DE69207072T2 - Verfahren und Arbitrierungsbus zur Übertragung von seriellen Daten - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ganz allgemein die Übertragung von Daten auf einer seriellen Verbindung zwischen einer Mehrzahl von Datensende- und/oder Datenempfangsgeräten, insbesondere, aber nicht ausschließlich bei lokalen industriellen o.ä. Datenbussen oder Netzwerken.
• Bekannt sind Busse oder Netzwerke für serielle Datenübertragung mit beliebigem Zugriff und mit Kollisionserkennung unter der Bezeichnung CSMA/CD, bei denen die physische Verbindung zwischen den Datenverarbeitungs-geräten über eine serielle Datenleitung erfolgt. Die Netzwerke verwalten die Zuweisung zu der seriellen Datenleitung mit Hilfe von Arbitrierungsmitteln zur Bewältigung von Konflikten zwischen mehreren DV-Geräten, die mehr oder weniger gleichzeitig den Zugriff zur seriellen Verbindung anfordern. So verwendet das sog. "Ethernet" - Netzwerk mit CSMA/CD-Kollisionserkennung eine gemeinsame Datenleitung sowohl für die Arbitrierung als auch für den Datenaustausch.
• Dieses und gleichartige Systeme haben jedoch den wesentlichen Nachteil, daß bei einer Kollision zwischen zwei DV-Geräten, die gleichzeit den Zugriff zur Datenübertragungsleitung anfordern, Zeit verloren wird, da es in diesem Falle erforderlich ist, die durch die Kollision gestörten Datenrahmen zu löschen und den Zugriff zur Datenübertragungsleitung zu wiederholen, bevor der Datenaustausch erneut erfolgen kann, wobei sämtliche gelöschten Datenrahmen neu gesendet werden müssen. Somit kommt es im Falle zahlreicher Kollisionen zu einer starken Beeinträchtigung der Durchsatzrate.
• Ziel der Erfindung ist es, die Zuweisung zur seriellen Datenleitung auf eine gegenüber dem darauf erfolgenden Datenaustausch transparente Weise zu generieren, wodurch im Kollisionsfall eine Löschung der gestörten Datenrahmen und somit eine Wiederholung von deren Übertragung vermieden wird.
• Weiterhin hat die Erfindung zum Ziel, den Datenaustausch und die Arbitrierung auf einfache Weise zu koordinieren und eine schnelle Zuweisung der seriellen Verbindung für alle diese anfordernden DV- Geräte zu gewährleisten.
• Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Arbitrierverfahren für den Zugriff zu einem seriellen Datenkanal, an dem mehrere DV-Geräte angeschlossen sind, wobei der Datenkanal einen aktiven und einen inaktiven Zustand annehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenkanal in Form einer seriellen Arbitrierungsleitung mit Stillsetzung auf einem spezifischen Arbitrierungskanal implementiert ist, welche die verschiedenen DV-Geräte miteinander verbindet, und alternativ einen dominanten oder einen rezessiven Zustand definiert, sowie dadurch, daß jedes DV-Gerät, das den Zugriff zum Datenkanal anfordert,
• - auf dem Arbitrierungskanal auf eine vom Zustand des Datenkanals bedingte Weise einen Arbitrierungsrahmen sendet, welcher Bits enthält, die eine Zugriffspriorität beinhalten,
• - nach einer vorgegebenen Dauer nach dem Senden jedes einzelnen Bits den Bitwert des auf dem Arbitrierungskanal befindlichen Bits liest,
• - das Senden des Arbitrierungsrahmens abbricht, sobald der gelesene Bitwert von dem entsprechenden gesendeten Bitwert abweicht, sodaß am Ende des Arbitrierungsrahmens nur ein DV- Gerät das Senden noch nicht beendet hat und somit den Zugriff zum Datenkanal erhält.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Senden der Arbitrierungrahmen durch die den Zugriff zum Datenkanal anfordernden und dabei in Kollision geratenden DV-Geräte mit dem Beginn des zuerst von einem DV-Gerät gesendeten Datenrahmens synchronisiert. Weiterhin wird der Beginn der Übertragung eines Arbitrierungsrahmens in Bezug auf den Beginn eines Datenaustauschs anhand einer Begrenzungsspur des Datenkanals synchronisiert.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird eine umlaufende Priorität zwischen den verschiedenen Datenverkehrskategorien vorgesehen, die mit einem Signal zugewiesen wird, das in jedem DV-Gerät erzeugt werden kann, um das Prioritätenfeld im Arbitrierungsrahmen zu ändern.
• Um zu vermeiden, daß bei wiederholten Konflikten zwischen DV-Geräten mit derselben Prioritätsstufe der Zugriff immer ein und demselben DV-Gerät erteilt wird, kann der Arbitrierungsrahmen weiterhin zwischen dem Prioritätsfeld und dem Numerierungsfeld ein Repetitionsfeld aufweisen, mit dem ein DV- Gerät vorübergehend seine Prioritätsstufe erhöhen kann.
• Weiterhin betrifft die Erfindung einen Datenbus nach Patentanspruch 12, durch den das erfindungsgemäße Verfahren implementiert wird
• Weitere Gesichtspunkte, Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden eingehenderen Beschreibung einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hervor, die jedoch lediglich als Beispiel und ohne Vollständigkeitscharakter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, wobei
• Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Busses mit daran angeschlossenen DV- Geräten ist,
• Fig. 2a und Fig. 2b einen ersten Gesichtspunkt des erfindungsgemäßen Arbitrierungsmechanismus darstellen,
• Fig. 3 einen zweiten Gesichtspunkt des erfindungsgemäßen Arbitrierungsmechanismus darstellt,
• Fig. 4 ein Beispiel für den Inhalt eines erfindungsgemäßen Arbitrierungsrahmens darstellt.
• Auf Fig. 1 sind mehrere DV-Geräte STI, ST2 ... STN dargestellt, die über einen Bus untereinander digitale Daten wie z.B. Variablen und/oder Meldungen austauschen. Dabei können die DV-Geräte über Netzwerke mit integrierten Ports, die die erforderliche Schnittstellenlogik definieren, an den Bus angeschlossen sein.
• Der Bus besteht physisch aus einer Arbitrierungsleitung LA und einer Datenleitung LD, wodurch zwei getrennte, aber miteinander koordinierte serielle Datenleitungen gebildet werden, nämlich den mit ARB bezeichneten Arbitrierungskanal und den mit DATA bezeichneten Datenkanal. Auf den beiden funktionellen Kanälen sind drei physische Spuren implementiert, nämlich eine Arbitrierungsspur auf dem ARB-Kanal sowie eine Begrenzungsspur und eine Datenspur auf dem DATA-Kanal.
• Die Begrenzungsspur weist zwei physische Zustände "high" und "low" auf, um zwei logische Zustände zu vermitteln, nämlich einen inaktiven und einen aktiven Zustand. Sie liefert den Datenrahmen für elementare Datenfolgen - jede Datenfolge besteht aus einer Abfolge von Datenrahmen - um die Kanäle ARB und DATA zu synchronisieren und die Immunität des Busses zu gewährleisten. Weiterhin überträgt sie im aktiven Zustand einen von dem den Zugriff zum Bus besitzenden DV-Gerät generierten Takt, um den anderen, Datenfolgen aufnehmenden DV-Geräten die Möglichkeit zu geben, die Datenspur abzutasten.
• Auf dem Kanal ARB werden Datenrahmen übertragen, von denen jeder eine Zugriffsanforderung eines DV-Gerätes darstellt. Die Bits der Arbitrierungsrahmen werden uncodiert übertragen, wobei ein Nullspannung oder eine niedrige Spannung für ein logisches Signal "low" oder "O" steht, während eine Spannung von +5 V oder - allgemeiner gesagt - eine höhere Spannung für ein logisches Signal "high" oder "1" steht.
• Die Durchsatzrate des Kanals DATA kann z.B. 12 Mbi/s betragen. Auf dem Kanal ARB ist keine hohe Durchsatzrate erforderlich. Weiterhin beinhaltet der weiter unten beschriebene Kollisionssteuerungsmechanismus, daß jedes Bit während einer Mindestdauer gesendet wird, die mit der Verbreitungsdauer der Signale auf dem Kanal zusammenhängt.
• Die Arbitrierung des Zugriffs zum Bus erfolgt parallel zum Datenfluß, ohne Beanspruchung eines spezifischen Busverwaltungsprogramrns, aber mit einer Kollisionssteuerung bei jedem DV-Gerät. Aus diesem Grunde ist im nachfolgenden von einer "diffusen" Arbitrierung die Rede.
• Der Kanal ARB besitzt zwei physische Zustände: einen rezessiven und einen dominanten Zustand. Die Ruhestellung (keine Datenübertragung von einem DV-Gerät aus) entspricht dem rezessiven Zustand. Sobald ein DV-Gerät einen dominanten Zustand sendet, verbreitet sich dieser Zustand auf dem Kanal ARB mit der für die Verbreitung der Signale bestehenden Geschwindigkeit. Es sei hier vereinbart, daß ein physischer Zustand "low" auf der Arbitrierungleitung den dominanten Zustand darstellt, während ein physischer Zustand "high" den rezessiven Zustand darstellt. Dies ist leicht zu erreichen, z.B. bei Ausgängen mit offenem Kollektor bei jedem DV-Gerät.
• Sind logische Wandler an den Schnittstellen der DV-Geräte zum Bus vorgesehen, so entspricht der dominante Zustand beim DV-Gerät einem logischen Zustand "1", während der rezessive Zustand einem logischen Zustand "0" entspricht.
• Für jedes Bit eines Arbitrierungsrahmens, für das der Kollisionsmechanismus funktionell ist, vergleicht das sendende DV-Gerät den übertragenen Zustand mit dem etwas später auf dem Kanal gelesenen Zustand. Dieser Zeitpunkt hängt von der max. Verbreitungsdauer der Signale auf dem Datenkanal ab, welche wiederum von der Länge der physischen Datenleitung ist. Entsprechend wird das Intervall zwischen dem Senden von zwei aufeinanderfolgenden Bits je nach dieser Verbreitungsdauer gewählt.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 2a und Fig. 2b werden im Nachfolgenden zwei mögliche Fälle einer Kollision zwischen den DV-Geräten A und B untersucht. Hierbei bedeutet "te" den Zeitpunkt, zu dem A ein Bit auf dem Bus überträgt, und "tl" den Zeitpunkt, zu dem der Zustand des Busses von demselben DV-Gerät abgelesen wird. Demgegenüber bedeuten "te"' und "tl" den Übertragungs- bzw. Lesezeitpunkt beim DV- Gerät B. Dabei wird in Fig. 2a und 2b davon ausgegangen, daß A zuerst einen Datenrahmen übertragen hat und daß B einen Datenrahmen übertragen hat, sobald es - nach einer von der Verbreitungsgeschwindigkeit der Signale abhängigen Dauer "dt" - festgestellt hat, daß A diese Übertragung beabsichtigte. Somit sendet B alle seine Bits mit einer Verzögerung "dt" gegenüber A. Die durchgezogenen Linien auf der Zeichnung bedeuten hierbei die von den jeweiligen DV-Geräten gesendeten, die gestrichelten Linien die von ihnen jeweils empfangenen Signale.
• Wie auf Fig. 2a dargestellt, senden beide DV-Geräte einen dominanten Zustand "low". Der Bus ist beim DV-Gerät A zum Zeitpunkt "tl" und beim DV-Gerät B zum Zeitpunkt "tl"' dominant, sodaß beide DV- Geräte eine Übereinstimmung zwischen einem gesendeten und einem empfangenen Zustand erkennen. Die Situation wäre dieselbe, wenn beide DV-Geräte einen Zustand "high" senden würden und dabei die einzigen sendenden DV-Geräte wären: der Bus würde im rezessiven Zustand verbleiben.
• Wie auf Fig. 2b dargestellt, beginnt A, einen Zustand "high" zu senden, während B nach der Verzögerung "dt" einen Zustand "low" sendet. Zum Zeitpunkt "tl" ist der Bus in den Zustand "low" übergewechselt, da die Übertragung des Zustands "low" durch B sich bis A verbreitet hat, wie durch die gestrichelten Linien dargestellt ist. Beim DV-Gerät B ist der gelesene Zustand "low", weil es einen Zustand "low" gesendet hat. Somit stellt das DV-Gerät eine Ubereinstimmung zwischen dem gesendeten und dem gelesenen Zustand fest, während das DV-Gerät A einen Unterschied zwischen dem gesendeten und dem gelesenen Zustand feststellt.
• Das DV-Gerät A, das einen solchen Unterschied festgestellt hat, bricht sofort das Senden seines Arbitrierungsrahmens ab, während das DV-Gerät solange weitersendet, wie die obengenannte Übereinstimmung bei der Bit um Bit vorgenommenen Überprüfung festgestellt wird. Das DV-Gerät, das seinen Sendebetrieb unterbrochen hat, verliert das Zugriffsrecht zum Bus und rnuß den Zugriff erneut anfordern, während das DV-Gerät, das die Übereinstimmung zwischen gesendeten und gelesenen Bits bis zum letzten Bit des in Kollision geratenen Datenrahmens aufrechterhält, den Zugriff zum Bus besitzt.
• Zusammenfassend ist festzustellen, daß ein DV-Gerät, das ein hochwertiges Bit auf dem Bus überträgt, während ein anderes DV-Gerät ein niederwertiges Bit darauf überträgt, keinen Zugriff zum Bus erhält.
• Mit Hilfe dieses deterministischen Kollisionserkennungs-mechanismus ist der Arbitrierungskanal in der Lage, ohne Rückgriff auf ein spezifisches Busverwaltungsprogramm die Probleme der Zuweisung des Busses an eines von mehreren den Zugriff zum Bus verlangenden DV-Geräten zu lösen.
• In Fig. 3 ist der parallele Verlauf zwischen den Datenfolgen auf dem DATA-Kanal und den Arbitrierungsrahmen auf dem ARB-Kanal dargestellt: Das DV-Gerät A beginnt zum Zeitpunkt t0, auf dem ARB-Kanal einen Arbitrierungsrahmen mit der Bezeichnung ARB%A zu senden. Angenommen, kein anderes DV-Gerät fordert den Zugriff zum Bus an, so erhält A den Zugriff zum Datenkanal, da bei jedem auf dem Bus gelesenen Bit der Zustand mit dem gesendeten Zustand übereinstimmt. Daraufhin sendet A vom Zeitpunkt t1 an aufeinanderfolgende Datensätze mit der Bezeichnung DATA%A, ohne neue Arbitrierungsrahmen ARB%A senden zu müssen.
• Fordert nun zum Zeitpunkt t2 - während des Übertragens der Datensätze DATA%A von A - ein DV-Gerät B den Zugriff zum Bus durch Senden eines Arbitrierungsrahmens ARB%B an (die Synchronisierung zwischen dem Informationsfluß auf dem ARB-Kanal und dem auf dem DATA-Kanal wird weiter unten beschrieben), so können mehrere Fälle auftreten:
• a) Wünscht A, den Zugriff zum Bus beizubehalten, so sendet es unmittelbar nach dem Erkennen des Beginns des Arbitrierungrahmens von B einen neuen Arbitrierungsrahmen ARB%A. Es kommt zur Kollision zwischen den beiden Datenrahmen ARB%A und ARB%B, wobei das DV-Gerät mit der höheren Priorität den Zugriff erhält.
• b) Hat A keine Daten mehr zu übertragen, so sendet es keinen neuen Arbitrierungsrahmen ARB%A. B erhält den Zugriff zum Bus und kann nach der Übertragung des letzten Datensatzes DATA%A, während der die Arbitrierung erfolgte, seine Datensätze DATA%B übertragen (d.h. vom Zeitpunkt t3 an).
• Hieraus ist erkennbar, daß durch dieses Arbitrierungs-verfahren kein Datenrahmen gelöscht wird und kein Datenaustausch wiederholt werden muß.
• Auf Fig. 4 ist ein Arbitrierungsrahmen ARB% dargestellt. Dieser besteht aufeinanderfolgend aus einem START-Bit, einem Prioritätsfeld PRIO mit drei Bits PRIO2 bis PRIO0, einem sog. Repetitionsbit REP, einem Numerierungsfeld NUM mit sieben Bits NUM6 - NUM0 sowie einem Bit EVT, das eine globale Variable für die Zuweisung der Priorität je nach Zyklus/Ereignis ("event") darstellt. Die Anzahl und die Verteilung der Bits können wohlverstanden unterschiedlich gestaltet werden, ohne den Datenrahmen der Erfindung zu sprengen. Die Länge der einzelnen Bits und die in Bezug auf Fig. 2a und 2b erwähnte Dauer "dt" werden je nach der Verbreitungsgeschwindigkeit auf dem Bus und je nach dessen Länge bestimmt. Die Dauer eines Bits kann bei einem Bus von einigen Dutzend Metern Länge ca. 850 ns betragen, wobei die Länge eines Arbitrierungsrahmens ca. 12 us beträgt. Die Datensätze können eine Dauer von 10 bis 40 us haben, sodaß die Bearbeitung der Kollisionen praktisch innerhalb dieses Zeitraums, d.h. ohne Beeinträchtigung der Durchsatzrate erfolgen kann.
• Das Feld PRIO kennzeichnet eine Prioritätsstufe, die der gewünschten Art des Datenverkehrs zugeordnet werden kann. Es wird von Fall zu Fall entsprechend eines gewünschten Prioritätswertes VPRIO für den gewünschten Datenaustausch und des Parameters EVT von dem jeweiligen DV-Gerät selbst erstellt. Mit dem Feld NUM besteht die Möglichkeit, das DV-Gerät - z.B. topologisch - zu identifizieren.
• Vor der Beschreibung der Felder PRIO und EVT sei bemerkt, daß in dem hier beschriebenen Beispiel der Datenaustausch auf dem Bus in drei Kategorien unterteilt ist, nämlich
• - in eine Kategorie für prioritären Datenaustausch (Kategorie T0 mit z.B. vier Prioritätsstufen T00 - T03), die einer bestimmten Anzahl Verbindungen entsprechen, für die ein schneller und deterministischer Zugriff zum Bus gewünscht wird,
• - in eine Kategorie für sich zyklisch wiederholenden Datenatausch (Kategorie T1 oder T2, deren jeweilige Wahl vom Wert des Parameters EVT abhängt), wobei jede Kategorie z.B. zwei Prioritätsstufen T10, T11 bzw. T20, T21 besitzt), die sämtlichen in regelmäßigen Abständen angeforderten Zugriffen entsprechen (z.B. bei regelmäßigem Austausch von Variablen), und
• - in eine Kategorie ereignisbezogenen Datenautauschs (Kategorie T2 oder T1, deren jeweilige Wahl vorn Wert des Parameters EVT abhängt), die nur sporadisch zum Einsatz kommt, z.B. für einen Meldungsprogramm.
• Daraus ergibt sich:
• - Fordert ein DV-Gerät den Zugriff zum Bus für den Austausch von prioritären Daten an, so hat es grundsätzlich Vorrang vor den anderen.
• - Wird der Zugriff zum Bus ausschließlich für den Austausch von sich zyklisch wiederholenden Daten angefordert, so kann die gesamte Bandbreite dazu verwendet werden.
• - Wird der Zugriff zum Bus sowohl für den Austausch von sich zyklisch wiederholenden Daten als auch für den von ereignisbezogenen Daten angefordert, so steht jeder Kategorie die Hälfte der Bandbreite zur Verfügung.
• - Es ist eine umlaufende Priorität für den Zugriff zum Bus vorgesehen.
• Diese Priorität wird von der binären Gesamtvariablen EVT gesteuert, deren Zustand sich systematisch von einem Arbitrierungsrahmen zum nächsten ändert. Je nachdem, ob EVT rezessiv (EVT=0) oder dominant (EVT=1) ist, wird die Priorität entweder dem sich zyklisch wiederholenden oder dem ereignisbezogenen Datenaustausch erteilt.
• Jeder Datenrahmen eines DV-Gerätes, das den Zugriff erhalten hat, muß so beschaffen sein, daß sein Feld EVT einen anderen Wert als das des Datenrahmens hat, der direkt davor den Zugriff zum Bus hatte. Zu diesem Zweck verfügen sämtliche an den Bus angeschlossenen DV-Geräte über eine binäre Kippschaltung BEVT, durch die ein Signal für den Wechsel des Prioritätszustands erzeugt wird, der ständig dem der Gesamtvariablen EVT entsprechen muß. Dazu liest jedes an den Bus angeschlossene DV-Gerät den Inhalt jedes EVT-Feldes in jedem Arbitrierungsrahmen aus, dem der Zugriff erteilt wurde, und setzt seine Kippschaltung auf den entgegengesetzten Binärwert.
• Soll ein DV-Gerät Daten senden, so erklärt es einen Prioritätswert VPRIQ zwischen 0 und 7 mit folgenden Bedeutungen:
• 0 bis 3: vier höherwertige Prioritätsstufen, wobei 0 die höchstwertige Priorität darstellt.
• 4 bis 7: vier Prioritätsstufen für den Austausch von zyklischen / ereignisbezogenen Daten, aufgeteilt in zwei Stufen - 4 und 5 für den Austausch von zyklische Daten, 6 und 7 für den Austausch von ereignisbezogenen Daten. In der Praxis können die Stufen 4 und 6 einem normalen Datenverkehr und die Stufen 5 und 7 einem Batch-Datenverkehr (stapelweiser Datenverkehr) zugewiesen werden.
• Die Beziehungen zwischen VPRIO, der vom Inhalt der binären Kippschaltung BEVT bestimmten Datenverkehrskategorie und dem effektiven Wert des Feldes EVT in dem gesendeten Arbitrierungsrahmen sind wie folgt:
• Im Falle EVT=0 (Priorität für den zyklischen Datenverkehr): Kategorie des Datenverkehrs
• Im Falle EVT=1 (Priorität für den ereignisbezogenen Datenverkehr): Kategorie des Datenverkehrs
Beispiel 1
• Ein DV-Gerät A fordert den Zugriff zum Bus für einen zyklischen Datenaustausch an (z.B. VPRIO = 4), ein DV-Gerät B fordert den Zugriff zum Bus für einen ereignisbezogenen Datenaustausch normalen Typs an (VPRIO = 6) und ein DV-Gerät C fordert den Zugriff zum Bus für einen ereignisbezogenen Datenaustausch vom Typ stapelweiser Datenverkehr (VPRIC = 7) an:
• Bei der ersten Kollision der Arbitrierungsrahmen erhält das DV-Gerät mit dem zyklischen Datenaustausch die Priorität (EVT=0) und die DV-Geräte B und C müssen ihre Anforderung wiederholen. Bei der darauffolgenden Kollision zwischen den von B und C gesendeten Arbitrierungsrahmen erhält das DV-Gerät mit den ereignisbezogenen Daten die Priorität (EVT=1).
• Danach erhält das DV-Gerät mit den zyklischen Daten die Priorität, das noch als einziges Arbitrierungsrahmen sendet.
• Im Nachfolgenden wird die Funktion des Bits REP ausführlicher beschrieben, das je nach Zustand den Zugriff zum Bus entweder im Normalmodus oder im Repetitionsmodus anfordert. Zweck des Repetitionsmodus ist es, den Zugriff zum Bus für alle DV-Geräte zu gewährleisten, die ein und dieselbe Prioritätsstufe haben. Durch das Versetzen des Bits REP in den Repetitionsrnodus bewirkt das zeitweilige Erhöhen der Prioritätsstufe eines DV-Gerätes, dem der Zugriff zum Bus gegenüber den anderen DV-Geräten mit derselben Prioritätsstufe bisher verwehrt wurde.
• Die Regeln für die Steuerung dieses Bits sind wie folgt festgelegt:
• - In Ruhestellung ist das Bit REP bei allen DV-Geräten im Normalmodus.
• - Bei einem DV-Gerät, dessen Anforderung zum Zugriff auf den Bus aufgrund einer Kollision mit anderen DV-Geräten mit derselben Prioritätsstufe erfolglos war, wir das Bit REP aktiviert, wenn es bisher noch inaktiv war (REP=0).
• - Sobald ein DV-Gerät den Zugriff zum Bus erhält, wird sein REP-Bit wieder in den Normalzustand versetzt.
• Das Numerierungsfeld NUM dient zum Identifizieren der einzelnen DV-Geräte, um zwischen DV-Geräten mit gleicher Priorität PRIC, REP unterscheiden zu können. Falls z.B. der Bus mehrere in Steckkartenrahmen untergebrachte Moduln miteinander verbindet, so können die höherwertigen Bits von NUM die Nummer des Steckkartenrahmens bedeuten, während die niederwertigen Bits die Nummer des Moduls in dem Steckkartenrahmen bedeuten.
• In dem Falle, in dem die Felder PRlO und REP in den Arbitrierüngsrahmen von zwei beim Zugriff auf den Bus in Kollision geratenen DV-Geräten identisch sind, so wird der Zugriff dem DV-Gerät gewährt, dessen Identifikator durch die Bits NUM6-NUM0 am niederwertigsten ist. Da alle DV-Geräte einen anderen NUM-Identifikator besitzen, ist damit die Entscheidung bei einer Kollision eindeutig möglich.
Beispiel 2
• Zur Darstellung einer Zugriffskollision zwischen mehreren DV-Geräten sei angenommen, daß der zyklische Datenverkehr (EVT=0) Priorität hat und vier, dezimal mit 1, 2, 3 und 4 bezeichnete DV-Geräte gleichzeitig den Zugriff zum Bus anfordern, wobei das DV-Gerät 2 die Prioritätsstufe 4 und die DV- Geräte 2, 3 und 4 die Prioritätsstufe 5 besitzen.
• Bei der ersten Kollision erhält DV-Gerät 2 den Zugriff. Die anderen DV-Geräte müssen ihre Anforderung wiederholen, wobei das REP-Bit im Normalmodus verbleibt (REP=1).
• Bei der darauffolgenden Kollision ist EVT=1, und alle drei DV-Geräte haben dieselbe Prioritätsstufe. Hier erfolgt die Zuweisung mit Hilfe des Feldes NUM aufgrund des niederwertigsten Identifikators, somit DV- Gerät 0. Da alle Arbitrierungsrahmen dieselbe Prioritätsstufe haben, wird das REP-Bit der verbleibenden DV-Geräte 1 und 3 in den Repetitionsmodus versetzt (REP=0). Auch wenn nun ein weiteres DV-Gerät mit derselben Prioritätsstufe den Zugriff zum Bus anfordert, so erhält das DV-Gerät 1 den Zugriff zum Bus aufgrund seines vor dem NUM-Feld gesetzten dominanten REP-Bits und auch vor dem DV-Gerät 3, dessen Identifikator im Feld NUM höherwertig ist.
• Innerhalb der Datenrahmen können die herkömmlichen Datenaustauschtechniken, insbesondere für Variablen und/oder Meldungen angewendet werden, wobei den eigentlichen Informationsdaten in einem entsprechenden Datenkopf entweder ein Datenidentifikator (bei Variablen) oder ein Adressfeld mit Sender- und Empfängeradresse (bei Meldungen) hinzugefügt wird.
• Im Nachfolgenden wird nun in Kürze die Synchronisation zwischen den Kanälen ARB und DATA beschrieben.
• Ein an den Bus angeschlossenes DV-Gerät muß die Datenrahmen ARB und DATA der gerade ausgetauschten Daten schnell und sichert erkennen können.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der gesamte Datenaustausch durch die Signale auf dem Kanal DATA synchronisiert, der von allen DV-Geräten ständig abgetastet wird. Diese Synchronisation erfolgt durch die Erkennung einer Aktivität auf der Begrenzungsspur. Ist diese inaktiv, so befindet sich der Kanal DATA in Ruhestellung. Das hierbei angewandte Synchronisierungsprinzip besteht darin, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Datenfolgen die Begrenzungsspur sich während einer ausreichend langen Zeit im inaktiven Zustand befinden muß, um allen DV-Geräten die Möglichkeit zu geben, diesen Zustand zu erkennen.
• Weiterhin muß ein DV-Gerät, das den Zugriff zum Bus anfordert, auch die Synchronisation mit dem Kanal ARB durchführen können, um zu wissen, zu welchem Zeitpunkt es einen Arbitrierungsrahmen senden muß. Hierbei besteht jedoch die Regel, daß kein Arbitrierungsrahmen übertragen werden darf, wenn die Übertragung einer Datenfolge auf dem Kanal DATA beginnt. Folglich ist bei Beginn der Übertragung einer Datenfolge auf dem Kanal DATA der Kanal ARB automatisch in Ruhestellung.
• Andererseits muß das DV-Gerät, das den Zugriff zum Bus besitzt, sicherstellen, daß sich der Kanal ARB in Ruhestellung befindet, bevor es mit der Übertragung einer Datenfolge auf dem Kanal DATA beginnt. Jedes der übrigen an den Bus angeschlossenen DV-Geräte unterbricht sofort das Senden eines Arbitrierungsrahmens, sobald es. den Beginn einer Übertragung einer Datenfolge auf dem Kanal DATA erkennt, und wiederholt diese Operation zu einem späteren Zeitpunkt.
• Obwohl in diesem Zusammenhang der Ausdruck "Bus" verwendet wird, um eine Datenleitung zwischen verschiedenen DV-Geräten zu bezeichnen, versteht es sich von selbst, daß dieser Begriff nicht im engeren Sinne des Wortes zu verstehen ist, sondern daß er sowohl Busse als auch Netzwerke beinhaltet. Ganz allgemein bezieht er sich auf die gesamte Umgebung, in der dezentral angeordnete DV-Geräte über Datenleitungen mäßiger Länge numerische Daten miteinander austauschen können müssen.

Claims (17)

1. Arbitrierungsverfahren für den Zugriff zu einem seriellen Datenkanal, an dem mehrere DV-Geräte ST1-STN) angeschlossen sind, wobei der Datenkanal einen aktiven und einen inaktiven Zustand annehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenkanal in Form einer seriellen Arbitrierungsleitung mit Stillsetzung auf einem spezifischen Arbitrierungskanal (ARB) implementiert ist, welche die verschiedenen DV-Geräte miteinander verbindet, und alternativ einen dominanten oder einen rezessiven Zustand definiert, sowie dadurch, daß jedes DV-Gerät, das den Zugriff zum Datenkanal anfordert,

- auf dem Arbitrierungskanal auf eine vom Zustand des Datenkanals bedingte Weise einen Arbitrierungsrahmen (ARB%) sendet, welcher Bits enthält, die eine Zugriffspriorität beinhalten,

- nach einer vorgegebenen Dauer nach dem Senden jedes einzelnen Bits den Bitwert des auf dem Arbitrierungskanal befindlichen Bits liest,

- das Senden des Arbitrierungsrahmens abbricht, sobald der gelesene Bitwert von dem entsprechenden gesendeten Bitwert abweicht, sodaß am Ende des Arbitrierungsrahmens nur ein DV-Gerät das Senden noch nicht beendet hat und somit den Zugriff zum Datenkanal erhält.

2. Arbitrierungsverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Arbitrierungsrahmen (ARB%) ein Prioritätsfeld (PRIO), das eine Priorität definiert, sowie ein Nurnerierungsfeld (NUM), das die Identifizierung jedes angeschlossenen DV-Gerätes gewährleistet, besitzt, wobei diese beiden Felder aus einem oder mehreren Bits bestehen,

- ein in Zugriffskollision geratenes DV-Gerät das Senden seines Arbitrierungsrahmens sofort unterbricht, sobald es feststellt, daß der im Prioritätsfeld und bei gleicher Prioritätsstufe der im Numerierungsfeld gelesene Bitwert von dem entsprehenden, von ihm gesendeten Bitwert abweicht.

3. Arbitrierungsverfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes DV-Gerät zum Senden eines Arbitrierungsrahmens

- den aktiven bzw. inaktiven Zustand des Datenkanals erkennt,

- bei aktivem Zustand des Datenkanals den Beginn des Arbitrierungsrahmens in Bezug auf die Aktivierung des Datenkanals synchronisiert.

4. Arbitrierungsverfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Senden eines Arbitrierungsrahmens unterbrochen wird, wenn bei diesem Senden eine Aktivierung des Datenkanals erfolgt.

5. Arbitrierungsverfahren nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbitrierungsrahmen der beim Anfordern des Zugriffs zum Datenkanal in Kollision geratenen DV-Geräte untereinander mit mindestens einem Startbit (START) des ersten gesendeten Arbitrierungsrahmens synchronisiert werden.

6. Arbitrierungsverfahren nach Patentanspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein DV-Gerät, das den Zugriff zum Datenkanal besitzt,

- den Zugriff behält, ohne erneut Arbitrierungsrahmen zu senden, wenn es keinen von einem anderen DV-Gerät gesendeten Arbitrierungsrahmen erkennt,

- beim Erkennen eines von einem anderen DV-Gerät gesendeten Arbitrierungsrahmens einen interferierenden Arbitrierungs-rahmen sendet.

7. Arbitrierungsverfahren nach Patentanspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei aufeinanderfolgenden Arbitrierungsrahmen (ARB%) in jedem DV-Gerät der logische Zustand eines Signals für den Wechsel der Prioritätsstufe umgeschaltet wird und jedem DV-Gerät vor dem Senden eines Arbitrierungsrahmens das Prioritätsfeld (PRIO) des Rahmens entsprechend dem Status des Signals sowie des dem gewünschten Datenaustausch zugewiesenen Prioritätswertes (VPRIO) erstellt.

8. Arbitrierungsverfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dar zur Identifizierung der logischen Zustände der Signale für den Wechsel der Prioritätsstufe aller angeschlossenen DV-Geräte jedes einen Arbitrierungs-rahmen (ARB%) sendende DV-Gerät den Status eines Feldes (EVT) dieses Rahmens je nach dem Zustand seines eigenen Signals erkennt und daß jedes DV-Gerät den Status des Feldes in dem Rahmen liest, der von dem DV-Gerät gesendet wurde, das den Zugriff zum Datenkanal besitzt und den Status seines eigenen Signals entsprechend dem gelesenen Status bestimmt.

9. Arbitrierungsverfahren nach Patentanspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zyklische und ereignisbezogene Daten ausgetauscht werden können und daß durch den Wechsel des logischen Status des Signals für die Prioritätsänderung die Prioritätsstufen für den Austausch von zyklischen bzw. ereignisbezogenen Daten T10, T11; T20, T21) umgekehrt werden.

10. Arbitrierungsverfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin auch der Austausch von prioritären Daten vorgesehen ist, der durchgehend eine höhere Prioritätsstufe (T00-T03) als der Austausch von zyklischen und ereignisbezogenen Daten besitzt.

11. Arbitrierungsverfahren nach Patentanspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Arbitrierungsrahmen (ARB%) ein Repetitionsfeld (REP) besitzt, das den Bits zugeordnet ist, die die Zugriffspriorität bestimmen, und daß bei Zugriffskollision zwischen mehreren DV-Geräten mit derselben Prioritätsstufe bei den DV-Geräten, die den Zugriff nicht erhalten, das Repetitionsfeld dahingehend geändert wird, daß-eine Erhöhung der Prioritätsstufe erfolgt, bis sie den Zugriff zum Datenkanal erhalten.

12. Datenbus mit mehreren über einen Datenaustauschkanal (DATA) für numerische Daten mit einander verbundenen DV-Geräten (ST1-STN), der einen aktiven oder inaktiven Zustand einnehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß er zum Ermöglichen des Zugriffs der DV-Geräte zum Datenkanal diffuse Arbitrierungsmittel auf einem Arbitrierungskanal (ARB) besitzt, der aus einer seriellen Arbitrierungsleitung mit Stillsetzung besteht, die einen dominanten und einen rezessiven Zustand bestimmt, wobei die diffuse Arbitrierung parallel zum Datenfluß erfolgt, ohne eines spezifischen Busverwaltungsprogramms zu bedürfen, jedoch mit einer Kollisionssteuerung bei jedem der DV-Geräte, wobei jedes DV-Gerät

- in Abhängigkeit vom Zustand des Datenkanals definierte Mittel besitzt, um auf dem Arbitrierungskanal einen Arbitrierungsrahmen (ARB%) zu senden, welcher Bits (PRIO, REP, NUM) besitzt durch die eine Priorität für den Zugriff des DV-Geräts zum Datenkanal festgelegt wird,

- Mittel zum Lesen des auf dem Arbitrierungskanal vorhandenen Bitwertes mit einer vorgegebenen Verzögerung nach dem senden der einzelnen Bits sowie zum Unterbrechen des Sendens des Arbitrierungsrahmens sobald der gelesene Bitwert vom gesendeten Bitwert abweicht, sodaß am Ende der Arbitrierung nur noch ein DV-Gerät Arbitrierungsrahmen sendet und somit den Zugriff zum Datenkanal erhält.

13. Bus nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Arbitrierungsrahmen (ARB%) ein Prioritätsfeld (PRIO), das eine Prioritätsstufe definiert, sowie ein Numerierungs-feld (NUM), das die Identifizierung jedes angeschlossenen DV-Gerätes gewährleistet, besitzt, wobei diese beiden Felder aus einem oder mehreren Bits bestehen, und

- durch die Mittel zum Unterbrechen des Sendens ein DV-Gerät sofort das Senden seines Arbitrierungsrahmens unterbricht, sobald es erkennt, daß der in dem Prioritätsfeld und bei Geräten mit derselben Prioritätsstufe der im Numerierungs-feld gelesene Bitwert von dem entsprechenden gesendeten Bitwert abweicht.

14. Bus nach Patentanspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Datenkanal eine physische Datenübertragungsspur und eine physische Begrenzungsspur besitzt, wobei letztere je nachdem, ob eine Datenfolge auf der Datenspur übertragen wird, entweder aktiv oder inaktiv ist,

- jedes DV-Gerät Mittel zur Synchronisierung besitzt die 56 ausgelegt sind, daß sie den aktiven Zustand der Begrenzungsspur erkennen und den Beginn der Übertragung des Arbitrierungsrahmens durch dieses DV-Gerät mit dem Aktivwerden der Begrenzungsspur synchronisieren können.

15. Bus nach Patentanspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß jedes DV-Gerät eine binäre Kippschaltung (BEVT), Mittel zur Umkehr des logischen Zustandes des Kippschaltung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Arbitrierungsrahmen sowie Mittel zum Erstellen von Prioritätsfeldem (PRIO) für jeden Arbitrierungsrahmen in Abhängigkeit von dem Zustand (EVT) der Kippschaltung und eines dem gewünschten Datenaustausch zugeordneten Prioritätswertes (VPRLC) besitzt.

16. Bus nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Identifizierung der logischen Zustände der binären Kippschaltungen (BEVT) aller DV-Geräte jedes DV-Gerät Mittel zum Bestimmen des Zustandes eines Feldes (EVT) des Arbitrierungsrahmens in Abhängigkeit vorn Zustand seiner eigenen Kippschaltung besitzt, um den Zustand des Feldes des von dem den Zugriff zum Datenkanal besitzenden DV-Gerät gesendeten Arbitrierungsrahmens zu lesen und den Zustand seiner eigenen Kippschaltung in Abhängigkeit von dem so gelesenen Zustand zu bestimmen.

17. Bus nach Patentanspruch 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Arbitrierungsrahmen (ARB%) ein Repetitionsfeld (REP) besitzt, das dem Prioritätsfeid zugeordnet ist, und daß jedes DV- Gerät Mittel zum Ändern des Zustandes des Repetitionsfeldes im Falle einer Zugriffs-Kollision von DV- Geräten mit derselben Prioritätsstufe besitzt.