Tài liệu Hệ thống thông tin công nghiệp Chương 4 docx

© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 1
Hệ thống
thông tin công nghiệp
1/20/2006
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
2
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
1. Vấn ₫ề kiểm soát truy nhập bus
2. Phương pháp Master/Slave
3. Phương pháp Token Passing
4. Phương pháp TDMA
5. Phương pháp CSMA/CD
6. Phương pháp CSMA/CA
3
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
1. Vấn ₫ề kiểm soát truy nhập bus
 Kiểm soát truy nhập bus (Bus access control, Medium
Access Control): Phân chia thời gian truy nhập ₫ường
truyền (gửi tín hiệu ₫i)
 Phương pháp kiểm soát truy nhập bus ảnh hưởng tới:
— ₫ộ tin cậy
— tính năng thời gian thực
— hiệu suất sử dụng ₫ường truyền
 Phương pháp kiểm soát truy nhập bus liên quan chặt
chẽ tới, nhưng không ₫ồng nghĩa với cơ chế giao tiếp.

 So sánh ví dụ: Làm thế nào ₫ể trong một cuộc họp ₫ể
khi một người nói thì những người khác không chen
vào?
4
â 2004, HONG MINH SN
4.3 Kim soỏt truy nhp bus
â 2005 - HMS
Phõn loi phng phỏp
Truy nh
ậ
p tiền định
Ki
ể
m soát t
ậ
p trung
Master /Sl ave
TDMA
Phơng pháp
truy nhập bus
Truy nh
ậ
p ngẫu nhiên
Ki
ể
m soát phân tán
Token Passin
g
Nh
ậ

n biết xung đột
CSMA/CD
CSMA/CA
Tránh xung độ
t
5
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
2. Phương pháp chủ/tớ (Master/Slave)
 Vai trò của trạm chủ:
—Kiểm soát hoàn toàn giao tiếp trong hệ thống, hoặc
—Chỉ ₫óng vai trò phân chia quyền truy nhập bus
Master
Slave Slave Slave Slave
6
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm
 Ưu ₫iểm:
—Tiền ₫ịnh
— Đơn giản, ₫ỡ tốn kém
— Trí tuệ tập trung tại một trạm chủ
 Nhược ₫iểm
— Độ tin cậy phụ thuộc vào một trạm duy nhất
—Hiệu suất trao ₫ổi dữ liệu giữa hai trạm tớ thấp
 Ứng dụng chủ yếu
—phổ biến trong các hệ thống bus cấp thấp (bus trường
hay bus thiết bị)

— trao ₫ổi thông tin hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ là
thiết bị ₫iều khiển và các trạm tớ là thiết bị trường hoặc
các module vào/ra phân tán.
7
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
Biểu ₫ồ trình tự giao tiếp
Master Slave 1 Slave 2
1: receive_request
2: send_request
3: send_data
4: send_completed
5: receive_completed
8
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
3. Token Passing
Tr
¹
m 1
Tr
¹
m 4
Tr
¹
m 5
Tr
¹

m 6
Tr
¹
m 2
Tr
¹
m 3
Token Ring
Token
Tr
¹
m 3 Tr
¹
m 4
Tr
¹
m 5
Tr
¹
m 6
Tr
¹
m 1
Tr
¹
m 2
Token
Token Bu
s
9

© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
Token?
 Một bức ₫iện rất ngắn, có cấu trúc ₫ặc biệt
 Ví dụ:
Destination
Address
Start
Delimiter
Source
Address
End
Delimiter
10
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
Vấn ₫ề kiểm soát Token
 Giám sát token: Nếu do một lỗi nào ₫ómàtoken bị mất
hoặc gia bội, cần phải thông báo xóa các token cũ và
tạo một token mới.
 Khởi tạo token: Sau khi khởi ₫ộng một trạm ₫ược chỉ
₫ịnh có trách nhiệm tạo một token mới.
 Tách trạm ra khỏi mạch vòng logic: Một trạm có sự cố
phải ₫ược phát hiện và tách ra khỏi trình tự ₫ược
nhận token.
 Bổ sung trạm mới: Một trạm mới ₫ược kết nối mạng,
một trạm cũ ₫ược thay thế hoặc ₫ưa trở lại sử dụng
phải ₫ược bổ sung vào mạch vòng logic ₫ể có

quyền
nhận token.
11
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm
 Ưu ₫iểm:
—Tiền ₫ịnh
— Độ tin cậy cao hơn nhờ vai trò bình ₫ẳng
—Phùhợp cho nhiều cơ chế giao tiếp khác nhau
 Nhược ₫iểm:
—Phức tạp
 Ứng dụng
—Chủ yếu ở cấp phía trên (bus ₫iều khiển, bus hệ thống)
12
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
Kết hợp với Master/Slave (Multimaster)
Master
(1)
Slave
(2)
(1) Token passing gi÷a c¸c tr¹m tÝch cùc
(2) Master/slave gi÷a mét tr¹m tÝch cùc vμ mét sè tr¹m kh«ng tÝch cùc
Master Master Master Master
Slave Slave Slave
13
© 2004, HOÀNG MINH SƠN

4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
4. TDMA
 TDMA (Time-Division Multiple Access): Phân chia thời
gian cố ₫ịnh
Khe thời gian (time slot)
12
N
Theo yªu cÇu
Chu kú bus (chu kú TDMA)
. . .
14
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm
 Ưu ₫iểm
—Tiền ₫ịnh, phù hợp với trao ₫ổi dữ liệu tuần hoàn
—Cóthể ₫áp ứng yêu cầu rất ngặt nghèo về tính năng thời
gian thực
— Không cần kiểm soát tập trung
 Nhược ₫iểm
—Hiệu suất sử dụng ₫ường truyền có thể không cao
— Đồng bộ hóa thời gian phức tạp
 Ứng dụng:
—Thường là kết hợp với Master/Slave (ví dụ Profibus-DP
V2.0, Interbus) hoặc Token Passing (Foundation Fieldbus
H1)
—Chủ yếu ở cấp trường
15

© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
5. CSMA/CD
 Một phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên, nổi tiếng
cùng mạng Ethernet (IEEE 802.3)
 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision
Detection)
— Carrier Sense: Cảm nhận, nghe ngóng ₫ường truyền
— Multiple Access: Đa truy nhập (₫ương nhiên!)
— Collision Detection: Nhận biết xung ₫ột
16
â 2004, HONG MINH SN
4.3 Kim soỏt truy nhp bus
â 2005 - HMS
Nguyờn tc lm vic
1. carrier
sense
A
phát hiện xun
g
đ
ộ
t, hủ
y
bỏ bức đIện
Chờ một thời gian ngẫu nhiên v lặp lại
A
B C
A

B
C
A
B
C
2. multiple
access

3. collision

A
B
C
4. detection

C phát hiện xun
g
đ
ộ
t, hủ
y
bỏ bức đIện
Chờ một thời gian ngẫu nhiên v l
ặ
p l
ạ
i
17
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus

© 2005 - HMS
Điều kiện ràng buộc
 Điều kiện ràng buộc giữa chiều dài dây dẫn, tốc ₫ộ
truyền thông và chiều dài bức ₫iện
 Tại sao? Một trạm chỉ có thể dừng gửi một bức ₫iện khi
nó chưa gửi xong!
 Điều kiện:
(Chiều dài bức ₫iện n / Tốc ₫ộ truyền v) > 2T
S
<=> n/v > 2l/(0,66*300.000.000),
với l là chiều dài dây dẫn và hệ số k = 0,67
<=> lv < 100.000.000n
 Ví dụ: Fast Ethernet (100Mbit/s)
l = 100m => một bức ₫iện không thể ngắn hơn 100 bit.
 Hệ quả xét về hiệu suất sử dụng ₫ường truyền và khả
năng ứng dụng?
18
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm
 Ưu ₫iểm:
—Rất linh hoạt, không cần ₫ặt cấu hình mạng trước
— Được sử dụng rộng rãi
 Nhược ₫iểm:
—Thiếu tính tiền ₫ịnh
—Thuật toán phức tạp
 Ứng dụng:
—Chủ yếu ở mạng cấp cao (Ethernet)
—Gần ₫ây ₫ược sử dụng ở cấp thấp: Sử dụng công nghệ

chuyển mạch (switch) nhằm giảm xung ₫ột tín hiệu
19
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
Thuật toán tính thời gian chờ
 Thuật toán BEB (Binary Exponential Backoff):
—Chọn khe thời gian (T
e
) là cơ sở: thông thường là thời
gian lan truyền tín hiệu một lần qua lại ₫ường truyền.
—Sau lần xảy ra xung ₫ột ₫ầu tiên , mỗi trạm sẽ chọn
ngẫu nhiên 0 hoặc 1 lần khe thời gian chờ trước khi thử
gửi lại => xác suất tái xung ₫ột?
—Nếu hai trạm ngẫu nhiên cùng chọn một khoảng thời
gian, hoặc có sự xung ₫ột mới với một trạm thứ ba, thì
số khe thời gian lựa chọn chờ sẽ là
0, 1, 2 hoặc 3 => xác
xuất xảy ra xung ₫ột ở lần này?
—Sau lần xung ₫ột thứ i, số khe thời gian chọn ngẫu
nhiên nằm trong khoảng từ 0 tới 2
i-1
.
20
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
6. CSMA/CA
 CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision
Avoidance

 Một phương pháp cải tiến từ CSMA/CD, bổ sung mức
ưu tiên ₫ể cải thiện tính thời gian thực
 Nổi tiếng cùng mạng CAN (Controller Area Network)
21
â 2004, HONG MINH SN
4.3 Kim soỏt truy nhp bus
â 2005 - HMS
Nguyờn tc lm vic
T1
0
1 0*
T2
0
1 1*
R1
0
1 0
R2
0
1 0
0 1
0 1
Phát hiện lỗi
> ngừng phát
Mức tín hiệu lấn át
> phát tiếp
22
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS

Điều kiện ràng buộc
 Ngặt nghèo hơn so với CSMA/CD
 Một trạm phải có khả năng phát hiện ra xung ₫ột
trước khi nó ra quyết ₫ịnh có gửi bit tiếp theo hay
không => thời gian bit T
B
phải lớn hơn nhiều hai lần
thời gian lan truyền tín hiệu T
S
1/v > 2T
S
, với v là tốc ₫ộ truyền
<=> 1/v >> 2l/(0,67*300.000.000)
<=> lv << 100.000.000
 Ví dụ:
— v = 500kbit/s (tốc ₫ộ trung bình ở CAN)
=> l << 200m (thực tế người ta chọn l < 80m)
23
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
Qui ₫ịnh mức ưu tiên
 Theo ₫ịa chỉ trạm gửi hoặc trạm nhận (ví dụ ₫ịa chỉ
càng thấp, mức ưu tiên càng cao) => bổ sung ₫ịa chỉ
trạm gửi hoặc nhận ngay ₫ầu bức ₫iện
 Theo kiểu bức ₫iện: bổ sung mức ưu tiên ngay ₫ầu
bức ₫iện
 Phương pháp kết hợp
SD DA SA
00000010 => ưu tiên hơn

00000011
SD ID

SD ID DA
SA
24
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
© 2005 - HMS
Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm
 Ưu ₫iểm
— Linh hoạt
— Tính thời gian thực tốt hơn CSMA/CD
 Nhược ₫iểm
—Tốc ₫ộ truyền thấp
—Khoảng cách truyền ngắn