Как происходит передача данных по шине

В небольших сетевых устройствах с одним сетевым процессом (ASIC или NPU) переместить пакет из входной очереди в выходную просто. Оба интерфейса ввода и вывода используют общий пул памяти пакетов, поэтому указатель на пакет может быть перемещен из одной очереди в другую.

Полный курс по Сетевым Технологиям

В курсе тебя ждет концентрат ТОП 15 навыков, которые обязан знать ведущий инженер или senior Network Operation Engineer

Для достижения большего количества портов и более крупных устройств — особенно устройств шасси — должна быть внутренняя шина или матрица, которая соединяет механизмы обработки входных и выходных пакетов. Одним из распространенных типов структуры, используемой для соединения механизмов обработки пакетов в сетевом устройстве, является структура матрицы; Рисунок ниже иллюстрирует это.

Размер и структура полотна матрицы зависят от количества подключенных портов. Если в коммутаторе больше портов, чем возможно для подключения через одну матрицу кросс-панелей, то коммутатор будет использовать несколько структур кросс-панелей. Распространенной топологией для такого типа полотна является многоступенчатая закрытая структура, соединяющая входную и выходную полотна матрицы вместе. Вы можете думать об этом как о матрице из матриц.

Для работы матрицы требуется чувство времени (или, скорее, фиксированный временной интервал) и планировщик. В каждый интервал времени один порт вывода (отправки) соединяется с одним портом ввода (приема), так что в течение этого периода времени отправитель может передать пакет, кадр или набор пакетов получателю. Планировщик «соединяет» правильные точки пересечения на матрице, чтобы передачи происходили в нужный период времени. Например:

• Line card 1 (LC1) хочет отправить пакет в LC3.
• LC3 хочет отправить пакет в LC5.

В течение следующего временного цикла планировщик может подключить строку A к столбцу 1 («установить» соединение в A3) и подключить строку C к столбцу 5 («установить» соединение в C5), чтобы между этими парами был установлен канал связи.

Пересечения и конфликты

Что произойдет, если два передатчика захотят отправить пакет одному получателю? Например, если в течение одного периода времени и LC1, и LC2 хотят отправить пакет в LC9 через полотно перекрестной матрицы? Это называется конфликтом, и это ситуация, которую должен обрабатывать планировщик структуры. Какому из двух входных портов должно быть разрешено отправлять свой трафик на выходной порт? А где же тем временем должны находится очереди входящего трафика?

Один из вариантов — хранить пакеты во входной очереди; коммутаторы, использующие эту технику, называются коммутаторами с очередью ввода (input-queued switches). Такие коммутаторы испытывают head-of-line (HOL). Блокировка HOL — это то, что происходит, когда пакет в начале линии, ожидающий пересылки через структуру, блокирует другие пакеты, стоящие в очереди за ним.

Другой вариант — использовать в коммутаторе несколько виртуальных очередей вывода (virtual output queues- VOQ) для каждого порта ввода.

VOQ дают матрице перекрестной сети несколько мест для хранения входящих пакетов, пока они ожидают доставки на свои выходные порты. Во многих конструкциях коммутаторов один VOQ существует на каждый выходной порт, для которого предназначен входной трафик. Следовательно, входной порт может иметь несколько пакетов в очереди в нескольких разных VOQ, предполагая, что несколько разных выходных портов.

Каждый из этих VOQ может обслуживаться в течение одного тактового цикла. Это означает, что блокировка HOL устраняется, потому что несколько разных пакетов из одной входной очереди могут проходить через матрицу кроссбара одновременно. Для порта ввода существует не одна очередь, а несколько разных очередей.

Даже с VOQ остается потенциальная возможность разногласий по структуре перекрестной сети. Наиболее распространенный пример — это когда два или более входящих пакета должны покинуть коммутатор через один и тот же выходной порт в одно и то же время, или, точнее, в одном тактовом цикле. Выходной порт может отправлять только один пакет за такт.

Определение того, какая входная очередь будет доставлять трафик на выходной порт первой, — это алгоритм, определяемый производителем коммутатора для максимального использования аппаратного обеспечения. iSLIP-это один из алгоритмов планирования, используемых коммутаторами для решения этой проблемы.

Обзор алгоритма iSLIP

Алгоритм iSLIP разрешает конфликты межсетевых экранов, распределяя трафик таким образом, чтобы сетевое устройство достигало неблокирующей пропускной способности. Для понимания этого полезно внимательно изучить iSLIP в его простейшей форме, проанализировав, что происходит, когда алгоритм iSLIP выполняется один раз.

Во время выполнения iSLIP происходят три важных события:

1. Запрос. Все входные точки (вход) на перекрестной матрице с поставленным в очередь трафиком спрашивают свои выходные точки (выход), могут ли они отправить.
2. Предоставление (грант). Каждая точка вывода, получившая запрос, должна определять, какая точка ввода будет разрешена для отправки. Если есть один запрос, то грант предоставляется без дальнейшего обсуждения. Однако при наличии нескольких запросов точка вывода должна определять, какая точка ввода может отправлять. Это делается через циклического перебора, где одному запросу предоставляется грант, последующему запросу предоставляется грант во время следующего выполнения iSLIP, и так далее по кругу. Когда было принято решение об этом конкретном выполнении iSLIP, каждая точка вывода отправляет свое сообщение о предоставлении, эффективно сигнализируя о разрешении на отправку, в соответствующую точку ввода.
3. Принятие. Входная точка рассматривает сообщения о предоставлении гранта, полученные ею от выходных точек, выбирая грант циклическим способом. После выбора входной сигнал уведомляет выходной сигнал о том, что грант принят. Если и только, если выходная точка уведомлена о том, что грант был принят, выходная точка перейдет к следующему запросу. Если сообщение accept не получено, то точка вывода попытается обслужить предыдущий запрос во время следующего выполнения iSLIP.

Читайте также: Продать шины для внедорожников

Понимание процессов запроса, предоставления и принятия дает нам представление о том, как пакеты могут быть доставлены одновременно через матрицу кроссбара без конфликтов. Однако, если вы поразмыслите над сложным набором входов, VOQ и выходов, вы можете понять, что один запуск iSLIP не планирует доставки столько пакетов, сколько могло бы быть после одного выполнения.

Понимание процессов запроса, предоставления и принятия дает нам представление о том, как пакеты могут быть доставлены одновременно через матрицу кроссбара без конфликтов. Однако, если вы поразмыслите над сложным набором входов, VOQ и выходов, вы поймете, что один запуск iSLIP не планирует доставки столько пакетов, сколько могло бы быть после одного выполнения.

Конечно, некоторые входы были предоставлены выходам, и некоторые пакеты могут быть переадресованы, но возможно, что некоторые выходы никогда не были согласованы с ожидающим входом. Другими словами, если вы ограничите iSLIP одним исполнением за такт, мы оставим доступную выходную полосу пропускания неиспользуемой.

Поэтому обычной практикой является запуск iSLIP через несколько итераций. В результате количество совпадений ввода-вывода максимально. За один раз через матрицу кроссбара может быть отправлено больше пакетов. Сколько раз нужно запускать iSLIP, чтобы максимально увеличить количество пакетов, которые можно коммутировать через матрицу кроссбара за такт? Исследования показывают, что для шаблонов трафика, преобладающих в большинстве сетей, запуск iSLIP четыре раза лучше всего сопоставляет входные и выходные данные в матрице. Выполнение iSLIP более четырех раз не приводит к значительному увеличению количества совпадений. Другими словами, запуск iSLIP пять, шесть или десять раз в большинстве сетевых сред ничего не даст.

Выход за рамки iSLIP

Это обсуждение до сих пор предполагало, что движение, протекающее через матрицу, имеет одинаковое значение. Однако в современных центрах обработки данных одни классы трафика имеют приоритет над другими. Например, фреймы хранилища Fibre Channel over Ethernet (FCoE) должны проходить через матрицу без потерь, в то время как сеанс TCP, попадающий в класс QoS, этого не делает.

Обрабатывает ли iSLIP трафик с разными приоритетами, отдавая одни запросы раньше других? Да, но в модифицированной форме алгоритма, который мы рассмотрели. Варианты iSLIP включают Приоритетный, Пороговый и Взвешенный iSLIP.

Помимо iSLIP, который здесь используется просто как удобный пример управления конфликтами, поставщики будут писать свои собственные алгоритмы, соответствующие аппаратным возможностям своей собственной коммутационной матрицы. Например, в этом разделе рассматривается только матрица перекрестных линий с входящей очередью, но многие структуры перекрестных линий предлагают также организацию очереди вывода на выходной стороне матрицы.

Онлайн курс по Кибербезопасности

Изучи хакерский майндсет и научись защищать свою инфраструктуру! Самые важные и актуальные знания, которые помогут не только войти в ИБ, но и понять реальное положение дел в индустрии

Видео:Передача данных - шина SPIСкачать

Шины и протоколы в промышленной автоматике: как всё это работает

Наверняка многие и вас знают или даже видели, каким образом управляются большие автоматизированные объекты, например, атомная станция или завод со множеством технологических линий: основное действо часто происходит в большой комнате, с кучей экранов, лампочек и пультов. Это комплекс управления обычно называется ГЩУ — главный щит управления для контроля за производственным объектом.

Наверняка вам было интересно, как всё это работает с точки зрения аппаратной и программной части, и какие там используются протоколы передачи данных. В этой статье мы разберемся, как различные данные попадают на ГЩУ, как подаются команды на оборудование, и что вообще нужно, чтобы управлять компрессорной станцией, установкой производства пропана, линией сборки автомобиля или даже канализационно-насосной установкой.

Видео:CAN шина👏 Как это работаетСкачать

Нижний уровень или полевая шина — то, с чего всё начинается

Этот неясный для непосвященных набор слов используется, когда нужно описать средства общения устройств управления с подведомственным оборудованием, например, модулями ввода-вывода или измерительными устройствами.

Под устройствами управления мы подразумеваем ПЛК, т.е. программируемые логические контроллеры (англ. PLC), или ПКА, т.е. программируемые контроллеры автоматизации (англ. PAC). Между ПЛК и ПКА есть некоторые различия, однако, в рамках данной статьи они не существенны, поэтому для упрощения будем использовать общий термин «контроллер».

В русскоязычном сообществе асушников канал общения между контроллером и другими устройствами обычно называют «полевой шиной», потому что он отвечают за передачу данных, которые приходят с «поля».

«Поле» — это глубокий профессиональный термин, обозначающий тот факт, что некое оборудование (например, датчики или исполнительные механизмы), с которым взаимодействует контроллер, находятся где-то далеко-далеко, на улице, в полях, под покровом ночи. И неважно, что датчик может быть расположен в полуметре от контроллера и измерять, допустим, температуру в шкафу автоматики, все равно считается, что он находится «в поле». Чаще всего сигналы с датчиков, приходящие в модули ввода-вывода все-таки преодолевают расстояния от десятков до сотен метров (а иногда и больше), собирая информацию с удаленных площадок или оборудования. Собственно, поэтому шина обмена, по которой контроллер получает значения с этих самых датчиков, называется обычно полевой шиной или реже шиной нижнего уровня или промышленной шиной.

Читайте также: Размер шин мотоцикла днепр

Тут следует отметить, что в Европе и США полевым уровнем считаются только сами устройства, расположенные «в поле», но не среда передачи данных. В российских реалиях термин «полевая шина» или «шина нижнего уровня», пожалуй, слегка размыт и обозначает способ передачи данных от модулей ввода-вывода к контроллеру и наоборот.

Общая схема автоматизации промышленного объекта

Итак, электрический сигнал от датчика проходит некое расстояние по кабельным линиям (чаще по обычному медному кабелю с некоторым количеством жил), к которым подсоединяются несколько датчиков. Затем сигнал попадает в модуль обработки (модуль ввода-вывода), там он преобразуется в понятный контроллеру цифровой язык. Далее этот сигнал по полевой шине попадает непосредственно в контроллер, где и обрабатывается уже окончательно. На основе таких сигналов и строится логика работы самого контроллера. Существует и обратный путь: от контроллера команда управления по полевой шине попадает в модуль вывода, где преобразуется из цифрового вида в аналоговый и поступает по кабельным линиям к исполнительным механизмам и различным устройствам (на схеме выше не указаны).

Видео:Как работает LIN шина автомобиля. K-Line L-Line шины данных. Лин шина автомобиля. Lin-bus networkСкачать

Верхний уровень: от гирлянды до целой рабочей станции

Верхним уровнем называют все то, к чему может прикасаться обычный смертный оператор, который управляет технологическим процессом. В простейшем случае верхний уровень представляет собой набор лампочек и кнопочек. Лампочки сигнализируют оператору о неких происходящих событиях в системе, кнопочки служат для подачи команд контроллеру. Такую систему часто называют «гирлянда» или «ёлка», потому что выглядит очень похоже (как можно убедиться по фотографии в начале статьи).

Если оператору повезло больше, то в качестве верхнего уровня ему достанется панель оператора — некий плоскопанельный компьютер, который тем или иным образом получает данные для отображения от контроллера и выводит их на экран. Такая панель обычно монтируется на сам шкаф автоматики, поэтому взаимодействовать с ней приходится, как правило, стоя, что вызывает неудобства, плюс качество и размер изображения — если это малоформатная панелm — оставляет желать лучшего.

Ну и, наконец, аттракцион невиданной щедрости — рабочая станция (а то и несколько дублирующих), представляющая собой обычный персональный компьютер.

Для наглядного отображения информации на рабочих станциях и плоскопанельных компьютерах используют специализированное программное обеспечение — SCADA-системы. На человеческий язык SCADA переводится как система диспетчерского управления и сбора данных. Она включает в себя множество компонентов, таких как человеко-машинный интерфейс, визуализирующий технологические процессы, систему управления этими процессами, систему архивирования параметров и ведение журнала событий, систему управления тревогами и т.д. Всё это дает оператору полноценную картину происходящих на производстве процессов, а также возможность ими управлять и оперативно реагировать на отклонения от технологического процесса.

Оборудование верхнего уровня обязано взаимодействовать неким образом с контроллером (иначе зачем оно нужно?). Для такого взаимодействия используются протоколы верхнего уровня и некая технология передачи, например, Ethernet или UART. В случае с «ёлкой» таких изощрений, конечно, не нужно, лампочки зажигаются с использованием обычных физических линий, никаких мудреных интерфейсов и протоколов там нет.

В общем-то, этот верхний уровень менее интересен, нежели полевая шина, поскольку этого верхнего уровня может вообще не быть (из серии нечего там смотреть оператору, контроллер сам разберется, что и как нужно делать).

Видео:Экспресс диагностика CAN шины на автомобиле. №21Скачать

«Древние» протоколы передачи данных: Modbus и HART

Мало кто знает, но на седьмой день создания мира Бог не отдыхал, а создавал Modbus. Наравне с HART-протоколом, Modbus, пожалуй, самый старый промышленный протокол передачи данных, он появился аж в 1979 году.

В качестве среды для передачи изначально использовался последовательный интерфейс, затем Modbus реализовали поверх TCP/IP. Это синхронный протокол по схеме «мастер-слейв» (главный-подчиненный), в котором используется принцип «запрос-ответ». Протокол довольно тяжеловесный и медленный, скорость обмена зависит от характеристик приемника и передатчика, но обычно счет идет чуть ли не на сотни миллисекунд, особенно в реализации через последовательный интерфейс.

Более того, регистр передачи данных Modbus является 16-битным, что сразу же накладывает ограничения на передачу типов real и double. Они передаются либо по частям, либо с потерей точности. Хотя Modbus до сих пор повсеместно используется в случаях, когда не нужна высокая скорость обмена и потеря передаваемых данных не критична. Многие производители различных устройств любят расширять протокол Modbus своим исключительным и очень оригинальным образом, добавляя нестандартные функции. Поэтому данный протокол имеет множество мутаций и отклонений от нормы, но все же до сих пор успешно живет в современном мире.
Протокол HART тоже существует с восьмидесятых годов, это промышленный протокол обмена поверх двухпроводной линии токовой петли, в которую напрямую включаются датчики 4-20 мА и другие приборы с поддержкой протокола HART.

Для коммутации линий HART используются специальные устройства, так называемые HART-модемы. Также существуют преобразователи, которые на выходе предоставляют пользователю уже, допустим, протокол Modbus.

Примечателен HART, пожалуй, тем, что помимо аналоговых сигналов датчиков 4-20 мА в цепи передается и цифровой сигнал самого протокола, это позволяет соединить цифровую и аналоговую часть в одной кабельной линии. Современные HART-модемы могут подключаться в USB-порт контроллера, соединяться по Bluetooth, либо же старинным способом через последовательный порт. Десяток лет назад по аналогии с Wi-Fi появился и беспроводной стандарт WirelessHART, работающий в диапазоне ISM.

Читайте также: Как списать шины для автомобиля

Видео:Как работает компьютер? Шины адреса, управления и данных. Дешифрация. Взгляд изнутри!Скачать

Второе поколение протоколов или не совсем промышленные шины ISA, PCI(e) и VME

На смену протоколам Modbus и HART пришли не совсем промышленные шины, такие как ISA (MicroPC, PC/104) или PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), а также VME.

Настала эра вычислителей, имеющих в своем распоряжении универсальную шину передачи данных, куда можно подключать различные платы (модули) для обработки некоего унифицированного сигнала. Как правило, в этом случае процессорный модуль (вычислитель) вставляется в так называемый каркас, который обеспечивает взаимодействие по шине с другими устройствами. Каркас, или, как его любят называть трушные автоматизаторы, «крейт», дополняется необходимыми платами ввода-вывода: аналоговыми, дискретными, интерфейсными и т.д., либо все это слепливается в виде бутерброда без каркаса — одна плата над другой. После чего это многообразие на шине (ISA, PCI, etc.) обменивается данными с процессорным модулем, который таким образом получает информацию с датчиков и реализовывает некую логику.

Контроллер и модули ввода-вывода в каркасе PXI на шине PCI. Источник: National Instruments Corporation

Все бы ничего с этими шинами ISA, PCI(e) и VME, особенно для тех времен: и скорость обмена не огорчает, и расположены компоненты системы в едином каркасе, компактно и удобно, горячей замены плат ввода-вывода может и не быть, но пока еще и не очень хочется.

Но есть ложка дегтя, и не одна. Распределенную систему довольно сложно построить в такой конфигурации, шина обмена локальная, нужно что-то придумывать для обмена данными с другими подчиненными или равноправными узлами, тот же Modbus поверх TCP/IP или какой другой протокол, в общем, удобств маловато. Ну и вторая не очень приятная штука: платы ввода-вывода обычно ждут на вход какой-то унифицированный сигнал, и гальванической развязки с полевым оборудованием у них нет, поэтому нужно городить огород из различных модулей преобразования и промежуточной схемотехники, что сильно усложняет элементную базу.

Промежуточные модули преобразования сигнала с гальванической развязкой. Источник: DataForth Corporation

«А что с протоколом обмена по промышленной шине?» — спросите вы. А ничего. Нет его в такой реализации. По кабельным линиям сигнал попадает с датчиков на преобразователи сигналов, преобразователи выдают напряжение на дискретную или аналоговую плату ввода-вывода, а данные с платы уже читаются через порты ввода/вывода, средствами ОС. И никаких специализированных протоколов.

Видео:03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]Скачать

Как работают современные промышленные шины и протоколы

А что теперь? К сегодняшнему дню классическая идеология построения автоматизированных систем немного поменялась. Роль сыграли множество факторов, начиная с того, что автоматизировать тоже должно быть удобно, и заканчивая тенденцией на распределенные автоматизированные системы с удаленными друг от друга узлами.

Пожалуй, можно сказать, что основных концепций построения систем автоматизации на сегодняшний день две: локализованные и распределенные автоматизированные системы.

В случае с локализованными системами, где сбор данных и управление централизовано в одном конкретном месте, востребована концепция некоего набора модулей ввода-вывода, соединенных между собой общей быстрой шиной, включая контроллер со своим протоколом обмена. При этом, как правило, модули ввода-вывода включают в себя и преобразователь сигнала и гальваническую развязку (хотя, разумеется, не всегда). То есть конечному потребителю достаточно понять, какие типы датчиков и механизмов будут присутствовать в автоматизированной системе, сосчитать количество требуемых модулей ввода-вывода для разных типов сигналов и соединить их в одну общую линейку с контроллером. В этом случае, как правило, каждый производитель использует свой любимый протокол обмена между модулями ввода-вывода и контроллером, и вариантов тут может быть масса.

В случае распределенных систем справедливо все, что сказано в отношении локализованных систем, кроме этого, важно, чтобы отдельные компоненты, например, набор модулей ввода-вывода плюс устройство сбора и передачи информации — не очень умный контроллер, который стоит где-нибудь в будке в поле, рядом с краном, который перекрывает нефть, — могли взаимодействовать с такими же узлами и с главным контроллером на большом расстоянии с эффективной скоростью обмена.

Как разработчики выбирают протокол для своего проекта? Все современные протоколы обмена обеспечивают довольно высокое быстродействие, поэтому зачастую выбор того или иного производителя обусловлен не скоростью обмена по этой самой промышленной шине. Не так важна и реализация самого протокола, потому что, с точки зрения разработчика системы, это все равно будет черный ящик, который обеспечивает некую внутреннюю структуру обмена и не рассчитан на вмешательство извне. Чаще всего обращают внимание на практические характеристики: производительность вычислителя, удобство применения концепции производителя к поставленной задаче, наличие нужных типов модулей ввода-вывода, возможность горячей замены модулей без разрыва шины и т.д.

Популярные поставщики оборудования предлагают собственные реализации промышленных протоколов: например, всем известная компания Siemens разрабатывает свою серию протоколов Profinet и Profibus, компании B&R — протокол Powerlink, Rockwell Automation — протокол EtherNet/IP. Отечественное решение в этом списке примеров: версия протокола FBUS от российской компании Fastwel.

Есть и более универсальные решения, которые не привязаны к конкретному производителю, такие как EtherCAT и CAN. Мы подробно разберем эти протоколы в продолжении статьи и разберемся, какие из них лучше подходят для конкретных применений: автомобильной и аэрокосмической промышленности, производства электроники, систем позиционирования и робототехники. Оставайтесь на связи!

• Свежие записи
  • Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
  • Скрипят амортизаторы на машине что делать
  • Из чего состоит стойка амортизатора передняя
  • Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
  • Для чего нужны амортизаторы в автомобиле

  🔥 Видео

  Кан шина, что это? Поймет школьник! принцип работыСкачать

  

  лекция 403 CAN шина- введениеСкачать

  

  Введение в шину I2CСкачать

  

  Как использовать шину данных для передачи значений между компонентамиСкачать

  

  АЗЫ ДИАГНОСТИКИ. Шины передачи данных. Часть 3. Шина LinСкачать

  

  Цифровые интерфейсы и протоколыСкачать

  

  Компьютерная диагностика авто. K-линия и CAN шинаСкачать

  

  Передача данных по CAN-шине STM32Скачать

  

  поиск нерабочей can шины, часть дваСкачать

  

  Урок №18. Цифровые интерфейсы современного автомобиля: шины данных CAN и LINСкачать

  

  ВИТАЯ ПАРА - Дифференциальная передача данных.Скачать

  

  Лекция 276. Способы передачи данных по Общей шинеСкачать

  

  Лекция 308. Шина I2CСкачать