - запрос команды); A4…A0 - адрес ведомого устройства; I4…I0 - информационная часть (данные); PB - бит паритета (сумма всех "1" ведущего и ведомых устройств должна быть четной); EB - конечный бит (1).

Ответ: ST, I3…I0, PB, EB.

В связи с совместной передачей питания и информации разработана альтернативная импульсная модуляция (APM - Alternating Puls Modulation) с применением кода Манчестера и формированием положительных и отрицательных импульсов в линии. В приемнике импульсы преобразовываются в исходную последовательность битов. Для контроля целостности данных используется контрольная сумма (CRC).

Рис. 3.7. Принцип передачи информации в AS-i

Техника быстрого монтажа. На нижнем уровне важен качественный монтаж большого числа устройств. Применяются унифицированные модули для подключения датчиков и ИМ методом прокалывания изоляции. Желтый кабель 2х1,5мм2 (ток до 2А) имеет форму трапеции с выступом, который обеспечивает однозначное положение кабеля в соединительных модулях, прижим и уплотнение, обеспечивая IP67. При потреблении устройствами 31 х 65мА падение напряжения не превысит 3 В. Для дополнительного питания используется кабель черного (пост 24 В) и красного цвета (перем 230 В).

Область применения: в основном в сборочных, сварочных и транспортировочных агрегатах.

Достоинства: простота, низкая стоимость, распространенность, высокое быстродействие, подача питающего напряжения по сетевому кабелю. Превосходное средство для объединения устройств цифрового ввода/вывода. Все, что необходимо сделать пользователю при конфигурировании сети, это задать адрес каждого узла, а также его (узла) входы и выходы. Информация передается по кабелю в виде сигналов синусоидальной формы, отличающихся чрезвычайно узким частотным спектром. Подавление иных частот осуществляется распределенными по всей сети фильтрами, благодаря чему сети ASI могут работать без ошибок передачи данных в шумных (в смысле электрических помех) средах даже в сварочных автоматах.

Недостатки: плохо подходит для объединения устройств аналогового ввода/вывода; ограниченные размеры сети. Аналоговые сигналы могут передаваться по ASI-линиям, однако в этом случае каждый узел может представлять лишь одно аналоговое устройство, а передача сигналов, требующих более четырех бит, должна осуществляться методом фрагментации.

3.9 ControlNet

Происхождение: Allen-Bradley, 1995 год.

Строится на базе кабелей RG6/U (используются в системах кабельного телевидения) и микросхем Rockwell.

Максимальное число узлов: 99

Коннекторы: сдвоенные продублированные BNC-разъемы.

Длина соединения: от 250 до 5000 метров (с ретрансляторами).

Скорость передачи: 5 Мбит/с.

Размер сообщения: от 0 до 510 байт.

Методы обмена сообщениями: на базе модели "производитель/потребитель" (Producer/Consumer); обмен с поддержкой нескольких главных устройств, обмен между одноранговыми устройствами, фрагментированные сообщения, сообщения с приоритетом и расписанием повторных передач; сдвоенные каналы передачи (встроенное резервирование).

Область применения: ответственные сети верхнего уровня, объединяющие персональные компьютеры, программируемые контроллеры, подсети (DeviceNet, Foundation Fieldbus Н1 и т.п.) и средства автоматизации технологических процессов. Шина ControlNet используется также для высокоскоростной передачи чувствительных ко времени данных ввода/вывода, обычных сообщений, для загрузки/выгрузки программирующих и конфигурирующих параметров, а также для обмена сообщениями между одноранговыми устройствами.

Достоинства: детерминированное, стабильное, рациональное использование пропускной способности, дублирование соединений. В других сетях обеспечить резервирование довольно трудно, в то время как в ControlNet парные соединения для этой цели имеет каждый узел. Данные могут передаваться по любому транспортному межсетевому протоколу через Ethernet, Firewire и USB. Одни и те же точки ввода/вывода могут контролироваться несколькими главными устройствами.

Недостатки: ограниченная поддержка производителями, высокая стоимость микросхем Rockwell.

3.10 Foundation Fieldbus

Происхождение: ISA (консорциум американских производителей), 1995 год.

Разработан специально для обрабатывающей промышленности, в которой сетевые системы, как правило, гораздо крупнее, чем автоматизированные системы уровня цеха и производственного участка, характерные для промышленного производства и охватывают целые комплексы зданий. Модернизация и перестройка таких систем осуществляется гораздо реже и обходится дороже.

Самый молодой и быстрорастущий стандарт на промышленную сеть. Вобрал в себя самые современные технологии построения управляющей сети. Представляет полный сервис от передачи файлов и больших объемов информации до замыкания контуров управления контроллеров. На верхнем уровне используется Ethernet 100 Мбит/с, на нижнем стандарт IEC 61158-2 31,5 кбит/с. Особенности:

1) Разработан язык описания оконечных устройств DDL (Device Description Language), позволяющий подключать новые узлы по технологии Plug-and-Play.

2) Ориентирована на обеспечение одноранговой связи без центрального ведущего устройства, что дает реализовать распределенные не только физически, но и логически, что позволяет повысить надежность АСУТП.

Максимальное число узлов: 240 на сегмент (поддерживается до 65000 сегментов).

Длина соединения: до 1900 метров (для Н1).

Размер сообщения: 128 октетов.

Методы обмена сообщениями: клиент/сервер (Client/Server), издатель/подписчик (Publisher/Subscriber), уведомление о событиях (Event Notification).

Область применения: распределенные системы управления, управление непрерывными процессами, периодические технологические процессы, нефтегазопереработка.

Достоинства: гибкий протокол, обладающий широкими возможностями; внутренняя безопасность, интегрированный подход для верхнего и нижнего уровне; перспективы отраслевого стандарта для обрабатывающей промышленности.

Недостатки: ориентация на обрабатывающую промышленность, ограниченный набор совместимых устройств, затянутость процессов стандартизации и принятия в промышленности.

3.11 Industrial Ethernet

Происхождение: DEC, Intel и Xerox, 1976 год.

Базируется на стандарте IEEE 802.3.

Форматы передачи: 10Base2, 10BaseT и 100BaseT, 100BaseFX, 1 Gigabit; кабели с медной жилой (витая пара/тонкий коаксиальный) и оптоволокно.

Коннекторы: BNC и RJ45.

Длина сегмента: 3-100м

Максимальное число узлов: 1024; с использованием маршрутизаторов может быть увеличено.

Длина соединения: от 100 метров (10Base2) до 50 км (одномодовый оптоволоконный кабель с коммутаторами).

Скорость передачи: 10 Мбит/с, 100 Мбит/с.

Размер сообщения: от 64 до 1500 байт.

Формат кадра IEEE 802.3

Preamble - заголовок - 56 бит

SFD(SOF) - признак начала фрейма - 8 бит (10101011)

SA - Адрес назначения - 16 или 48 бит

DA- Адрес источника - 16 или 48 бит

Длина поля данных - 16 бит

Данные и поле-заполнитель (длина поля данных должна быть кратна 8)

FCS - поле контрольной суммы фрейма

Достоинства: Самый распространенный и практически универсальный международный сетевой стандарт. Поддержка передачи больших объемов данных с высокой скоростью.

Основным факторами распространения является наличие большого выбора аппаратных и программных средств построения сетей этого стандарта и желание пользователей распространить Ethernet в промышленные цеха. В то же время использование стандартных средств невозможно в силу производственных особенностей

Недостатки:

1) Накладные расходы на передачу малого объема информации (1-2 байта) неоправданно высоки (минимальный размер блока данных 512 бит=64 байта).

2) Отсутствие возможности подачи питающего напряжения по сетевому кабелю.

3) Физически уязвимые соединения, неприспособленность оборудования к эксплуатации в запыленных помещениях. Проблема решается выпуском оборудования в промышленном исполнении (Hirschmann, MOXA) или путем установки в электротехнический шкаф с IP55. Фирменное решение Hirschmann - гиперкольцо (HIPER-Ring), гарантирующее самовосстановление системы при обрыве кабеля или выходе из строя узла не более чем за 500 мс.

4) Повышенная чувствительность к электромагнитным помехам.

5) Протокол 802.3 не гарантирует сеть от проблем недетерминированности ("зависания"). Последняя проблема частично решается переходом от концентраторов (Hub) к коммутаторов (Switch) и от полудуплексных каналов к дуплексным. Коммутатор направляет полученный информационный кадр на то подключение, где реально находится абонент, а не на всю сеть, сокращая общий объем трафика.

6) Протокол TCP/IP не открывает файлов; он лишь гарантирует их доставку. Поэтому одним из вариантов является упаковка данных в формат существующих промышленных шин, а затем пересылаем (в упакованном виде) по TCP/IP.

7) Непосредственное подключение оконечных устройств к Ethernet пока невыгодно т.к. дорого.

Перспективы развития: Объединение в единую сеть АРМ технологов и операторов. Интеграция существующих систем сбора и обработки данных. Распределенные УСО с Ethernet.

На базе Ethernet реализованы промышленные шины Modbus/TCP, EtherNet/IP, Foundation Fieldbus HSE и ProfiNet.

1000BaseT (гигабитный Ethernet)

Основой является стандарт IEEE 802.3z, утвержден в 1998 году.

Область применения: связь между серверами, коммутаторами и магистральными узлами.

1000BaseT обратно совместим с 10/100 оборудованием, он использует кабель CAT5e и выше, т.е. можно использовать существующую кабельную структуру CAT 5е. Ограничения по длине и топологии те же, что и у 100BaseT (Макс. диаметр сети 200 метров (от одного компьютера до другого через один коммутатор). Для перехода на 1000BaseT достаточно установить "гигабитную" сетевую карту и коммутатор.

Особенности:

1) 1000BaseT использует все четыре пары кабеля категории 5 (или выше) для создания четырех 250 Мбит/с каналов. (Также применяется и другая схема кодирования - пятиуровневая амплитудно-импульсная модуляция - чтобы оставаться в пределах частотного диапазона 100 МГц CAT5). Поскольку 10/100BaseT использует только две пары CAT5 из четырех, иногда не подключали лишние пары при прокладке сетей. Пары использовались, к примеру, для телефона или для питания по Ethernet (POE). Гигабитные сетевые карты и коммутаторы обладают способностью функционировать по стандарту 100BaseT если все четыре пары будут недоступны.

2) Критичность к качеству соединений. Плохой обжим и некачественные розетки приводят к увеличению сопротивления линии, в результате чего возникают потери, а вследствие них и уменьшение пропускной способности.

3) Требования к ОС: Win2000 и WinXP. Под Win98 или 98SE не будет существенного прироста производительности по сравнению с текущим 10/100 оборудованием. Проблема кроется в TCP/IP стеке Win98, который не был разработан с учетом высокоскоростных сетей. У стека возникают проблемы даже с использованием 100BaseT сети.

4) Требования к аппаратной части: Необходим компьютер с частотой от 1ГГц. На старых компьютерах гигабитный Ethernet покажет скорости 100-500 Мбит/с.

3.12 HART-протокол

Протокол Highway Addressable Remote Transducer (HART) разработан американской компанией Rosemount в середине 80х годов. Предназначен для передачи цифрового сигнала по широко использующейся в АСУТП аналоговой линии 4-20 мА, для нового поколения интеллектуальных приборов и датчиков.

Топология: точка-точка (шина)

Максимальное количество устройств: 1 подчиненное и 2 ведущих (15 и 2)

Максимальная длина линии связи: 3 км (100 м)

Тип линии: экранированная витая пара

Скорость передачи: 1,2 кбит/с

Основан на методе передачи данных с помощью частотной модуляции в соответствии со стандартом Bell 202. Аппаратно основан на Bell- или HART-модемах. Важным условием для передачи является нагрузка в общей цепи 230…1100 Ом. Для передачи могут применяться любые двухпроводные кабели длиной до 3000 м.

Цифровая информация передается частотами 1200 Гц (логическая 1) и 2200 Гц (логический 0), (амплитуда 0,5мА) которые накладываются на аналоговый токовый сигнал. Сигнал является двухполярным и при применении фильтрации не влияет на основной аналоговый сигнал.

Описание параметров и правил управления HART-устройствами осуществляется на языке DDL (Device Description Language) - язык описания устройств в текстовом формате, а затем переводится в DD - двоичный формат.

Структура HART-телеграммы:

1) Запрос от ведущего устройства: PA, SD, AD, CD, BC, DT (0..25 байт), CHK

2) Ответ ведомого устройства: PA, SD, AD, CD, BC, ST, DT (0..25 байт), CHK

3) Формат байта: стартовый бит, D7…D0, бит паритета, стоповый бит.

PA - преамбула; SD - признак старта; AD - адрес портативного HART-терминала; CD - HART-команда; ST - статус полевого устройства; BC - длина поля статуса и данных; DT - поле данных; CHK - контрольная сумма.

3.13 IEEE-1394 (FireWire)

Разработана в 1994 году Apple. В 1997 году FireWire появилась в составе операционной системы Mac OS. Массовое появление FireWire началось в 1999 году, когда он стал стандартным компонентом всех профессиональных компьютеров Power Macintosh.

В последнее время возникла нужда в высокоскоростной шине, требовала бы нескольких проводов (т.е. была бы последовательной), позволяла бы строить "деревья" из различных периферийных устройств. По скорости передачи подходит только SCSI, но он имеет большое число контактов, отсутствие горячего подключения устройств и др. Интерфейс USB подходит конструктивно (маленький разъем, есть цепи питания для периферийных устройств), не имеет высокой пропускной способности. Именно из-за ограничений имеющихся шин интерфейс IEEE-1394 (FireWire) стал широко внедряться в компьютерной индустрии. Так как название FireWire принадлежит Apple, поэтому правильное название - IEEE-1394. Некоторые компании используют собственное название, например Sony - iLink.

Характеристики

- скорость передачи данных до 400 Мбит/с с развитием шины в будущем до скоростей в 800 Мбит/с и более

-16-ти разрядный адрес позволяет адресовать до 64K узлов на шине

- предельная теоретическая длина шины 224 м (реальная длина до 4,2 м).

-"горячее" подключение/отключение без потери данных

- автоматическое конфигурирование, аналогичное Plug&Play

- произвольная топология шины

- возможность обмена с гарантированной пропускной способностью, что крайне необходимо для передачи видеоизображения. Это означает, что можно зарезервировать "коридор", например, между компьютером и видеокамерой, который останется свободным независимо от уровня нагрузки на шину со стороны остальных устройств.

Кабель IEEE 1394

Шесть контактов FireWire подсоединены к двум проводам, идущим к источнику питания, и двум витым парам сигнальных проводов. Каждая витая пара и весь кабель в целом экранированы.



Рис. 3.8. Сечение кабеля

Провода питания рассчитаны на ток до 1,5 А при напряжении от 8 до 40 В, поддерживают работу всей шины, даже когда некоторые устройства выключены. Они также делают ненужными кабели питания во многих устройствах. Кабели и розетки для подключения периферийных устройств существуют в нескольких вариантах, в зависимости от требуемых параметров:

В версию 1394а введено множество небольших улучшений, что позволяют говорить о следующем шаге в развитии стандарта. Введена команда ping. Ранее устройство должно было ответить не больше, чем через 144 наносекунды, в противном случае считалось, что оно недоступно. Это определило максимальную длину кабеля в IEEE 1394 в 4,5 метра. Введение ping позволяет соседним устройствам точно знать, когда следует ждать ответа. Это дало возможность преодолеть ограничение в обязательные 144 наносекунды и использовать кабели большей длины.

В настоящее время идут работы над версией 1394b. Планируется выход на скорость 800 и 1600 Мбит/с (возможно, и 3200 Мбит/с), и увеличение макс. длины кабеля до 50, 70 и даже до 100 метров. Изменились разъёмы и кабели. В 1394b могут применяться UTP кабели 5 категории, на скоростях до 100 мбит/сек. Для достижения максимальных скоростей на максимальных расстояниях предусмотрено использование оптики, пластмассовой - для длины до 50 м, и стеклянной - до 100 м.

Область применения: системы технического зрения, высокоскоростные приводы станков.

3.14 Беспроводные технологии передачи данных

1. GPRS (General Packet Radio Service - услуга пакетной передачи данных по радиоканалу) - расширение сетей GSM, приспособленное для передачи прерывистого трафика со скоростью 14,4 - 115 кбит/с (один/несколько временных каналов). Достоинство: беспроводная связь и высокая скорость передачи данных. Поддерживает все распространенные протоколы, в том числе IP, что позволяет соединяться с существующими системами передачи данных. Целесообразно применять для связи с большим количеством точек, удаленных на значительное расстояние, при небольшом объеме передаваемой информации, высокой стоимости прокладки линии связи и вероятности аварии на коммутируемых кабельных линиях. Система GPRS строится добавлением в промышленную сеть GPRS-модемов (встраиваемое исполнение или внешнее через RS-232) Пример: Siemens MC35 Terminal.

Инфракрасный протокол связи IrDA (Infra red Data Assotiation)

Разработан в 1994 г. Позволяет соединяться с периферийным оборудованием при помощи ИК-излучения с длиной волны 850-900 нм на расстоянии до 1 метра.

Устройство ИК-интерфейса состоит преобразователь (свето и фотодиоды с управляющей электроникой) и декодер.

Порт IrDA основан на архитектуре СОМ-порта ПК, который использует универсальный асинхронный приемо-передатчик UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) и работает со скоростью передачи данных 2400-115200 bps.

Связь в IrDA полудуплексная, т.к. передаваемый ИК-луч неизбежно засвечивает соседний фотодиод.

Физические основы IrDA. Передающая часть. Байт, который требуется передать, посылается в блок UART из CPU командой записи ввода-вывода. UART пакует данные в кадры по 10 бит (1 стартовый бит, 8 бит данных, 1 стоповый бит). Логический "0" передается ИК-импульсом длиной 1.6 мкс, а логическая "1" передается как отсутствие ИК-импульса. Стандарт IrDA требует, чтобы интенсивность излучения в конусе ± 30° была в диапазоне 40-50 мВт/см2.

Приемная часть. Переданные ИК-импульсы поступают на PIN-диод, преобразующий импульсы света в токовые импульсы, которые усиливаются, фильтруются и сравниваются с пороговым уровнем для преобразования в логические уровни. Протокол IrDA требует, чтобы приемник улавливал ИК-импульсы мощностью от 4 - 500 мВт/см2 в угловом диапазоне ± 15°. Основным источником интерференции (помех), является солнечный свет.

3. Bluetooth

Технология названа в честь Харальда Блатэнда "Голубого Зуба", который объединил земли Норвегии и Дании. На подобную аналогию и нацеливались разработчики Bluetooth (Ericsson, IBM, Intel, Nokia и Toshiba) - объединить многочисленные продукты и различные протоколы. Компьютеры, сотовые телефоны, принтеры - все они общаются с остальным миром посредством Ethernet, шины USB, или последовательного либо параллельного порта. Существует потребность в упрощении различных видов связи и перевод их под единый стандарт.

Достоинства:

1) малая мощность передатчиков;

2) малые размеры системы, позволяющие устанавливать ее в различные оконечные и периферийные устройства (мобильные телефоны, ноутбуки, устройства ввода/вывода ПК, и многие другие), размер чипа 9х9 мм;

3) низкая стоимость, благодаря чему прогнозируется широкое внедрение новой технологии.

В основе технологии Bluetooth лежит принцип радиосвязи при быстром скачкообразном изменении частоты - до 1600 переприемов каналов/с (в зависимости от состояния трафика) в диапазоне частот 2,402-2,480ГГц. Емкость этой полосы частот -- 79 каналов с шириной полосы пропускания канала 1 МГц. Максимальная скорость обмена данными может достигать 1 Мбит/с. Как и в протоколе IP, данные посылаются отдельными пакетами. Помимо адреса назначения, контрольные блоки содержат частоту следующего пакета. В результате наличия дополнительной управляющей информации, действительная пропускная способность оказывается равной в лучшем случае 864 кбит/с. Особенностью диапазона 2,4 ГГц является то, что в странах Европы, в Японии и США на основании решений IEEE 802.11 он определен как технический диапазон. Работа излучающих устройств в нем не требует лицензии. В этом диапазоне работают микроволновые печи, беспроводные сети, другие системы передачи данных. При одновременной работе все излучающие устройства будут мешать друг другу, но победит устройство с более высоким уровнем сигнала.

При попадании устройства, оснащенного системой Bluetooth в зону действия другого такого же устройства, которая представляет собой круг радиусом от 10 до 100 м, между ними автоматически происходит обмен адресными и другими данными и устанавливается соединение с высоким уровнем защищенности и коррекцией ошибок.

Сети Bluetooth были разработаны с учетом поддержки до восьми устройств, причем такая сеть была названа "пиконет" (piconet). Каждому устройству присваивается статус - ведущего (master) или ведомого (slave). Ведущие устройства отвечают за организацию и управление соединениями, включая связь между двумя ведомыми устройствами. Ведущее устройство может одновременно находиться в двух раздельных сетях, в результате чего в цепочку может быть связано до десяти сетей. Поэтому теоретически возможно соединение 8 x 10 = 80 устройств, или 72 периферийных устройств.

Для различных типов устройств утверждено 20 профилей протокола. Некоторые профили являются общими, и они позволяют устройствам Bluetooth определять и распознавать друг друга. Другие профили используются в зависимости от типа устройства. В идеале все устройства должны иметь все профили, но это дорого, до $50 за чип.

1) GAP (General Access Profile - общий профиль) является самым нижним уровнем и позволяет устройствам определять и опознавать друг друга.

2) SPP (Serial Port Profile - профиль последовательного порта) для принтера.

3) LAN Access Profile - сетевой профиль

4) DNP (Dial-Up Networking Profile) - профиль коммутируемого соединения c сотовым телефонам и модемам.

Выбор связи зависит от типа посылаемых данных.

1) Синхронная связь предоставляет двустороннюю передачу данных на скорости 432 кбит/с. Скорость одинакова в обоих направлениях, связь позволяет двум компьютерам общаться между собой, однако применимость синхронной передачи ограничена. Для передачи звука используется двунаправленная связь голос/данные, которая обеспечивает скорость передачи 64 кбит/с в обе стороны.

2) Более широко распространена асинхронная связь, когда в одну сторону данные передаются со скоростью 721 кбит/с, а в другую - 57,6 кбит/с. Такая связь удобна, к примеру, для принтера, который получает большой объем данных с компьютера и отправляет обратно лишь управляющую информацию и подтверждения.

ГЛАВА 4. ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

4.1 Основные понятия и определения

Задачи реального времени составляют одну из сложнейших и крайне важных областей применения вычислительной техники, связанных с контролем и управлением процессами. Область задач РВ: управление прокатными станами, роботами, транспортными системами, атомными станциями и др. Эти задачи предъявляют такие требования к аппаратному и программному обеспечению, как надежность, высокая пропускная способность передающей среды в распределенных системах, своевременная реакция на внешние события и т.д.

Каноническое определение: "Система реального времени, та, в которой правильный результат зависит не только от логической правильности вычислений, а также от времени, за которое будет получен результат. Если временные ограничения не выполняются, считается, что в системе случился сбой".

Назовем системой реального времени (далее СРВ) аппаратно-программный комплекс, реагирующий в предсказуемые времена на непредсказуемый поток внешних событий.

Различают 2 типа СРВ:

1) Системы жесткого реального времени не допускают никаких задержек реакции системы ни при каких условиях. Примеры: бортовые системы управления, системы аварийной защиты, регистраторы аварийных событий.

2) Системы мягкого реального времени, в которых задержка реакции допустима, хотя и может привести к увеличению стоимости результатов и снижению производительности системы в целом. Пример - работа компьютерной сети. Если система не успела обработать очередной принятый пакет, это приведет к таймауту на передающей стороне и повторной посылке (в зависимости от протокола, конечно). Данные при этом не теряются, но производительность сети снижается.

Основное отличие между системами жесткого и мягкого реального времени можно выразить так: система жесткого реального времени никогда не опаздает с реакцией на событие, система мягкого реального времени - не должна опаздывать с реакцией на событие.

2 типа ОС:

1) ОС общего назначения (GPOS) ориентированы на оптимальное распределение ресурсов компьютера между несколькими одновременно выполняющимися программами (системы разделения времени),

2) ОСРВ (RTOS - real-time operating system) ориентированы на обработку внешних событий. Главная задача - своевременно обработать события, происходящие на объекте.

Под ОСРВ понимают такую систему, которая может быть использована для построения систем жесткого реального времени.

Применение ОСРВ всегда конкретно. Если ОС общего назначения обычно воспринимается пользователями (не разработчиками) как уже готовый набор приложений, то ОСРВ служит только инструментом для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени. И поэтому наиболее широкий класс пользователей ОСРВ - разработчики комплексов реального времени, люди, проектирующие системы управления и сбора данных. Проектируя и разрабатывая конкретную СРВ, программист всегда знает точно, какие события могут произойти на объекте, знает критические сроки обслуживания каждого из этих событий.

4.2 Системы исполнения и разработки ОСРВ

Одно из коренных внешних отличий ОСРВ от систем общего назначения - четкое разграничение систем разработки и систем исполнения.

I. Система исполнения ОСРВ - это набор инструментов (ядро, драйверы, исполняемые модули), обеспечивающих функционирование приложения реального времени. Большинство современных ОСРВ поддерживают спектр аппаратных архитектур, на которых работают системы исполнения (Intel, Motorola, RISC, MIPS, PowerPC и другие). Это объясняется тем, что набор аппаратных средств - часть комплекса реального времени и аппаратура должна быть также адекватна решаемой задаче, поэтому ведущие ОСРВ перекрывают целый ряд наиболее популярных архитектур, чтобы удовлетворить самым разным требованиям по части аппаратуры. Система исполнения ОСРВ и компьютер, на котором она выполняется, называют целевой системой (target).

Основой любой среды исполнения в реальном времени является ядро и диспетчер. Ядро управляет аппаратными средствами целевого компьютера: центральным процессором, памятью и устройствами ввода/вывода; контролирует работу всех других систем и программных средств прикладного характера. Диспетчер занимает место между аппаратными средствами целевого компьютера и прикладным ПО и дает прикладным программам доступ к таким ресурсам системы, как, например, память или устройства ввода/вывода.

Требования к среде исполнения:

1) Небольшая память под ОС - для возможности ее встраивания.

2) Система должна быть полностью резидентна в памяти, чтобы избежать замещения страниц памяти или подкачки.

3) Многозадачность - для обеспечения эффективного использования всех ресурсов системы.

4) Ядро с приоритетом на обслуживание прерывания. Ядро заканчивает любую сервисную работу, как только поступает задача с высшим приоритетом. Это гарантирует предсказуемость системы.

5) Диспетчер с приоритетом - дает возможность разработчику присвоить каждому загрузочному модулю приоритет, неподвластный системе. Используется для определения очередности запуска программ, готовых к исполнению.

Диспетчеризация, в основу которой положен принцип присвоения приоритета, и наличие ядра с приоритетом на прерывание позволяют разработчику прикладной программы полностью контролировать систему. Если наступает событие с высшим приоритетом, система прекращает обработку задачи с низшим приоритетом и отвечает на вновь поступивший запрос.

Ядро может обеспечивать сервис пяти типов:

1) Синхронизация ресурсов. Метод синхронизации требует ограничить доступ к общим ресурсам (данным и внешним устройствам). Наиболее распространенный тип примитивной синхронизации - двоичный семафор, обеспечивающий избирательный доступ к общим ресурсам. Процесс, требующий защищенного семафором ресурса, вынужден ожидать до тех пор, пока семафор не станет доступным, что свидетельствует об освобождении ожидаемого ресурса, и, захватив ресурс, установить семафор. Системы, обладающие большей ошибкоустойчивостью, могут иметь счетный семафор. Этот вид семафора разрешает одновременный доступ к ресурсу лишь определенному количеству процессов. Пример из СМО.

2) Межзадачный обмен. Обеспечивает обмен данными между программами внутри системы или с другими системами через сеть. Внутренняя связь может быть осуществлена через систему передачи сообщений. Внешнюю связь можно организовать либо через датаграмму (наилучший способ доставки), либо по линиям связи (гарантированная доставка). Выбор того или иного способа зависит от протокола связи.

3) Разделение данных. В прикладных программах, работающих в РВ, наиболее длительным является сбор данных. Данные часто необходимы для работы других программ или нужны системе для выполнения своих функций. Во многих системах предусмотрен доступ к общим разделам памяти. Широко распространена организация очереди данных.

4) Обработка запросов внешних устройств. Каждая прикладная программа в реальном времени связана с внешним устройством определенного типа. Ядро должно обеспечивать службы ввода/вывода, позволяющие прикладным программам осуществлять чтение с этих устройств и запись на них, а также сервис, облегчающий работу с драйверами устройств, например, давать возможность записи на языках высокого уровня - таких, как Си или Паскаль.

5) Обработка особых ситуаций. Особая ситуация - событие, возникающее во время выполнения программы. Она может быть синхронной, если ее возникновение предсказуемо, например, деление на нуль. А может быть и асинхронной, если возникает непредсказуемо, например, падение напряжения. Предоставление возможности обрабатывать события такого типа позволяет прикладным программам РВ быстро и предсказуемо отвечать на внутренние и внешние события. Существуют два метода обработки особых ситуаций - использование значений состояния для обнаружения ошибочных условий и использование обработчика особых ситуаций для прерывания ошибочных условий и их корректировки.

II. Среда разработки - набор средств, обеспечивающих создание и отладку приложения РВ. Системы разработки (компиляторы, отладчики) работают, как правило, в распространенных ОС, таких как UNIX и Windows. Кроме того, многие ОСРВ имеют и резидентные средства разработки, исполняющиеся в среде самой ОСРВ, - особенно это относится к ОСРВ класса "ядра". Средства разработки ОСРВ включают в себя:

1) средства удаленной отладки,

2) средства профилирования (измерения времени выполнения отдельных участков кода),

3) средства эмуляции целевого процессора,

4) специальные средства отладки взаимодействующих задач,

5) средства моделирования.

POSIX - стандарт на ОС, призван обеспечить переносимость приложений между различными платформами. Одна из важнейших частей этого стандарта посвящена обеспечению мобильности приложений реального времени. Для этого стандартизуются необходимые программные интерфейсы (диспетчеризация и синхронизация процессов, обеспечение I/O и др.), поддержка "нитей" и процессов, таймауты, управление прерываниями. Этот стандарт получает все большее распространение.

4.3 Параметры ОСРВ

1) Время реакции системы. События, происходящие на объекте, регистрируются датчиками, информация с которых передается в модули ввода-вывода (интерфейсы) системы. Модули ввода-вывода, получив информацию от датчиков и преобразовав ее, генерируют запрос на прерывание в управляющем компьютере, подавая сигнал о том, что на объекте произошло событие. Получив сигнал от модуля ввода-вывода, система должна запустить программу обработки этого события.

Интервал времени - от момента возникновения события на объекте до выполнения первой инструкции в программе обработки этого события - является временем реакции системы на события, и, проектируя СРВ, разработчики должны уметь вычислять этот интервал. Он складывается из

а) интервала от события на объекте до генерации прерывания (не зависит от ОСРВ и целиком определяется аппаратурой)

б) интервала от возникновения запроса на прерывание и до выполнения первой инструкции его обработчика (определяется целиком свойствами ОС и архитектурой компьютера).

Это время нужно оценивать в худшей для системы ситуации, то есть в предположении, что процессор загружен, что в это время могут происходить другие прерывания, что система может выполнять какие-то действия, блокирующие прерывания.

2) Время переключения контекста. В ОСРВ заложен параллелизм, возможность одновременной обработки нескольких событий, поэтому все ОСРВ являются многозадачными (многопроцессными, многонитиевыми). Для того чтобы уметь оценивать накладные расходы системы при обработке параллельных событий, необходимо знать время, которое система затрачивает на передачу управления от процесса к процессу (от задачи к задаче, от нити к нити), то есть время переключения контекста.

3) Размеры системы. Для ОСРВ важным параметром является размер системы исполнения, а именно суммарный размер минимально необходимого для работы приложения системного набора (ядро, системные модули, драйверы и т. д.). Хотя надо признать, что с течением времени значение этого параметра уменьшается, тем не менее, он остается важным, и производители ОСРВ стремятся к тому, чтобы размеры ядра и обслуживающих модулей системы были невелики. Например, размер ядра ОСРВ OS9 на микропроцессорах МС68xxx - 22 кбайт, VxWorks - 16 кбайт.

4) Возможность исполнения системы из ПЗУ (ROM).

Это свойство ОСРВ - одно из базовых. Оно позволяет создавать компактные встроенные СРВ повышенной надежности, с ограниченным энергопотреблением, без внешних накопителей.

Процесс проектирования конкретной СРВ начинается с тщательного изучения объекта. Определяются возможные события на нем, критические сроки реакции системы на каждое событие и разрабатываются алгоритмы обработки этих событий. Затем следует процесс проектирования и разработки программных приложений.

Идеальной ОСРВ является "система, управляемая критическими сроками". Разработка приложений реального времени в этой системе сводится к описанию возможных событий на объекте. Указывается два параметра: критическое время обслуживания данного события и адрес подпрограммы его обработки. Всю дальнейшую заботу о том, чтобы подпрограмма обработки события стартовала до истечения критического интервала времени, берет на себя ОС.

В реальности разработчик должен перевести язык событий объекта в сценарий многозадачной работы приложений ОСРВ, оптимально используя предоставленные ему специальные механизмы и оценить времена реакций системы на внешние события при этом сценарии.

4.4 Классы ОСРВ

1) Исполнительные системы реального времени. Признаки систем этого типа - различные платформы для систем разработки и исполнения. Приложение реального времени разрабатывается на host-компьютере (компьютере системы разработки), затем компонуется с ядром и загружается в целевую систему для исполнения. Как правило, приложение реального времени - это одна задача, и параллелизм здесь достигается с помощью нитей (threads).

Достоинства: высокое быстродействие системы. Достигается наличием только нитей (потоков), которые в отличие от процессов имеют малое время переключения контекста. Качество и функциональность систем разработки, так как они были изначально кроссовыми.

Недостатки: "зависание" всей системы при "зависании" нити, проблемы с динамической подгрузкой новых приложений, высокая цена (порядка $20000).

Область применения: компактные быстродействующие СРВ. Пример: VxWorks.

2) Ядра реального времени. В этот класс входят системы с монолитным ядром, где содержится реализация всех механизмов РВ. Исторически системы этого типа были хорошо спроектированы. В отличие от систем других классов, разработчики этих систем имели время для разработки систем именно РВ и не были ограничены в выборе средств (например, Microware имела в своем распоряжении три года для разработки OS9).

Системы этого класса, как правило, модульные, хорошо структурированные, имеют наиболее развитый набор специфических механизмов реального времени, компактные и предсказуемые.

Одна из особенностей систем этого класса - высокая степень масштабируемости. На базе этих ОС можно построить как компактные системы реального времени, так и большие системы серверного класса.

Пример: OS9, QNX.

3) UNIXы реального времени. Исторически СРВ создавались в эпоху расцвета UNIX и поэтому многие из них содержат те или иные заимствования из этой ОС (пользовательский интерфейс, концепция процессов и т.д.).

Часть разработчиков ОСРВ попыталась просто переписать ядро UNIX, сохранив при этом интерфейс пользовательских процессов с системой, насколько это было возможно. Реализация этой идеи не была слишком сложной, поскольку не было препятствия в доступе к исходным текстам ядра, а результат оказался замечательным. Получили и реальное время, и сразу весь набор пользовательских приложений - компиляторы, пакеты, различные инструментальные системы.

В этом смысле создателям систем первых двух классов пришлось потрудиться не только при создании ядра реального времени, но и продвинутых систем разработки.

Недостатки: СРВ получаются достаточно большими и быстродействие их ниже, чем у систем первых двух классов.

Пример: Lynx OS.

4) Расширения реального времени для Windows NT. Появление расширений реального времени для Windows NT обусловлено широкой распространённостью этой платформы, большому выбору прикладных программ, мощный программный интерфейс Win32 API.

Несмотря на то, что Windows NT создавалась как сетевая ОС, а не ОСРВ, в нее при создании были заложены элементы РВ, а именно: двухуровневая система обработки прерываний (ISR и DPC), классы реального времени (процессы с приоритетами 16-32 планируются в соответствии с правилами РВ). Причина появления этих элементов кроется в том, что у разработчиков Windows NT был опыт создания ОСРВ RSX11М для DEC.

Даже поверхностный анализ Windows NT показывает, что эта система не годится для построения систем жесткого РВ (система непредсказуема - время выполнения системных вызовов и время реакции на прерывания сильно зависит от загрузки системы; система велика; нет механизмов защиты от "зависаний" и пр. и пр.). Поэтому даже в системах мягкого РВ Windows NT можно использовать только при выполнении целого ряда рекомендаций и ограничений.

Разработчики расширений пошли двумя путями:

1. Использование ядра классических ОСРВ в качестве дополнения к ядру Windows NT. Пример: VxWorks (LP Elektroniks), InTime (Radisys). Предоставляется набор функций для связи приложений РВ и приложений Windows NT. Вначале загружается Windows NT, затем с помощью специального загрузчика загружается ОСРВ, распределяя под себя необходимую память Windows (что в дальнейшем позволяет избежать конфликтов памяти между двумя ОС). После этого управление переходит ОСРВ, отдавая процессор ядру Windows NT только в случаях, когда это позволяют приложения РВ. Синхронизацию и обмен данными между Windows NT и VxWorks осуществляет псевдодрайверы TCP/IP. Работу с объектом выполняет приложение РВ, передавая затем результаты приложениям Windows NT для обработки, передачи в сеть, архивирования и т. п.

2. Интеграция РВ в Windows NT путем исследования причин задержек и "зависаний" и устранения их с помощью подсистемы РВ. Решения фирмы VenturCom (RTX 4.2) базируются на модификациях уровня аппаратных абстракций Windows NT (HAL - Hardware Abstraction Layer) - программного слоя, через который драйверы взаимодействуют с аппаратурой. Модифицированный HAL и дополнительные функции (RTAPI) отвечают также за стабильность и надежность системы, обеспечивая отслеживание "зависания" приложений или блокировку прерываний. В состав RTX входит также подсистема РВ RTSS, с помощью которой Windows NT расширяется дополнительным набором объектов (аналогичным стандартным, но с атрибутами РВ). Введены объекты РВ (нити, потоки, процессы), которые управляются специальным планировщиком РВ (256 фиксированных приоритетов, алгоритм - приоритетный с вытеснением). Появляется возможность простого создания программ управления устройствами, так как среди функций RTAPI есть и функции работы с портами ввода-вывода и физической памятью. Предложения VenturCom предоставляют для Windows NT возможность конфигурирования и создания встроенных конфигураций (без дисков, клавиатуры и монитора).

Результаты независимых тестирований показывают, что данные решения можно использовать для построения систем жесткого реального времени.

Область применения расширений реального времени - большие системы РВ, где требуется визуализация, работа с базами данных, доступ в Интернет и т.п.

5) Windows CE версий 2.х не являются ОСРВ. Версия 3.0 и CE .NET позиционируются как ОСРВ. Microsoft открыл проект CE с целью выйти на рынок встроенных применений и, наверное, достигнет многого на этом рынке. Однако встроенные системы и СРВ - не одно и то же. Создать же универсальную систему, удовлетворяющую противоречивым требованиям невозможно.

Windows XP Embedded.

4.5 QNX

QNX (пpоизноcитcя как "queue nicks"). Разработка QSS. ОС жесткого pеального вpемени, cетевая, мyльтизадачная, многопользовательcкая, микpоядеpная, иcпользyющая механизм пеpедачи cообщений.

Три семейства QNX:

1) QNX2 мало распространена в России. До 1991 года запрещена к вывозу из Северной Америки как стратегический ресурс. Ориентирована на процессоры Intel 286.

2) QNX4 использует защищенный режим, может применяться на процессорах не ниже Intel 386. Самая распространенная. Последняя версия 4.25 патч G.После 2003 не развивается, но выпускаются драйверы для новых устройств.

3) QNX6 (Neutrino) - cледyющее поколение опеpационных cиcтем от QSSL, поcтpоена с полной поддержкой спецификаций POSIX. Любой программист, знающий любую UNIX-систему может программировать QNX без переучивания. Вмеcто отдельного ядpа c оcновными пpоцеccами и cкpипта sysinit вcе заделано в один загpyжаемый модyль. Пpичем cиcтема полyчилаcь наcтолько гибкой, что даже можно обойтиcь без менеджеpа пpоцеccов, еcли они не нyжны, оcтавив только одно микpоядpо. Последняя версия 6.3.

...