ES2294568T3 - Procedimiento, nodo y red para el envio ciclico de telegramas ethernet. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para el envío de datos en forma de telegramas Ethernet (5) por una línea de transmisión Ethernet (2), comprendiendo las siguientes etapas de procedimiento: conversión de los datos a enviar según un estándar de transmisión del protocolo Ethernet para preparar telegramas Ethernet (5), y envío cíclico de los telegramas Ethernet (5) preparados con un estándar predeterminado de transmisión Ethernet, controlándose el proceso de envío de los telegramas Ethernet (5) de forma que a continuación de un telegrama Ethernet (5) enviado se envía directamente el siguiente telegrama Ethernet (5) respetándose el tiempo de pausa definido en el estándar de transmisión Ethernet para así emitir continuamente telegramas Ethernet (5) por la línea de transmisión Ethernet (2) durante todo el tiempo de ciclo, caracterizado porque para el envío continuo de telegramas Ethernet (5) preparados durante un tiempo de ciclo predeterminado se adapta el número y/o la longitud de los telegramas Ethernet(5) a enviar en un ciclo para emitir continuamente telegramas Ethernet (5) por la línea de transmisión Ethernet (2) durante todo el tiempo de ciclo predeterminado.
Description
Procedimiento, nodo y red para el envío cíclico
de telegramas Ethernet.
\global\parskip0.890000\baselineskip
La invención se refiere a un procedimiento, un
interface y una red para el envío cíclico de telegramas
Ethernet.
Ethernet es la tecnología más ampliamente
extendida con la que pueden transmitirse datos en redes locales de
comunicación llamadas Local Area Networks (LAN), actualmente con una
velocidad de hasta 100 Megabits/s (Mbps). LANs son redes locales de
comunicación que están limitadas a una zona geográfica y se componen
de uno o varios servidores y estaciones de trabajo llamados nodos
que están unidos a través de una línea de transmisión, por ejemplo,
un cable coaxial, fibra óptica o cable de par trenzado. En LANs son
posibles las más diversas topologías de red, siendo las más
conocidas las estructuras de bus, en anillo, en estrella o en
árbol.
LANs funcionan con un sistema operativo de red y
un protocolo unitario de red. Ethernet representa un protocolo
posible de red y soporta en este caso los más diferentes protocolos
de comunicación, por ejemplo, el protocolo TCP/IP o el protocolo
IPX. En el modelo de interconexión de sistemas abiertos OSI, el
modelo internacional de referencia para transmisión de datos en
redes, que esta formado por una pila de capas de siete capas,
estando definida una cantidad de protocolos para cada capa que pone
a disposición sus servicios a la respectiva capa siguiente mayor,
Ethernet está asignado a la segunda capa, la llamada capa de enlace.
En esta capa de enlace se empaquetan los datos a enviar en
telegramas añadiéndose información específica para el protocolo
correspondiente de comunicación. La capa de enlace es responsable
en la red del transporte de los telegramas de datos de nodo a nodo
y de la detección de errores.
En el concepto Ethernet, la capa de enlace está
subdividida en dos niveles, añadiendo el primer nivel a los datos
un segmento inicial, un llamado código de inicio, que contiene
información que necesita el protocolo del receptor para una
transmisión correcta de datos. En el segundo nivel del protocolo
Ethernet se encapsula entonces el telegrama de datos para el
transporte de nodo a nodo con la ayuda de un preámbulo adicional y
de un segmento final, una llamada suma de comprobación. Con
telegramas Ethernet semejantes pueden transmitirse datos con una
longitud de hasta 1500 bytes, teniendo que respetarse un tiempo fijo
de pausa entre los distintos telegramas Ethernet.
Un controlador de Ethernet, también llamado
Media Access Controller (MAC) (controlador de acceso a medios) es
responsable del envío y de la recepción de los telegramas Ethernet
por la línea de transmisión Ethernet y está dispuesto entre los
nodos y la línea de transmisión Ethernet y conectado con el nodo a
través de un sistema de bus. Este controlador de Ethernet se
controla en general mediante un excitador de software que está
integrado en el sistema operativo correspondiente del nodo. El
controlador de Ethernet comprende en general un registro de
desplazamiento de envío y de recepción para desacoplar la línea de
transmisión Ethernet de la memoria física del nodo. Los
controladores modernos de Ethernet poseen además en general una
posibilidad directa de acceso a la memoria física del nodo un
llamado Direct Memory Access (DMA) (acceso directo a memoria), por
lo que el excitador de software en el sistema operativo del nodo
puede almacenar en poco tiempo los telegramas Ethernet a enviar y a
recibir directamente en la memoria del nodo, o puede recogerlos de
esta memoria.
Los protocolos Ethernet se emplean sobre todo en
redes de comunicación en oficinas. A causa de las ventajas del
concepto Ethernet en el uso de componentes estándares de software y
de hardware, así como de la posibilidad de conseguir elevadas
velocidades de transmisión de datos con una tecnología sencilla de
conexión en red, las redes de comunicación Ethernet se utilizan de
forma creciente también en la fabricación industrial para el
intercambio de datos entre las estaciones de trabajo. Sin embargo,
en caso de empleo del protocolo Ethernet en la técnica de
automatización debe asegurarse la capacidad de funcionar a tiempo
real de la transmisión de datos Ethernet con la ayuda de técnicas
adicionales y costosas de hardware y/o de software. Para el control
de máquinas es necesario en general que se realice un procesamiento
cíclico de la tarea de control esencialmente sin oscilaciones
temporales, es decir, los llamados jitter, reaccionándose con un
tiempo previsible de respuesta al requerimiento de regulación.
Si, por ejemplo, se envían cíclicamente
telegramas Ethernet en el ámbito de una aplicación en tiempo real,
que se ejecuta en una computadora de control configurada como nodo
en una red Ethernet, para dirigirse a sensores y actores conectados
por línea de transmisión Ethernet, la computadora de control
transfiere para el envío telegramas Ethernet correspondientes en
cada ciclo de control a su controlador de Ethernet mediante el
excitador de software integrado en el sistema operativo. En este
caso, el excitador de software añade automáticamente a los datos en
tiempo real a enviar, antes de la transmisión al controlador de
Ethernet, los tiempos de pausa, códigos de inicio, preámbulos y
sumas de comprobación definidos en el estándar de transmisión
Ethernet (IEEE 802.3). El controlador de Ethernet carga entonces,
preferiblemente con la ayuda de la transmisión de acceso directo a
memoria, los telegramas Ethernet correspondientes en su registro de
desplazamiento de envío y a partir de un nivel determinado de
llenado del registro de desplazamiento de envío comienza el envío de
los telegramas Ethernet por la línea de transmisión Ethernet.
Esta sucesión de envío de la computadora de
control con el controlador de Ethernet conectado contiene una
pluralidad de procesos afectados por jitter, cuyos jitter se suman
en el caso más desfavorable y luego sobrepasan un valor máximo
permitido para la aplicación en tiempo real que en general se
encuentra en el rango de unos pocos microsegundos. Al jitter
contribuyen en este caso los tiempos fluctuantes de latencia de
interrupción en el nodo al generar los datos a enviar y las
fluctuaciones del tiempo de ejecución del código de programa que
pasa hasta el envío del telegrama Ethernet. En computadoras modernas
de control, que disponen de una memoria caché, también el tiempo de
ejecución de los códigos de programas oscila adicionalmente ya que
según el contenido caché debe esperarse un tiempo diferente al
contenido solicitado de la memoria en el nodo.
\global\parskip1.000000\baselineskip
El controlador de Ethernet está conectado en
general a través de un sistema de bus con el nodo, empleándose
frecuentemente un bus PCI. Ya que un bus semejante se usa en general
también por otras partes del sistema, puede llegarse a tiempos de
espera de diferente duración en la asignación de bus. Esto es válido
tanto cuando el controlador de Ethernet accede por transmisión de
acceso directo a memoria a la memoria física de la computadora de
control, como también para el caso en que los datos en tiempo real
se transmitan bajo control del excitador de software a través del
sistema de bus. Siempre se producen jitter similares en la
asignación de bus. El controlador de Ethernet comienza además
siempre sólo desde un nivel determinado de llenado del registro de
desplazamiento de envío con el envío de los telegramas Ethernet por
la línea de transmisión Ethernet. En este caso puede retrasarse
entonces un tiempo diferente el envío de los telegramas Ethernet
según el nivel de llenado del registro de desplazamiento de envío,
lo que conduce a un jitter adicional.
Si el jitter total producido en el proceso de
envío es mayor que el máximo jitter permisible para las aplicaciones
correspondientes en tiempo real, con la ayuda de un procedimiento
costoso, como por ejemplo, el IEEE 1588 (IEEE Standard for a
Precision Clock Synchronization Protocol for Neworked Measurement
and Control Systems) debe proporcionarse una base de tiempo
correspondientemente exacta en todos los participantes en la
comunicación en la línea de transmisión Ethernet con cuya ayuda
puede compensarse el jitter.
MANDEVILLE B; SHAH A V: "Benchmarking
Methodology for Ethernet Switches
<draf-ietf-bmwg-ethernet-switches-00.txt>"
INTERNET DRAFT, diciembre 1995 (1995-12), páginas 1
- 14, XP002322529 da a conocer un procedimiento según el preámbulo
de la reivindicación 1 y un dispositivo según el preámbulo de la
reivindicación 7.
El objetivo de la invención es proporcionar un
procedimiento para el envío de datos en forma de telegramas
Ethernet por una línea de transmisión Ethernet, un interface para la
conexión de un nodo a una línea de transmisión Ethernet y una red
Ethernet con los que de forma sencilla pueden enviarse sin jitter y
cíclicamente telegramas Ethernet, en particular con datos en tiempo
real.
Este objetivo se resuelve con un procedimiento
según la reivindicación 1, un interface según la reivindicación 7 y
una red Ethernet según la reivindicación 10. En las reivindicaciones
subordinadas se indican variantes preferibles.
Según la invención, para el envío de datos en
forma de telegramas Ethernet por una línea de transmisión Ethernet
con la ayuda de un interface para la conexión de un nodo a la línea
de transmisión Ethernet se convierten los datos a enviar con la
ayuda de una unidad de conversión según un estándar de transmisión
del protocolo Ethernet para preparar telegramas Ethernet, y con la
ayuda de una unidad de envío luego se envían continuamente los
telegramas Ethernet preparados, emitiéndose telegramas Ethernet
continuos por la línea de transmisión Ethernet.
Gracias al el envío continuo según la invención
de telegramas Ethernet se hace posible una reproducibilidad exacta
del proceso de envío y por consiguiente un envío sin jitter de los
telegramas Ethernet. Dado que el interface para la conexión del
nodo a Ethernet envía a continuación de un telegrama Ethernet
enviado directamente el siguiente telegrama Ethernet, se garantiza
que todos los procesos afectados por jitter se compensen en la
sucesión de envío desde la conversión de los datos a enviar en
telegramas Ethernet hasta la emisión de telegramas por la línea de
transmisión Ethernet. La sincronización del proceso de envío se
determina así exclusivamente mediante el interface del nodo hacia
Ethernet, asegurándose mediante el envío continuo de los telegramas
la ausencia total de jitter.
Según la invención, durante el envío continuo de
telegramas Ethernet con la ayuda del interface se adapta el número
y/o la longitud de los telegramas Ethernet a enviar en un ciclo a un
tiempo de ciclo predeterminado, de forma que durante todo el tiempo
de ciclo predeterminado se emiten continuamente telegramas Ethernet
por la línea de transmisión Ethernet. Este modo de proceder hace
posible un proceso continuo de envío de los telegramas Ethernet en
el marco de un ciclo de envío consiguiéndose al mismo tiempo una
utilización óptima de la anchura posible de datos en el ciclo y
compensándose completamente el jitter que se produce durante la
generación de los telegramas Ethernet.
Según una forma de realización preferida, en la
adaptación de los telegramas Ethernet se tienen en cuenta la tasa
de baudios de la línea de transmisión Ethernet, la longitud del
código de inicio, preámbulo y suma de comprobación insertados en
cada telegrama Ethernet durante la conversión de los datos según el
estándar de transmisión del protocolo Ethernet y la longitud del
tiempo de pausa a respetar entre los telegramas Ethernet a enviar.
Mediante este modo de proceder puede determinarse de forma sencilla
la longitud óptima de los telegramas Ethernet a enviar
continuamente por la línea de transmisión Ethernet. Además, en este
caso es preferible que se tenga en cuenta que si la longitud
calculada del telegrama Ethernet es mayor que la longitud máxima
posible del telegrama Ethernet, el número y la longitud de los
telegramas a enviar se elige de forma que en un ciclo se envían una
pluralidad de telegramas Ethernet preferiblemente de la misma
longitud, correspondiendo la longitud de bits común de los mismos
al tiempo de ciclo. Por ello se asegura que de forma sencilla pueda
determinarse una longitud óptima de los telegramas Ethernet
a
enviar.
enviar.
Según otra forma de realización preferida se
almacenan los telegramas Ethernet preparados en una memoria
intermedia, comenzando el interface el proceso de envío en función
de un nivel predeterminado de llenado en la memoria intermedia.
Este modo de proceder se encarga de que siempre estén presentes
suficientes telegramas Ethernet a enviar en el interface para
garantizar un proceso continuo de envío. Por ello se impide que el
proceso de envío funcione en vacío lo cual podría conllevar
retardos de telegramas que conducirían a una vulneración de
ciclo.
Según la invención está previsto, además, que
cuando los datos son datos en tiempo real, una aplicación en tiempo
real que genera los datos en tiempo real a enviar en el nodo, esté
sincronizada con el proceso de envío de los telegramas Ethernet.
Este modo de proceder impide un desbordamiento con telegramas
Ethernet en el interface durante el proceso de envío que conduciría
a que los telegramas Ethernet no pudiesen enviarse con la suficiente
rapidez. Dado que la aplicación en tiempo real que se ejecuta en el
nodo está adaptada a la base de tiempo del interface que realiza el
proceso de envío, se garantiza que el nodo suministra telegramas
Ethernet sólo adaptados al proceso de envío del interface y, por
consiguiente, que no se produce ningún desbordamiento de telegramas
Ethernet.
Según otra forma de realización preferida, la
red Ethernet está diseñada con la línea de transmisión Ethernet con
la que están conectados una pluralidad de nodos de forma que los
telegramas Ethernet pueden transmitirse sin colisiones por el canal
de envío. Por ello se garantiza que pueda enviarse continuamente por
Ethernet sin que se llegue a una interrupción del proceso de envío
por colisiones en la línea de transmisión y por consiguiente a una
vulneración del ciclo.
Además, en este caso es preferible que la línea
de transmisión Ethernet presente una topología dispuesta en forma
de anillo, transfiriéndose los telegramas Ethernet enviados por los
nodos de envío desde un nodo al siguiente. Este modo de proceder
hace posible una transmisión sin colisiones de los telegramas
Ethernet desde un nodo al siguiente con pequeño retardo.
La invención se explica detalladamente mediante
los dibujos adjuntos. Muestran:
Fig. 1A una red Ethernet;
Fig. 1B un diseño según la invención de una
conexión de nodos en la red Ethernet;
Fig. 2A un telegrama Ethernet y
Fig. 2B un proceso de envío según la
invención.
El concepto Ethernet es el estándar de
comunicación más ampliamente extendido en redes de comunicación
localmente limitadas (LAN), a través del que pueden usarse
comúnmente de forma sencilla los recursos de datos entre estaciones
de trabajo, en general ordenadores o máquinas, en lo que sigue
denominados también nodos. Ethernet se basa en este caso en una
estructura LAN en la que una pluralidad de nodos están conectados
entre sí a través de un medio común de transmisión, realizando el
concepto Ethernet el encapsulamiento de los datos a transmitir en
paquetes de datos, en lo que sigue denominados también telegramas
Ethernet, con un formato predeterminado. Ethernet está formado en
este caso de tres partes, es decir, la línea de transmisión y los
interfaces de red, es decir, el hardware, la cantidad de protocolos
que controlan el acceso a la línea de transmisión Ethernet y el
formato de telegrama Ethernet.
La fig. 1A muestra esquemáticamente una red
Ethernet en la que están conectados entre sí varios nodos 1 a
través de una línea de transmisión Ethernet 2. La conexión del nodo
a la línea de transmisión Ethernet se realiza en este caso con la
ayuda de un controlador de Ethernet 3 que está integrado
preferiblemente en el nodo correspondiente. Un nodo 1 según la
invención con el controlador de Ethernet 3 unido para la conexión a
la línea de transmisión Ethernet 2 se muestra en detalle en la fig.
1B. Una unidad de codificación 31 es responsable del envío de los
telegramas Ethernet en el controlador de Ethernet, una unidad de
decodificación 32 de la recepción de telegramas desde la línea de
transmisión 2. A la unidad de codificación 31 o a la unidad de
decodificación 32 está conectada respectivamente una memoria
intermedia 33, 34 diseñada cada vez como un registro de
desplazamiento para almacenar temporalmente los telegramas Ethernet
a recibir o a enviar. Estos registros de desplazamiento de
recepción y de envío 33, 34 están diseñadas a su vez preferiblemente
de forma que puedan acceder a una memoria 11 en el nodo 1
directamente con la ayuda del llamado modo de acceso directo a
memoria (DMA). Alternativamente existe la posibilidad de que el
intercambio de datos entre la memoria de desplazamiento de envío 33
o la memoria de desplazamiento de recepción 34 y la memoria 11
física se realice a través de una unidad central de proceso (CPU)
12 del nodo1. Sin embargo, el acceso directo a través del modo DMA
hace posible un intercambio acelerado de datos.
El control del intercambio de datos entre la
memoria 11 física del nodo 1 y el interface 2 se realiza en general
mediante la CPU 12 del nodo 1. La CPU 12 del nodo administra,
además, también todos los procesos necesarios para la operación de
Ethernet, es decir, realiza la administración del proceso de envío y
recepción y se encarga del encapsulamiento de los datos a enviar
del nodo en los telegramas Ethernet o la extracción de datos de los
telegramas Ethernet recibidos. El sistema operativo implementado en
la CPU 12 del nodo 1 presenta en general una estructura de software
por capas para separar un procesamiento específico del protocolo de
un procesamiento específico del telegrama y del hardware. Por ello
es posible emplear diferentes protocolos de comunicación en el
estándar Ethernet sin tener que realizar cambios en el excitador
específico de hardware. Al mismo tiempo puede cambiarse luego
también el hardware del nodo sin tener que realizar al mismo tiempo
un cambio de software específico del protocolo.
Un telegrama Ethernet 5, cuya estructura está
mostrada de forma esquemática en la fig. 2A, puede contener hasta
1500 bytes y se compone de una parte inicial con un código de inicio
51, un preámbulo 52 que señala la dirección destino y fuente y el
tipo de paquete de datos, una parte media 53 con datos y una parte
final 54 que contiene una suma de comprobación que sirve como
mecanismo para el reconocimiento de errores.
El proceso de envío de telegramas Ethernet a
través de la línea de transmisión Ethernet 2 se realiza de forma
que el excitador de software empleado en la CPU 12 convierte los
datos a enviar en telegramas Ethernet que se almacenan en la
memoria 11 física del nodo 1 cuando el controlador de Ethernet 3
trabaja en el modo DMA. A estos telegrama Ethernet almacenados
accede luego el registro de desplazamiento de envío 33 del
controlador de Ethernet 3 para cargar los telegramas Ethernet en el
registro de desplazamiento. Cuando bajo control mediante el
excitador de software en la CPU 12 se han transmitido suficientes
telegramas Ethernet desde la memoria 11 física al registros de
desplazamiento de envío 33 y, por consiguiente, se ha conseguido un
nivel suficiente de llenado, el registro de desplazamiento de envío
33 emite los telegramas Ethernet almacenados temporalmente a través
de la unidad de codificación 31 por la línea de transmisión Ethernet
2. Una transmisión de datos Ethernet tiene lugar en este caso sólo
cuando la red Ethernet está tranquila. Además, en general está
previsto un mecanismo adicional para impedir la colisión en la
línea de transmisión Ethernet 2.
Durante la recepción de telegramas Ethernet los
telegramas Ethernet recibidos se almacenan temporalmente por la
unidad de descodificación 32 en el registro de desplazamiento de
recepción 34, dando lugar el controlador de Ethernet 3 a una
interrupción en el nodo 1. Esta interrupción ordena al excitador de
software de la CPU 12 en el nodo 1 transmitir los telegramas
recibidos por el modo DMA a la memoria 11 física y luego
transferirlos al sistema de operación en el nodo para el
procesamiento.
La razón principal por la que el concepto
Ethernet se usa como protocolo de comunicación para sistemas de red
es que pueden emplearse componentes estándares de hardware y
software y además es posible una elevada velocidad de transmisión
de datos. En caso de empleo del estándar Ethernet en el entorno
industrial, en particular para tareas de automatización, el
protocolo Ethernet debe garantizar una transmisión de datos en
tiempo real. Para poder realizar de forma segura una aplicación en
tiempo real, como por ejemplo un control de máquinas con la ayuda
de la red Ethernet, es necesario un intercambio de datos con tiempos
de ciclo de 50 \mus para tiempos admisibles de jitter, es decir,
desviaciones del tiempo deseado de ciclo de 10 \mus.
Cuando una computadora de control que representa
un nodo 1 en una red Ethernet debe controlar en tiempo real
sensores o actores que están conectados como otros nodos en la línea
de transmisión de Ethernet 2, por la computadora de control en cada
ciclo de control con la ayuda del excitador de software almacenado
en su CPU 12 se transfieren telegramas Ethernet 5 al controlador
Ethernet 3 correspondiente para el envío. El controlador de
Ethernet 3 cargará luego los telegramas Ethernet 5 correspondientes,
preferiblemente por modo DMA en su registro de desplazamiento de
envío 33 y comenzará el envío de los telegramas Ethernet por la
línea de transmisión Ethernet 2 a partir un nivel determinado de
llenado de este registro de envío.
Sin embargo, en esta sucesión de envío están
contenidos varios procesos afectados por jitter, sumándose estos
jitter en el caso más desfavorable. Un primer jitter se produce ya
por los tiempos fluctuantes de latencia de interrupción del sistema
de operación de la computadora de control y del excitador de
software para la conversión de los telegramas Ethernet. Además, se
producen fluctuaciones de tiempo de ejecución del código de datos
que pasa hasta el envío del telegrama Ethernet. En computadoras
modernas de control que disponen de una memoria caché, fluctúan
adicionalmente también los tiempos de ejecución del mismo código de
datos que pasa, ya que según el contenido caché debe esperarse una
duración diferente a la memoria requerida. Otros jitter se producen
además en la transferencia de los telegramas Ethernet al controlador
Ethernet. El controlador Ethernet está conectado a través de un
sistema de bus, por ejemplo, un bus PCI a la computadora de control.
Ya que el bus también se usa por otras partes del sistema de la
computadora de control, durante la asignación de bus puede llegarse
a tiempos de espera diferentemente largos para el acceso del
controlador de Ethernet a la memoria física para la transferencia
de los telegramas Ethernet al registro de desplazamiento de envío.
También se producen jitter semejantes en la asignación de bus cuando
el controlador de Ethernet no trabaja en el modo de transmisión
DMA, sino que los datos se transmiten a través de la CPU desde la
memoria física al registro de desplazamiento de envío del
controlador de Ethernet. Además, el envío de telegramas Ethernet se
retarda un tiempo diferente según el nivel de llenado de los
registros de desplazamiento de envío. Cuando se suman todos los
procesos afectados por jitter existe el peligro de que el jitter
total producido sea mayor que el jitter admisible para la
aplicación correspondiente en tiempo real y entonces no se garantice
un control en tiempo real.
Para no tener que aplicar procedimientos
costosos para el ajuste de la base de tiempo entre los distintos
nodos y, por consiguiente, para la compensación del jitter de
comunicación, como es lo habitual, según la invención el
controlador de Ethernet 3 se programa mediante el excitador de
software en la CPU 12 del nudo del ordenador 1 de forma que se
envíen telegramas Ethernet 5 sin pausa desde el registro de
desplazamiento de envío 33. En este caso se controla el registro de
desplazamiento de envío 33 y la unidad de codificación 31 conectada
del controlador de Ethernet 3 de forma que a continuación de un
telegrama Ethernet enviado se envía directamente el siguiente
telegrama Ethernet respetándose el tiempo de pausa definido en el
estándar de transmisión Ethernet.
Para garantizar que durante un tiempo de ciclo
predeterminado de la aplicación en tiempo real que se realiza se
envían continuamente telegramas Ethernet, el excitador de software
de la CPU 12 calcula cuántos telegramas y de qué longitud deben
enviarse para respetar exactamente el tiempo de ciclo
predeterminado. El excitador de software agrupa los datos 53 a
enviar según el estándar de transmisión Ethernet en telegramas
Ethernet 5 de una longitud correspondiente con código de inicio 51,
preámbulo 52 y suma de comprobación 54 y los almacena en la memora
11 física del nodo 1. El registro de desplazamiento de envío 33 del
controlador de Ethernet 3 accede luego a este telegrama Ethernet 5
y lo almacena temporalmente. A partir de un cierto nivel de llenado
en el registro de desplazamiento de envío 33 se comienza entonces
con el proceso de envío, enviándose continuamente telegramas
Ethernet según se muestra en la fig. 2B. Aquí está representado un
proceso de envío en el que dentro de un tiempo predeterminado de
ciclo se envían dos telegramas de la misma longitud respetándose el
tiempo reglamentario de pausa.
Con la ayuda del registro de desplazamiento de
envío 33 integrado en el controlador de Ethernet 3 se acopla la
preparación de telegramas Ethernet mediante el excitador de software
de la CPU 12 en la memoria 11 física del nodo 1 del momento de
envío de este telegrama Ethernet, de forma que se compensan el
jitter que se produce durante la aplicación en tiempo real y los
jitter que aparecen durante la transmisión de telegramas Ethernet
al controlador de Ethernet 3. Ya que la sincronización del proceso
de envío depende exclusivamente del controlador de Ethernet 3 y de
la física de transmisión conectada a continuación de la línea de
transmisión Ethernet 2, y que el controlador de Ethernet envía
continuamente telegramas Ethernet 5 desde su registro de
desplazamiento de envío 33, es posible una reproducibilidad exacta
y por consiguiente un envío sin jitter.
Para hacer posible un envío continuo de
telegramas Ethernet, la aplicación en tiempo real está sincronizada
en el nodo a través del excitador de software de la CPU 12 al
controlador de Ethernet 3. El controlador de Ethernet 3 establece
la base de tiempo sobre la que está sincronizada la aplicación en
tiempo real en la computadora de control 1. Por ello se asegura que
desde el excitador de software de la CPU 12 siempre se transfieren
suficientes telegramas Ethernet a enviar al controlador de Ethernet
3 para impedir que el registro de desplazamiento de envío 33 del
controlador de Ethernet 3 trabaje en vacío y se produzcan retardos
de telegramas que conducirían a una vulneración del ciclo. Además,
se garantiza mediante la sincronización de la aplicación en tiempo
real en el nodo 1 sobre la base de tiempo del controlador de
Ethernet 3 que no se transfieran demasiados telegramas Ethernet al
controlador de Ethernet 3 y por consiguiente tenga lugar un
desbordamiento en el registro de desplazamiento de envío 33 y que
los telegramas Ethernet no puedan enviarse con suficiente
rapidez.
En el cálculo del número y de la longitud de los
telegramas Ethernet a enviar en un ciclo de la aplicación en tiempo
real el excitador de software de la CPU 12 en el nodo 1 tiene en
cuenta tanto la tasa de baudios empleada en la línea de transmisión
Ethernet 2 como los datos adicionales insertados automáticamente
durante el encapsulamiento de los datos a enviar, es decir, el
código de inicio 51, preámbulo 52 y suma de comprobación 54, así
como los tiempos de pausa a respetar entre los telegramas Ethernet.
Estas señales adicionales se establecen en la Norma de Ethernet
IEEE 802.3 y son para un Ethernet 100Base-TX, es
decir, un Ethernet de alta velocidad con 100 Mbaudios de 8 bits
para el código de inicio, 56 bits para el preámbulo, 32 bits para la
suma de comprobación y 69 bits el tiempo de pausa.
Si se pretende conseguir un tiempo de ciclo de
la aplicación en tiempo real de x \mus es válida la fórmula
siguiente: (L es la longitud de bits máxima del telegrama
Ethernet)
L = (x \cdot
100) - (8 + 56 + 32 +
69)
Para un tiempo de ciclo de 100 \mus resulta,
por lo tanto:
L = 9808 bits =
1226
bytes.
El excitador de software de la CPU 12 en el nodo
1 puede enviar así en un tiempo de ciclo de 100 \mus uno o
también varios telegramas de la misma longitud con una longitud
total incluidos los tiempos de pausa de 1226 bytes. Cuando, por
ejemplo, se envían dos telegramas, resulta una longitud en bytes de
613 bytes por telegrama (incluido el tiempo de pausa). Una división
en varios telegramas es necesariamente obligatoria cuando la
longitud de los telegramas que resulta en un tiempo de ciclo es
mayor que los telegramas Ethernet máximos de 1500 bytes. En este
caso deben enviarse siempre correspondientemente varios telegramas
Ethernet para el uso del tiempo de ciclo completo. Si se
predetermina, por ejemplo, un tiempo de ciclo de 500 \mus pueden
enviarse cinco telegramas con 1226 bytes (100 \mus) por
telegrama.
Alternativamente a la especificación de un
tiempo de ciclo para conseguir un envío continuo de telegramas
Ethernet existe también la posibilidad de predeterminar la longitud
de los telegramas Ethernet a enviar para deducir de la misma el
tiempo de ciclo necesario. El excitador de software de la CPU
calcula en este caso a partir de la especificación de la longitud
de los telegramas Ethernet y de la duración máxima permitida del
ciclo de control, para poder realizar una aplicación en tiempo real,
como por ejemplo, un control de máquinas con la ayuda de red
Ethernet, el tiempo óptimo de ciclo que garantiza un envío continuo
de los telegramas Ethernet. El excitador de software agrupa
entonces de nuevo los datos a enviar según el estándar de
transmisión Ethernet en telegramas Ethernet de longitud
correspondiente con código de inicio 51, preámbulo 52 y suma de
comprobación 54, y los almacena en la memora 11 física del nodo 1.
El registro de desplazamiento de envío 33 del controlador de
Ethernet 3 accede a continuación a estos telegramas Ethernet 5 y los
almacena temporalmente. A partir de un cierto nivel de llenado en
el registro de desplazamiento de envío 33 se comienza luego el
proceso de envío, enviándose de forma continua telegramas Ethernet
dentro del tiempo de ciclo calculado respetándose el tiempo de
pausa prescrito.
En el proceso de envío según la invención, en el
que se envía de forma casi continua, debe estar garantizado
ampliamente que no se produzcan colisiones en el canal de envío, ya
que en este caso el controlador de Ethernet debe interrumpir la
transmisión y no debe reanudarla hasta más tarde. Una topología
apropiada de la red Ethernet para un proceso de envío sin
colisiones representa en este caso una conexión de punto a punto
entre los nodos. Existe también la posibilidad de dirigir varios
participantes a través de un switch que impide colisiones. También
es posible una topología de red en forma de anillo con varios nodos,
transfiriéndose en este caso los telegramas Ethernet con un pequeño
retraso de nodo a nodo y devolviéndose a continuación a los nodos
originales de envío.
Las aplicaciones en tiempo real necesitan en
general también acuses de recibo de los participantes mandados. En
este caso la línea de transmisión Ethernet 2 está configurada como
línea de transmisión full duplex con canal separado de envío y
recepción para impedir que los telegramas recibidos con los acuses
de recibo influyan en los telegramas Ethernet a enviar. La cantidad
de datos reenviados no debe superar en este caso tampoco la
cantidad de datos enviados originalmente ya que ésta corresponde al
máximo de la capacidad de transmisión.
Claims (11)
1. Procedimiento para el envío de datos en forma
de telegramas Ethernet (5) por una línea de transmisión Ethernet
(2), comprendiendo las siguientes etapas de procedimiento:
conversión de los datos a enviar según un
estándar de transmisión del protocolo Ethernet para preparar
telegramas Ethernet (5), y envío cíclico de los telegramas Ethernet
(5) preparados con un estándar predeterminado de transmisión
Ethernet, controlándose el proceso de envío de los telegramas
Ethernet (5) de forma que a continuación de un telegrama Ethernet
(5) enviado se envía directamente el siguiente telegrama Ethernet
(5) respetándose el tiempo de pausa definido en el estándar de
transmisión Ethernet para así emitir continuamente telegramas
Ethernet (5) por la línea de transmisión Ethernet (2) durante todo
el tiempo de ciclo,
caracterizado porque
para el envío continuo de telegramas Ethernet
(5) preparados durante un tiempo de ciclo predeterminado se adapta
el número y/o la longitud de los telegramas Ethernet (5) a enviar en
un ciclo para emitir continuamente telegramas Ethernet (5) por la
línea de transmisión Ethernet (2) durante todo el tiempo de ciclo
predeterminado.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque para el cálculo del número y/o de la
longitud de telegramas Ethernet a enviar en un ciclo se tienen en
cuenta la tasa de baudios utilizada por la línea de transmisión
Ethernet, la longitud del código de inicio, preámbulo y suma de
comprobación insertados en cada telegrama Ethernet durante la
conversión de los datos según el estándar de transmisión del
protocolo Ethernet y la longitud del tiempo de pausa a respetar
entre los telegramas Ethernet a enviar.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque la longitud máxima de bits L del
telegrama Ethernet a enviar en un ciclo se calcula como sigue con
una tasa de baudios de ba Mbaudios empleada en la línea de
transmisión Ethernet, un tiempo de ciclo de zy \mus, una longitud
del código de inicio de st bits, una longitud del preámbulo de pr
bits, una longitud de la suma de comprobación de ch bits y un tiempo
de pausa de pa bits:
L = (ba
* zy) - (st + pr + ch +
pa).
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque si la longitud máxima de bits L es mayor
que la longitud máxima de bits posible de los telegramas Ethernet,
el número y la longitud de los telegramas Ethernet a enviar se
eligen de forma que en un ciclo se envían varios telegramas Ethernet
cuya longitud de bits común corresponde al tiempo de ciclo.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque para el envío
continuo de los telegramas Ethernet preparados se almacenan
temporalmente los telegramas preparados en una memoria intermedia y
se comienza el proceso de envío tan pronto como se consigue un nivel
predeterminado de llenado en la memoria intermedia.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los datos a
enviar son datos en tiempo real y una aplicación en tiempo real que
genera los datos en tiempo real a enviar se sincroniza con el
proceso de envío de los telegramas Ethernet.
7. Nodo para red Ethernet con una unidad de
control (1; 11, 12) para la conversión de los datos a enviar según
el estándar de transmisión del protocolo Ethernet para preparar
telegramas Ethernet (5), y una unidad de envío (3; 31, 33) para el
envío cíclico de los telegramas Ethernet (5) preparados con un
estándar predeterminado de transmisión Ethernet por una línea de
transmisión Ethernet (2), controlando la unidad de control (1; 11,
12) el proceso de envío de los telegramas Ethernet (5) preparados
mediante la unidad de envío (3; 31, 33) de forma que a continuación
de un telegrama Ethernet (5) enviado se envía directamente el
siguiente telegrama Ethernet (5) respetándose el tiempo de pausa
definido en el estándar de transmisión Ethernet para así emitir
continuamente telegramas Ethernet (5) por la línea de transmisión
Ethernet (2) durante todo el tiempo de ciclo, caracterizado
porque la unidad de control (1; 11, 12) está diseñada para la
adaptación del número y/o de la longitud de los telegramas Ethernet
(5) a enviar en un ciclo a un tiempo de ciclo predeterminado para
emitir continuamente telegramas Ethernet (5) por la línea de
transmisión Ethernet (2) durante todo el tiempo de ciclo
predeterminado.
8. Nodo según la reivindicación 7,
caracterizado porque la unidad de envío (3; 31, 33) presenta
una memoria intermedia (33) para el almacenamiento temporal de los
telegramas Ethernet preparados, estando diseñada la unidad de
control (1; 11, 13) para iniciar el proceso de envío en función de
un nivel predeterminado de llenado en la memoria intermedia
(33).
9. Nodo según la reivindicación 7 u 8,
caracterizado porque la unidad de control (1; 11, 12) está
diseñada para la sincronización de una aplicación en tiempo real
que genera los datos en tiempo real a enviar con el proceso de
envío de los telegramas Ethernet.
\newpage
10. Red Ethernet con una línea de transmisión
Ethernet (2) y una pluralidad de nodos (1) conectados con la línea
de transmisión Ethernet según una de las reivindicaciones 7 a 9,
caracterizada porque el canal de envío de la línea de
transmisión Ethernet (2) está diseñado para transmitir sin
colisiones los telegramas Ethernet (5).
11. Red Ethernet según la reivindicación 10,
caracterizada porque la línea de transmisión Ethernet (2)
presenta una topología dispuesta en forma de anillo y los
telegramas Ethernet enviados por el nodo de envío (1) se
transfieren de un nodo hasta el nodo siguiente.
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