Grundlagenteil - Zusammenfassung Datenbussysteme PDF

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Zusammenfassung über die behandelten Grundlagen zu Datenbussystemen in der Vorlesung....

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Datenbussyteme

15. M¨ arz 2019

Inhaltsverzeichnis 1 ISO/OSI Kommunikationsmodell 1.1 Anforderungen an die Kommunikation in offenen Systemen . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Ziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3 Standardisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Kurzbeschreibung der einzelnen Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 4 4 4 4 4

2 Physikalische Schicht 6 2.1 Netzwerktopologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.1 Stern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.2 Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.3 Ring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.4 Baum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.5 Kopplung zwischen Bussystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 Signalkodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1 Zentrale Anforderungen Signalkodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.2 Gleichstrombehaftete Kodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.3 Gleichstromfreie Kodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.4 Alternierendes Flankenpulsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.5 Alle Leitungskodierungen zusammengefasst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3 Adressierung bei Bussystemen 3.1 Teilnehmeradressierung . . . . . . . . . 3.2 Inhaltsadressierung . . . . . . . . . . . . 3.3 Logische Kommunikationsbeziehnungen 3.4 Inhaltsadressierung am Beispiel CAN . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10 10 10 11 11

4 Zugriffsverfahren f¨ ur Bussysteme 4.1 Master/Slave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Nachteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Vorteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Carrier Sense, Multiple Access (CSMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Varianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Collision Detection (CD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Collision Avoidance (CA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5 Collision Resolution (CR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Zeitgesteuerter Buszugriff (Time Division Multiple Access, TDMA) . . . . . . . . . . . 4.3.1 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11 11 12 12 12 12 12 12 13 13 13 13

1

INHALTSVERZEICHNIS

4.4

4.5 4.6

4.3.2 Herausforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Token Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Delegated Token . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Token Passing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verteiltes Schieberegister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergleich Ereignis- und Zeitsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.1 Vergleich der Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.2 Vergleich der Vor- und Nachteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 Anforderungen an 5.1 Gleichzeitigkeit 5.2 Rechtzeitigkeit 5.3 St¨orsicherheit . 5.4 Vollst¨andigkeit

Bussysteme f¨ ur Echtzeitanwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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14 14 14 15 15 16 16 16 16 17 17 17 18

6 Fehlererkennung und -behebung bei der Daten¨ubertragung 6.1 Begegnung von ¨Ubertragungsfehlern von zwei Seiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Kanalbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Bitfehlerrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Gutwahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3 Restfehlerrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Fehlerh¨auf igkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Dauer bis zum Auftreten eines Bitfehlers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Blockcodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.1 Grundprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.2 Ziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 Restfehlerrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 Mittlere Zeit zwischen zwei unerkannten Fehlern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8 Hamming-Distanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.1 Fehler erkennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.2 Fehler korrigieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9 Parit¨atsbit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9.1 Hamming-Distanz eines Parit¨atsbits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10 Zweidimensionale Blocksicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11 Codeeffizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11.1 Effizienz am Beispiel der UART Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12 Fehlererkennung und Korrektur mit Pr¨ufsummen - Zyklische Codes (CRC) . . . . . . 6.12.1 Eigenschaften CRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12.2 ¨Ubertragungsfehler CRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13 Fehlerbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.1 Passive Fehlerkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.2 Aktive Fehlersignalisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18 18 18 18 19 19 19 19 20 20 20 20 20 21 21 21 21 22 22 23 23 24 24 25 25 25 25

7 Strategie zur Auswahl eines geeigneten Bussystems 7.1 Unterschiedliche Anforderungen von Sensorik/Aktorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Auswahlkriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2 Physikalische Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3 Protokolleigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.4 Zeitverhalten und Reaktion auf Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.5 Strategische Kriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26 26 26 26 27 27 28 29

2

INHALTSVERZEICHNIS

8 Softwarestrukturen f¨ ur verteilte und vernetzte Systeme 8.1 Schichten bei Feldbussen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.1 ISO/OSI Modell am Beispiel CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2 ISO/OSI Layer 7 f¨ur Feldbussysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.3 Umsetzung weiterer Ebenen des ISO/OSI Modells . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 AUTOSAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1 Software Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.2 Virtual Functional Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.3 Unterst¨utzte Kommunikationsformen bei AUTOSAR . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.4 Vorteile durch Einsatz von Standardsoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

29 29 30 31 31 32 32 33 33 33

1

1

ISO/OSI KOMMUNIKATIONSMODELL

ISO/OSI Kommunikationsmodell

1.1 1.1.1

Anforderungen an die Kommunikation in offenen Systemen Ziel

Ger¨ate mehrerer Hersteller und unterschiedlicher Leistungsf¨ahigkeit sollen kombinierbar sein. 1.1.2

Anforderungen

Interconnectivity • Verbindbarkeit • Konformit¨atstest Interoperability • Zusammenarbeit auf Anwendungsebene • Test in Referenzanlage Interchangeability • Austauschbarkeit von Ger¨aten • gleicher Funktionsumfang 1.1.3

Standardisierung

⇒ Kommunikation im ISO/OSI-Referenzmodell (International Standardization Organization/Open System Interconnection)

1.2

Kurzbeschreibung der einzelnen Schichten

Abbildung 1: ISO/OSI Kommunikationsmodell

4

1

ISO/OSI KOMMUNIKATIONSMODELL

Schicht

Bezeichnung

Beschreibung

7

Anwendungsschicht

Darstellung der anwendungsspezifischen Protokolle → Schreiben, Lesen, und Status der Daten ohne Details der Kommunikation

6

Darstellungsschicht

Eindeutige Interpretation der Daten → Konvertierung von Daten in universelle Formate, Kompression und Verschl¨usselung

5

Sitzungsschicht

Regelt Dienste wie → Auf und Abbau einer Verbindung ¨ der Verbindung → Uberwachung → Verwaltung von Wiederaufsetzungspunkten → Dialogkontrolle und Datenflusssteuerung (Synchronisation)

4

Transportschicht

Aufgaben der Schicht sind: → Einen oder mehrere Kan¨aleeinrichten zur Abwicklung der Daten¨ubertragung → lange Pakete aufteilen → Sortierungdurcheinander geratener Pakete → Reaktion auf Wiederholungsanforderungen

3

Vermittlungsschicht

→ Routing Zus¨atzlich speichert die Schicht Daten bis zum vollst¨andigen Empfang zwischen. M¨ogl. Anforderungen bei der Pfadfindung: → Zeitbedarf → Entfernung → Preis → Vermeidung von ¨Uberlasten auf einzelnen Netzsegmenten

2

Sicherungsschicht

Aufbau und die Aufrechterhaltung einer Verbindung zwischen zwei oder mehr Stationen verantwortlich: → Regelung des Buszugriffs(Arbitration) → Kennzeichnung von Dateneinheiten(Telegrammen) → Markierung von Beginn und Ende eines Telegramms ¨ → Behandlung von Ubertragungsfehlern. ⇒ Stellt Schicht 3 einen logischen Kanal zur Verf¨ugung, der ¨ ohne Ubertragungsfehler funktioniert.

1

Physikalische Schicht

Festlegung aller Informationen bez¨uglich der physikalischen ¨ Ubertragung: → Eigenschaften der physikalischen Verbindung, z. B. Leitungsart, Stecker, Pinbelegung, ... → Form elektrischer Impulse bei Sender und Empf¨anger: z. B. Spannungspegel, Zeitdauer f¨ur einzelne Bits (Bitzeit), ... → Kodierung

Tabelle 1: Kurzbeschreibung des ISO/OSI Kommunikationsmodell

5

2

2

Physikalische Schicht

2.1 2.1.1

Netzwerktopologien Stern

Abbildung 2: Stern-Topologie + jeder Knoten eigene Anbindung + optisch gut realisierbar - ggf. große Gesamtl¨ange - aufw¨ andiger Sternkoppler - Kommunikation nur u ¨ber Sternkoppler 2.1.2

Bus

Abbildung 3: Bus-Topologie + einfache Verkabelung - elektr. Kompromiss bei Busabschluss - begrenzte Anzahl von Busknoten und Busl¨ange 2.1.3

Ring

Abbildung 4: Ring-Topologie + ausgedehnte Netzwerke m¨ oglich - Ausfall eines Teilnehmer bedeutet Gesamtausfall des Netzwerkes 2.1.4

Baum

+ minimaler Verkabelungsaufwand - ggf. aktive/passive Koppler notwendig - unterschiedliche Laufzeiten 6

PHYSIKALISCHE SCHICHT

2

PHYSIKALISCHE SCHICHT

Abbildung 5: Baum-Topologie 2.1.5

Kopplung zwischen Bussystemen

Gateway ISO/OSI Layer 3+ • verbindet Netzwerke unterschiedlicher Protokolle miteinander. Beispiel: Kombi-Instrument im Fahrzeug verbindet CAN-Antriebs- und CAN-Komfort-Bus. Bridge ISO/OSI Layer 2 • Verbindet zwei Netzwerke auf dem ISO-Layer 2 (Data Link Layer). • Im Gegensatz zu einem Repeaterspeichern Bridges Nachrichten und leiten diese weiter, ggf. werden u ¨ber eine Filterfunktion nur Nachrichten f¨ur das angeschlossene Netzsegment weitergegeben. Repeater ISO/OSI Layer 1 • Verkoppelt zwei Netzwerksegmente eines gleichen Bussystems auf physikalischer Ebene • Signale werden regeneriert und in das jeweilsandere Bussegment weitergegeben • Signaltechnisch entspricht er einer der Verz¨ogerungszeit entsprechend langen Leitung.

Abbildung 6: Kopplung zwischen Bussystemen

2.2 2.2.1

Signalkodierung Zentrale Anforderungen Signalkodierung

• Definition unterschiedlicher Zust¨ande (mindestens 2) • Erm¨ oglichung der zeitlichen Synchronisation der kommunizierenden Ger¨ate

7

2

PHYSIKALISCHE SCHICHT

– durch zus¨ atzliche Taktleitung – durch R¨ uckgewinnung aus Nutzsignal • Erzielung hoher Datenraten mit m¨oglichst geringem Aufwand • Optional: Gleichstromfreiheit 2.2.2

Gleichstrombehaftete Kodierung

Abbildung 7: Gleichstrombehaftete Kodierung

NRZI Non-Return-to-Zero-Invert zwei Varianten: Bitwechsel (Invert) bei Pegel 0“ bzw. Pegel 1“ ” ” • NRZI-M: 1“ entsprichte Bitwechsel ” • NRZI-S: 0“ entsprichte Bitwechsel ”

8

2

2.2.3

PHYSIKALISCHE SCHICHT

Gleichstromfreie Kodierung

Abbildung 8: Gleichstromfreie Kodierung

2.2.4

Alternierendes Flankenpulsverfahren

Abbildung 9: Alternierendes Flankenpulsverfahren • Flanke von 0“ auf 1“: positiver Puls ” ” • Flanke von 1“ auf 0“: negativer Puls ” ” ¨ nderung • Folge von Einsen oder Nullen: keine A • Kurvenform weist sehr geringe St¨orabstrahlung auf (praktisch keine Oberwellen) 2.2.5

Alle Leitungskodierungen zusammengefasst

• NRZ (non returntozero) • RZ (returntozero) • NRZ-I (non returntozeroinvert) – NRZI-S – NRZI-M • AMI (alternatemarkinversion) • HDB2 (highdensitybipolar 2) • AFP (Alternierendes-Flanken-Puls-Verfahren) • Manchester II 9

3

2.3

ADRESSIERUNG BEI BUSSYSTEMEN

Physikalische Grundlagen

Bedingung f¨ur max. zul¨ assige Signallaufzeit TD bzw. min. Bitzeit TBit,min (Inverse der Datenrate v): ⇒ Innerhalb einer Bitzeit muss das Signal zwischen den am weitesten entfernten Knoten hin- und zur¨ ucklaufen k¨ onnen. Maximale Leitungsl¨ ange Lmax = c ·



TBit,min 2

− τT ransceiver − τController



(2.1)



(2.2)

Maximale Bitzeit TBit,min = 2 ·



Lmax + τT ransceiver + τController c

Mit c = √1µ·ε der Signalgeschwindigkeit einer verlustlosen Leitung.

3 3.1

Adressierung bei Bussystemen Teilnehmeradressierung

Nachricht 1 von Knoten A an Knoten C (z. B. LIN) Nachteil

keine Brodcastmessages

Abbildung 10: Teilnehmeradressierung - Beispiel Client-Server

3.2

Inhaltsadressierung

Einstellen einer Nachricht mit Kennung 1 durch Knoten A, optionale Auswertung durch Knoten B bis N (z. B. CAN) Nachteil

Jeder Knoten muss jede Nachricht auswerten

Abbildung 11: Inhaltsadressierung - Beispiel Producer-Consumer

10

4

ZUGRIFFSVERFAHREN F ¨UR BUSSYSTEME

Abbildung 12: Logische Kommunikationsbeziehnungen - Beispiel Client-Server

Abbildung 13: Logische Kommunikationsbeziehnungen - Beispiel Producer-Consumer

3.3

Logische Kommunikationsbeziehnungen

3.4

Inhaltsadressierung am Beispiel CAN

• Jeder Busteilnehmer empf¨angt alle Datentelegramme. • Die Adresse der Datentelegramme beschreibt deren Inhalt und nicht das Ziel. • Nach dem Empfang eines Telegramms wertet jeder Busknoten ¨uber ein Akzeptanzfilter aus, ob die enthaltene Information weiterverarbeitet wird oder nicht. • Analoges Beispiel: Verkehrsnachrichten im Radio, jeder Empf¨anger (Radio) decodiert alle Nachrichten. Der H¨orer entscheidet f¨ur sich, ob die Informationen f¨ ur ihn gerade relevant sind oder nicht.

4

Zugriffsverfahren f¨ ur Bussysteme

Abbildung 14: Einteilung von Buszugriffsverfahren

4.1

Master/Slave

Busmaster verantwortlich f¨ur Steuerung des Buszugriffs durch zyklischen Aufruf (Polling) der anderen Teilnehmer (Slaves) durch den Master 11

4

4.1.1

ZUGRIFFSVERFAHREN F ¨UR BUSSYSTEME

Nachteile

• Kein direkter Datenaustausch zwischen Slaves(nur ¨uber Master) • Maximale Latenzzeit bestimmt durch Zyklusl¨ange • Kommunikationsbedarfder Slaves nicht ber¨ucksichtigt • Totalausfall bei Defekt im Master 4.1.2

Vorteile

• Aufwand konzentriert im Master, einfache Slaves • einfache Skalierbarkeit, da das gesamte Netzwerkprotokoll im Master implementiert ist. • Determinismus im Netzwerk m¨oglich

4.2

Carrier Sense, Multiple Access (CSMA)

Carrier Sense Multiple Access (CSMA, deutsch: Mehrfachzugriff mit Tr¨agerpr¨ ufung) 4.2.1

Eigenschaften

• stochastischer Buszugriff • jeder Teilnehmer ist bez¨ uglich Buszugriff gleichberechtigt • Multi-Master System • man unterscheidet zwischen teilnehmerorientierten Protokollen und Protokollen auf der Basis priorisierter Nachrichten 4.2.2

Varianten

• CSMA CD - Collision Detection • CSMA CA - Collision Avoidance • CSMA CR - Collision Resolution 4.2.3

Collision Detection (CD)

Abbildung 15: CSMA CD - Collision Detection

1. Bus als frei erkannt. Knoten beginnen sofort zu senden. 2. Knoten erkennen Kollision ¨ 3. Abbruch der Ubertragung 4. Jeder Knoten versucht nach statistischer Wartezeit erneute Daten¨ ubertragung

12

4

4.2.4

ZUGRIFFSVERFAHREN F ¨UR BUSSYSTEME

Collision Avoidance (CA)

Abbildung 16: CSMA CA - Collision Avoidance

1. Bus als frei erkannt. Sendeversuch erst nach statistischer Wartezeit. 2. Knoten erkennt Bus nicht mehr frei und verzichtet auf senden. 3. Neuer Sendeversuch 4. Bei Kollisionen wie Collision Detection 4.2.5

Collision Resolution (CR)

Abbildung 17: CSMA CR - Collision Resolution

1. Knoten erkennen Kollision w¨ ahrend Arbitrierungsphase ¨ 2. nieder priorer Knoten 1 bricht Ubertragung ab 3. nach statistischer Wartezeit erneute...