DE3812216C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Datenverarbeitungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mikrocomputer gewinnen zunehmend in unterschiedlichsten Bereichen der Technik an Bedeutung und sind bei einer großen Vielzahl von Anwendungsgebieten unverzichtbar. Da ferner die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung von Mikroprozessoren zunimmt und die Herstellungskosten sich reduzieren, werden sie in mehr und mehr Anwendungsgebieten eingesetzt, wobei aber bei vielen Anwendungen die Notwendigkeit besteht, daß ein Mikroprozessor mit peripheren Einheiten bzw. mit weiteren Mikrocomputern kommunizieren muß (Datenverarbeitungsanlage), was den Aufbau eines Kommunikationssystems (Datenbus) erfordert, das die Stationen der Datenverarbeitungsanlage verbindet und über das gemäß einem festgelegten Verfahren der Austausch von Daten bzw. die Steuerung bestimmter Stationen erfolgen kann. Diese Stationen können außer Mikrocomputer auch Eingabe/Ausgabe-Prozessoren, Funktionsgeneratoren, Speicher, Eingabe/Ausgabe-Geräte, wie z. B. Tastenfelder oder Anzeigeanordnungen oder auch Sensoren für physikalische/chemische Größen sein. Anwendungsgebiete für ein solches, mehrere Stationen verbindendes Bus-System betreffen die Meßdatenerfassung und die Prozeßsteuerung.

Um ein Kommunikationssystem kostengünstig aufbauen zu können, ist ein energiesparendes und billiges Bus-System mit ausreichender Flexibilität und hoher Störsicherheit erforderlich.

Ein System der eingangs erwähnten Art ist aus der EP-PS 00 51 332 bekannt. Es umfaßt ein serielles Zweidraht-Bussystem mit einem Taktdraht und mit einem Datendraht, wobei jede der Leitungen die UND-Funktion ("wired- AND"-Betriebsart) für die daran empfangenen logischen Signale erfüllt, wodurch eine Multi-Meister-Fähigkeit mit der Möglichkeit zur Prioritätenberechnung bei Zugriffskollision zweier Meister gegeben ist. Diese wired-AND-Betriebsart hat aber als Nachteil eine erhöhte Stromaufnahme während der Datenübertragung zur Folge, da die Bus-Leitung niederohmig über einen Widerstand ("Pull-up") an den logischen Pegel "High" geklemmt ist und von den sendenden Stationen im Bedarfsfall gegen diese definierte Widerstandslast aktiv auf den anderen logischen Pegel "Low" gezogen wird.

Wenn ein solcher Bus, dessen Bustreiber offene Kollektor-Ausgänge aufweist, längere Wege überbrücken soll, sind immer größere Ladungskapazitäten umzuladen. Entsprechend muß der Pull-up-Widerstand bei gegebener Übertragungsfrequenz immer kleiner werden. Er stellt daher neben der kapazitiven Last eine zusätzliche unerwünschte Stromverbrauchsursache dar.

Aus dem Buch "IEC-Bus" von Dr. A. Piotrowski, Franzis-Verlag 1984, Seite 158, Kapitel 1.3.2 sind Bus-Systeme bekannt, die Bustreiber mit Tri-State zum Senden, beispielsweise des Signales REN (Remote Enable) verwenden, da dieses Signal immer nur von einem Sender aus aktiviert wird. Hierbei dient der hochohmige Zustand der Tri-State-Stufe lediglich dazu, daß eine Sendestation, die über eine Steuerleitung (Managementbus) nicht auf Empfang geschaltet ist, die auf der Busleitung befindlichen Signale nicht beeinflußt.

Als Vorteil eines offenen Kollektor-Bussystems wird häufig angeführt, daß die ohm'sche Last in Form der Pull-up-Widerstände die Störsicherheit des Systems erhöhe, da sich Störspannungen auf der Bus-Leitung rasch über diese Last abbauen können. Es ist jedoch festzustellen, daß zur Verbesserung der Störsicherheit je nach Ursache der Störung eine Vielfalt von Maßnahmen in Frage kommt (z. B. Abschirmen der Leitung, induktive Trennung, Optokoppler, kapazitive Zusatzlast), die jeweils unterschiedlich wirksam sind. Daher ist die Festlegung auf eine ohm'sche Last eine meist nachteilige Einschränkung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Betreiben einer Datenverarbeitungsanlage anzugeben, an dessen Datenbus eine von vornherein nicht begrenzte Anzahl von Stationen sowie mehrere Meister-Stationen (Multi-Meister-Fähigkeit) anschließbar sind und der Datenbus einen geringen Stromverbrauch aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betreiben einer Datenverarbeitungsanlage der eingangs erwähnten Art gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das Wesen der Erfindung liegt darin, daß durch die Verwendung des passiven Zustandes der Tri-State-Sendestufen zur Signalisierung mehrere sendende Teilnehmer den Bus teilweise gleichzeitig benutzen können, wobei dies durch die erfindungsgemäße Art der Signalisierung erfolgt.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß unabhängig von einer möglicherweise hohen Leitungskapazität eine hochohmige Ankopplung der Busleitungen an das Bezugs­ potential für einwandfreien Betrieb ausreicht und somit der Stromverbrauch gering ist. Außerdem können zur Codierung der logischen Werte bzw. der Steuer- und For­ matsignale zusätzlich zu den aktiven Sendezustän­ den auch die passiven Zustände, die durch einen hohen elektrischen Übergangswiderstand der Sendestationen zum Datendraht gekennzeichnet sind, mit herangezogen werden. Hierdurch ist es möglich, interferierende Signale von mehreren Sendestationen auf den Bus zu leiten, ohne daß ein Kurzschluß der Ausgangsstufen über den Bus erfolgt (Multi-Meister-Fähigkeit).

Eine Station, die eine Übertragung einer Datennachricht steuert, ist eine Meister-Station. Eine Station, die bei der Übertragung einer Datennachricht ausschließlich von einer oder mehreren anderen Stationen gesteuert wird, ist eine Sklaven-Station. Aus einem Ruhezustand kann jede Station, die sich für den Meisterbetrieb eignet, die Initiative zu einer Datenübertragung ergreifen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird nach den Kategorien Legitimationsdaten, Quittierungs­ daten und unbedingte Daten unterschieden, wovon inner­ halb einer Datenübertragung eine oder mehrere Kategorien zeitlich aufeinanderfolgen und je nach Kategorie der jeweiligen Daten unterschiedliche Kombinationen zur Dar­ stellung des zweiten logischen Werts benutzt werden. Jede sendende Station, die auf einen multimasterfähigen Bus zugreifen will, muß zu Beginn des Zugriffs und even­ tuell auch zu anderen Zeitpunkten Legitimationsdaten auf den Datenbus geben, die anhand eines den Datenverkehr regelnden Berechnungsschemas eine Entscheidung erlauben, ob im Fall einer Zugriffskollision diese oder eine an­ dere Meisterstation Priorität eingeräumt bekommt. Eine Quittierung mittels Quittierungsdaten kann durch den Empfänger an den Sender nach Empfang der Daten erfolgen, als auch durch den Sender selbst, nach dem Senden der Daten. Eine Datenübertragung beginnt daher mit den Legi­ timationsdaten und wird fortgesetzt mit den unbedingten Daten, die den eigentlichen zu übertragenden Informa­ tionen entsprechen und wird mit den Quittierungsdaten abgeschlossen, wobei diese auch zwischen den Legitima­ tionsdaten und den eigentlichen Daten übertragen werden können. Abhängig vom jeweils für den Datenbus realisier­ ten Protokollschema kann während einzelner dieser Über­ tragungsphasen zugunsten höherer Störsicherheit auf die Verwendung passiver Sendezustände verzichtet werden. Es ist daher zur Erzielung eines optimalen Protokollschemas vorteilhaft, je nach Datenkategorie unterschiedliche Darstellungen des zweiten logischen Wertes zu benutzen.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, daß die zur selbständigen Aufnahme einer Datenübertragung berechtigten Stationen (Meister- Stationen) zur Aussendung von Legitimationsdaten für die Darstellung des zweiten logischen Werts eine Kombination verwenden, die mindestens einen passiven Zustand inner­ halb der zugeordneten beiden Halbperioden des Taktsigna­ les ausweist. Hierdurch ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, daß eine Meister-Station auch dann auf den Bus zugreifen kann, wenn eine andere Meister-Station den Bus schon belegt hat oder aber zwei Meister-Stationen auf den Datenbus gleichzeitig zugreifen können, da wäh­ rend der Sendung des passiven Zustandes gleichzeitig ein aktiver Zustand gesendet werden kann, ohne daß ein Kurz­ schluß über den Datenbus oder ein undefinierter Zustand der Datenleitung befürchtet werden muß. Dadurch ergibt sich gleichzeitig eine Möglichkeit zur Durchführung eines Schiedsvorganges bei gleichzeitigem Zugriff meh­ rerer Meister-Stationen auf den Bus.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Er­ findung sind die Legitimationsdaten in Senderlegitima­ tionsdaten und Empfängerlegitimationsdaten aufgeteilt. Hierdurch wird es möglich, daß eine Meister-Station mittels der eigenen Legitimationsdaten bestimmte Empfän­ gerstationen auffordert, sich zu legitimieren, wodurch die Meister-Station feststellen kann, ob die gewünschten Stationen empfangsbereit sind und ob sie sich mit dem richtigen Adreßcode legitimieren.

Eine weitere bevorzugte Ausbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, daß bei gleichzeitiger Aufnahme der Daten­ übertragung durch mehrere Meister-Stationen jede Mei­ ster-Station die logische Verknüpfung der Legitimations­ daten auf dem Datenbus mit den eigenen Legitimations­ daten als Kriterium dafür benutzt, ob sie die Datenüber­ tragung abbrechen oder weiterführen soll. In vorteil­ hafter Weise ergibt sich hierdurch ein Schiedsvorgang, wonach eine einzige Meister-Station ausgewählt wird, die den Zugriff auf den Bus erhält.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind aus den Unteransprüchen entnehmbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Anschlusses zweier Stationen an das Bus-System,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm mehrerer Datenübertragungen zwischen zwei Stationen, und

Fig. 3 ein Zeitdiagramm einer Startoperation zweier Stationen sowie den Schiedsvorgang zwischen diesen beiden Stationen.

In Fig. 1 sind die beiden Stationen 1 und 2 über die Leitungen 7 bzw. 9 an einen Taktdraht 5 (SCL) und über die Leitung 6 bzw. 8 an einen Datendraht 4 (SDA) ange­ schlossen. Beide Drähte 4 und 5 sind über die Wider­ stände 12 und 13 hochohmig mit den Anschlüssen 14 und 15 verbunden, an die eine Spannung V _DD angelegt wird. Die Widerstände 12 und 13 sind so bemessen, daß das aus den Widerständen und der jeweiligen Buskapazität gebildete RC-Glied eine große Zeitkonstante gegenüber der Perio­ dendauer des Taktsignales aufweist.

Die Stationen 1 und 2 enthalten jeweils die Einheiten 16 und 17 bzw. 18 und 19, wobei die Einheiten 16 und 18 die Datenquellen und die Datenziele bilden, indem sie die Schalter 16 a und 16 b bzw. 18 a und 18 b steuern, durch die der erste bzw. zweite Spannungspegel V ₁ bzw. V ₂, die mit den Quellen 17 und 19 erzeugt werden, über die Leitung 6 a bzw. 8 a auf den Datendraht 4 (SDA) geschaltet werden, wodurch die aktiven Sendezustände erzeugt werden. Der passive Sendezustand ist durch die offenen Schalter 16 a und 16 b bzw. 18 a und 18 b gegeben, wodurch wegen der hochohmigen Ankopplung des Datendrahtes 4 an das Bezugs­ potential das jeweilige Potential an der Leitung während dieses passiven Zustandes im wesentlichen erhalten bleibt. Ferner können die Stationen 1 bzw. 2 durch die Leitungen 6 bzw. 8 jeweils über Einheit 16 bzw. 18 den Zustand auf dem Datendraht 4 detektieren. Die Leitung 7 bzw. 9 führt der Einheit 16 bzw. 18 das Taktsignal zu.

Ferner ist eine Taktgeneratorstation 3 über Leitungen 10 und 11 ebenfalls an den Datendraht 4 (SDA) bzw. an den Taktdraht 5 (SCL) angeschlossen, die alle angeschlos­ senen Stationen mit dem Taktsignal versorgt. Über die Verbindung zum Datendraht 4 kann die Taktgeneratorsta­ tion 3 den Zustand auf dem Datendraht detektieren.

Zweckmäßigerweise gibt die Taktgeneratorstation nur wäh­ rend eines Übertragungsvorgangs Signale auf den Taktbus. Diese Maßnahme minimiert den Energiebedarf des Systems im Ruhezustand. Neben der hier als Beispiel realisierten Taktversorgung von einer zentralen Taktstation über einen Taktbus können auch Meisterstationen selbst mit Taktgeneratoren ausgerüstet werden, deren hinreichende Synchronisierung über den Taktbus erfolgt. Dies kann vor allem dann sinnvoll sein, wenn der Takt für interne Zwecke der Meisterstationen dort auch benötigt wird, wenn keine Übertragung über den Datenbus ansteht. Falls alle Meisterstationen über eine so präzise interne Takt­ versorgung verfügen, daß eine Synchronisation nicht oder nur sehr selten erforderlich ist, kann der Taktbus ganz entfallen. Gelegentliche Synchronisation kann auch über den Datenbus sichergestellt werden.

In Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm einer Datenübertragung zwischen zwei Stationen dargestellt. Hierbei ist auf der obersten Zeile (SCL) das Taktsignal, auf den drei unte­ ren Zeilen (SDA 1, 2, 3) je eine Datenbitfolge nach den sich erfindungsgemäß ergebenden Varianten angegeben, wobei das erste Datenbit den Anfang der Datenübertragung und das letzte Datenbit das Ende der Datenübertragung signalisiert. Die gestrichelten Strecken in der Daten­ bitfolge stellen den passiven Zustand dar.

Im folgenden sei vereinbart, daß der aktive Zustand "Low" auf der Datenleitung durch den ersten Spannungs­ pegel V ₁ und der aktive Zustand "High" durch den zweiten Spannungspegel V ₂ erzeugt wird. Das externe Potential V _DD ist identisch mit V ₂. Zwischen dem Anfangsbit, das in der ersten Halbperiode der zugehörigen Taktperiode durch den aktiven Zustand "Low" gekennzeichnet ist und dem durch den Zustand "High" in der zweiten Halbperiode gekennzeichneten Datenbit am Ende der Übertragung werden die unbedingten Daten gesendet. Hierbei ist als Format­ bedingung während der Übertragung der unbedingten Daten vereinbart, daß ein Wechsel von "High" auf "Low" nur zu Beginn der "Low"-Phase des Taktes zulässig ist, ein Wechsel von "Low" auf "High" aber nur zu Beginn der "High"-Phase des Taktes. Eine Codierung der "logischen 0" bzw. der "logischen 1" ist durch die Zustände "High- Low" bzw. "Low-Low" über eine Taktperiode gegeben, wobei der "Low"-Wert teilweise in Form eines passiven Zustands vorliegt, wie auf der zweiten und dritten Zeile (SDA und SDA 2) dargestellt ist. Es wird also in diesem Bei­ spiel ein Datenwort "1011" übertragen.

In Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm eines Schiedsvorganges zwischen zwei Stationen 1 und 2 gemäß der Fig. 1 dar­ gestellt, die dabei als Meister-Sender arbeiten. Wenn mehrere Meister-Stationen gleichzeitig auf den Bus zu­ greifen, muß vor der Kommunikation zunächst eine einzige Meister-Station ausgewählt werden. Dies geschieht beim Schiedsvorgang, der sofort nach der Startoperation be­ ginnt und während der Legitimationsphase durchgeführt wird. Zur Codierung der Legitimationsdaten ist der zweite logische Wert, die logische "0", durch den pas­ siven Zustand in der ersten Halbperiode und den "Low"- Zustand in der zweiten Halbperiode der zugehörigen Takt­ periode gekennzeichnet. Gemäß Fig. 3, Zeile 2 und 3, fordern beide Sendestationen 1 und 2 gleichzeitig die Datenleitung an, indem sie aus dem passiven Zustand heraus den Datendraht auf "Low" ziehen, wodurch die Taktgenerator-Station veranlaßt wird, ihr Taktsignal (Zeile 1) auf die Taktleitung zu geben. Die Zeile 4 stellt das Signal am Datendraht dar. Die Impulsdiagramme der Zeilen 1 bis 4 sind jeweils durchgezogen in der aktiven Phase, gestrichelt in der passiven Phase gezeich­ net. Die beiden Sendestationen waren also vor der Start­ phase in der passiven Phase. Während der Senderlegitima­ tionsphase, in der die Stationen 1 und 2 die jeweils zugeordnete Adreßzahl ausgeben und das an der Datenlei­ tung erscheinende Signal mit ihrer jeweiligen Adreßzahl vergleichen, setzt nur diejenige Station die Sendung fort, bei der das Signal an der Datenleitung mit ihrer Adreßzahl übereinstimmt. Station 1 hat gemäß der Zeile 2 die Adreßzahl 1001, die Station 2 gemäß der Zeile 3 da­ gegen die Adreßzahl 1011. Hierbei erfolgte die Codierung der logischen Werte so, daß während der Signalperioden, in denen kein Wechsel stattfindet, der Sender in den hochohmigen, passiven Zustand schaltet, wodurch ein interferierendes Signal eines zweiten Senders auf den Bus geleitet werden kann, ohne daß ein Kurzschluß der Ausgangsstufen der Stationen über den Bus erfolgt. Wegen der hochohmigen Ankopplung der Busleitungen an das Be­ zugspotential "High" (V ₂ = V _DD) bleibt immer dann, wenn keine andere Station dazwischenfunkt, das jeweilige Potential an der Leitung während der passiven Phase im wesentlichen erhalten. Da die Impulsfolge der Datenlei­ tung gemäß Zeile 3 mit derjenigen des Senders 2 über­ einstimmt, setzt sich diese Station gegen die Station 1 durch. Die Station 2 kann nun die Datenübertragung voll aktiv aufnehmen, ohne Gefahr, daß ein neuer Konkurrent erwächst und kann dann den Bus wieder freigeben, indem während der Taktphase "Low" ein Wechsel von "Low" auf "High" an der Datenleitung erfolgt. Dieses Freigabebit ist gleichzeitig das Stopsignal an die Taktgeberstation, den Takt anzuhalten.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben einer Datenverarbeitungsanlage mit mindestens einer Sendestation und mit mindestens einer Empfangsstation, einem aus mindestens einem Datendraht bestehenden Datenbus zum Verbinden der Stationen, wobei wenigstens alle Sendestationen mit einem periodischen, synchronisierenden Taktsignal versorgt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendestationen folgende vier aktive Sendezustände a), b), c) d) mit zwei unterschiedlichen Spannungspegeln und zwei passive Sendezustände e) auf den Datendraht signalisieren können:

• a) Beaufschlagung des Datendrahts mit dem ersten Spannungspegel während der ersten Halbperiode des Taktsignals,
• b) Beaufschlagung des Datendrahts mit dem ersten Spannungspegel während der zweiten Halbperiode des Taktsignales,
• c) Beaufschlagung des Datendrahts mit dem zweiten Spannungspegel während der ersten Halbperiode des Taktsignales,
• d) Beaufschlagung des Datendrahts mit dem zweiten Spannungspegel während der zweiten Halbperiode des Taktsignales, und
• e) hochohmige Verbindung der Sendestation zum Datendraht in der ersten oder zweiten Halbperiode des Taktsignals,

daß der Anfang und das Ende der Datenübertragung jeweils durch die Aufeinanderfolge zweier Sendezustände signalisiert werden, wobei je einer von zwei zu unterschiedlichen Halbperioden des Taktsignals gehörenden aktiven Sendezuständen zum Signalisieren eines dieser zwei aufeinanderfolgenden Sendezustände am Anfang bzw. am Ende verwendet wird und die zwei übrigen aktiven sowie die passiven Sendezustände zur Darstellung der logischen Werte in folgender Weise benutzt werden:

• f) die Aufeinanderfolge der beiden übrigen aktiven Sendezustände innerhalb einer Periode des Taktsignales kennzeichnet einen ersten logischen Wert, und
• g) die Kombination aus demjenigen der beiden übrigen aktiven Sendezustände, der zu der gleichen Halbperiode des Taktsignales gehört wie der aktive Sendezustand zur Signalisierung des Endes einer Übertragung mit entweder dem passiven Zustand oder dem aktiven Sendezustand zur Signalisierung des Anfanges einer Datenübertragung oder aber die Kombination (falls der erste logische Wert durch zwei sich unterscheidende Spannungspegel definiert wird) von zweimal dem passiven Sendezustand über beide Halbperioden des Taktsignales kennzeichnet einen zweiten logischen Wert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach den Kategorien Legitimationsdaten, Quittierungs­ daten und unbedingten Daten unterschieden wird, wovon innerhalb einer Datenübertragung eine oder mehrere Kate­ gorien zeitlich aufeinanderfolgen und je nach Kategorie der jeweiligen Daten unterschiedliche Kombinationen zur Darstellung des zweiten logischen Werts benutzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur selbständigen Aufnahme einer Datenübertragung berechtigten Stationen (Meister-Sta­ tionen) zur Aussendung von Legitimationsdaten für die Darstellung des zweiten logischen Werts eine Kombination verwenden, die mindestens einen passiven Zustand inner­ halb der zugeordneten beiden Halbperioden des Taktsigna­ les ausweist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meister-Sta­ tion mittels Übertragung bestimmter Dateninhalte be­ stimmte Empfängerstationen auffordert, ihrerseits in den Sendezustand überzugehen.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendestatio­ nen zur Versorgung mit dem Taktsignal über einen Takt­ draht verbunden sind, der als Taktbus ausgelegt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die den Taktbus steuernde Meister-Sta­ tion eine andere Station ist als die den Datenbus steu­ ernde Meister-Station.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Legitimations­ daten in Senderlegitimationsdaten und Empfängerlegiti­ mationsdaten aufgeteilt sind.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzei­ tiger Aufnahme der Datenübertragung durch mehrere Mei­ ster-Stationen jede Meister-Station die logische Ver­ knüpfung der Legitimationsdaten auf dem Datenbus mit den eigenen Legitimationsdaten als Kriterium dafür benutzt, ob sie die Datenübertragung abbrechen oder weiterführen soll.