Barramentos de campo Bibliografia H. Kopetz, Design Principles for Distributed Embedded Applications, Kluwer Academic Publishers, 1997. 1 Modelo OSI para sistemas comunicantes OSI Open Systems Interconnect (modelo de referência) (visa fomentar a interoperabilidade entre sistemas comunicantes) Aplicação no Sistema A Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Ligação de dados Física Rede Aplicação no Sistema B Aplicação Apresentação Sessão Transporte Ligação de dados Física 2 1
Modelo OSI para sistemas comunicantes OSI Open Systems Interconnect Cada camada presta um conjunto de serviços, baseada num conjunto de protocolos. Os dados da aplicação que se destinam a ser enviados do sistema A para o sistema B são entregues à camada Aplicação através dos serviços de comunicação existentes. Cada camada invoca os serviços da camada inferior fornecendo-lhe os dados mais alguma informação de controlo. Só na camada física os dados são efectivamente trasferidos. 3 Modelo OSI para sistemas comunicantes OSI Open Systems Interconnect No sistema B, os dados são recebidos pela camada física. Posteriormente, cada camada retira a informação de controlo respectiva e passa a restante à camada superior, até à aplicação. De todas estas operações resulta um custo considerável, quer computacional quer de largura de banda. 4 2
Barramento de campo - Fieldbus Em sistemas de controlo distribuído: é comum designar-se o sistema de comunicação que interliga os equipamentos de campo (e.g., sensores, actuadores, controladores, reguladores) por Barramento de Campo (Fieldbus) Exemplos de alguns sistemas mais conhecidos: ProfiBus, WorldFIP, P-Net, Interbus-S, DeviceNet, CAN 5 Barramento de campo - Fieldbus Características típicas dos Barramentos de Campo Topologia em barramento (nalguns casos em anel) Suporte à transferência frequente (ms...) de pequenas quantidades de dados (poucos bytes) Comportamento temporal bem definido (é possível determinar os atrasos de comunicação no pior caso) 6 3
Barramento de campo - Fieldbus Costumam usar uma versão colapsada do modelo OSI Objectivo: redução dos atrasos inerentes ao processamento dos serviços em todas as camadas do modelo de referência bem como da largura de banda gasta com informação de controlo. Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Ligação de dados Física Aplicação Ligação de dados Física 7 Barramento de campo - Exemplo 3 tapetes rolantes em cascata output M1 v1 M2 v2 M3 v3 input Parts detector Motor drive Speed sensor Motor drive Speed sensor Motor drive Speed sensor Parts detector Operator Console Controller unit Controller unit Controller unit Fieldbus Meio partilhado => necessidade de escalonar as mensagens 8 4
Camada física - Topologia de interligação Exemplos de topologias genéricas Emaranhado Árvore Anel Barramento 9 Camada física - Topologia de interligação Topologia A favor Contra Emaranhado Árvore Anel Barramento Ligações ponto-a-ponto. Vários percursos alternativos. Ligações ponto-a-ponto. Comunicação simultânea em ramos paralelos. Isolamento entre ramos Cablagem simplificada. Maior robustez em relação a erros de transmissão facilidade de confirmação. Cablagem simplificada. Nodos comunicam directamente não é necessário encaminhamento. 10 Necessidade de encaminhamento (routing). Interligações complexas e de difícil manutenção Atrasos na comunicação entre nodos em ramos distantes necessidade de encaminhamento. Ligações ponto-a-ponto mas usadas como meio partilhado - controlo do acesso ao meio mais complexo. Meio de comunicação partilhado - controlo do acesso ao meio mais complexo. 5
Camada física - Meio Cablagem de cobre Interfaces e cabos baratos (+) EMI Interf. Electromagnética (-) Fibra óptica Imune a EMI, baixa atenuação, grande largura de banda (+) Interfaces e cabos caros (-) Sem fios Infra-vermelhos Mobilidade (+), nodos em linha de vista, interferência (-) Rádio frequência Mobilidade (+), interferência (-) 11 Ligação de dados - Endereçamento Endereçamento directo Em cada transacção são identificados os respectivos intervenientes, i.e., o endereço do emissor e do receptor Os endereços podem ser físicos ou lógicos. Endereçamento indirecto Em cada transacção são identificados os dados transmitidos (e.g., leitura do sensor de temperatura X). Todos os nodos que necessitem desse valor recolhem-no da rede. 12 6
Ligação de dados Controlo lógico (LLC) Serviços com confirmação imediata O emissor fica à espera de receber uma confirmação de que a mensagem foi devidamente recebida pelo destinatário. Serviços sem confirmação O emissor envia a mensagem e prossegue a sua actividade. Serviços com conexão O emissor tem de estabelecer uma conexão com o receptor (destinada a acordar certos parâmetros de comunicação) antes de poder ser enviada qualquer mensagem entre ambos. 13 Ligação de dados Acesso ao meio (MAC) Acesso controlado Existe uma forma acordada de controlo para acesso ao meio que determina quando é que cada nodo pode transmitir. e.g., mestre-escravo (master-slave), testemunho (token) Acesso não controlado Cada nodo inicía transmissão assim que a respectiva aplicação o determina. As colisões são resolvidas por métodos adequados. e.g., CSMA-CD, CSMA-DCR 14 7
Escalonamento de tráfego Problema semelhante ao escalonamento de tarefas mas sem preempção Muito influenciado pela política de arbitragem no acesso ao meio (MAC) Arbitragem método usado para resolver conflitos no acesso ao meio Exemplos: WorldFIP Arbitragem centralizada e escalonamento qualquer CAN Arbitragem distribuída (CSMA-DCR) com escalonamento por prioridades fixas 15 Aplicação Modelos de co-operação Cliente-Servidor Cada transacção é iniciada por quem necessita da informação. É um modelo baseado numa comunicação entre 2 intervenientes de cada vez, o servidor e um cliente. Pode ter problemas com aplicações tempo-real por eventual saturação do servidor com pedidos de clientes. Produtor-Consumidor Cada transacção é iniciada por quem possui a informação a partilhar. Os nodos interessados nessa informação recolhem-na. Este modelo adapta-se bem a comunicação um-para-muitos bem como ao suporte de coerência espacial da informação distribuída. 16 8