PROCEDIMIENTO, NODO Y RED PARA EL ENVÍO CÍCLICO DE TELEGRAMAS DE ETHERNET.

Procedimiento para el envío de datos en forma de telegramas de Ethernet a través de un nodo en un recorrido de transmisión (2) de Ethernet,

con las siguientes etapas del procedimiento - conversión de los datos que se han de enviar por medio de una unidad de control (1; 11, 12) del nodo según una norma de transmisión del protocolo de Ethernet, para proporcionar telegramas de Ethernet, y - envío cíclico de los telegramas de Ethernet proporcionados por medio de una unidad de envío (3; 31, 33) del nodo con la norma de transmisión de Ethernet prefijada, siendo los datos que se han de enviar datos en tiempo real, y sincronizándose una aplicación en tiempo real que genera los datos en tiempo real que se han de enviar con el proceso de envío de los telegramas de Ethernet, caracterizado porque el proceso de envío realizado por la unidad de envío (3; 31, 33) del nodo de los telegramas de Ethernet proporcionados por la unidad de control (1; 11, 12) del nodo se controla de manera que a continuación de un telegrama de Ethernet enviado se envía directamente el siguiente telegrama de Ethernet manteniendo el tiempo de pausa definido en la norma de transmisión de Ethernet, para de este modo entregar durante todo el tiempo de ciclo telegramas de Ethernet de modo continuado al enlace de vía de Ethernet, y se fija la base de tiempos, sobre la que se sincroniza la aplicación en tiempo real por medio de la unidad de control (1; 11, 12) por parte de la unidad de envío (3; 31, 33)

La invención se refiere a un procedimiento, un interfaz y una red para el envío cíclico de telegramas de Ethernet.

La Ethernet es la tecnología más extendida con la que se pueden transmitir en la actualidad datos en redes de comunicación locales, las denominadas Local Area Networks (LAN), con una velocidad de hasta 100 millones de bits/s 5 (Mbps). Las LAN son redes locales de comunicaciones que están limitadas a una región geográfica, y que están compuestas por uno o varios servidores y estaciones de trabajo, los denominados nodos, que están unidos por medio de un recorrido de transmisión, por ejemplo un cable coaxial, de fibra óptica o cable de par trenzado. En el caso de las LAN son posible las más diferentes topologías de red, siendo las más conocidas las estructuras de bus, de anillo, de estrella o de árbol. 10

Las LAN se operan con un sistema operativo de red y un protocolo de red unitario. Ethernet representa un posible protocolo de red, y soporta en su caso los más diferentes protocolos de comunicación, por ejemplo el protocolo TCP/IP o el protocolo IPX. En el modelo de capas de OSI, el modelo de referencia internacional para la transmisión de datos en redes, que está construido a partir de una pila de capas formada por siete capas, en el que para cada capa está definido una serie de protocolos que ponen a disposición de la siguiente capa superior sus servicios, la Ethernet es la segunda 15 capa, la denominada capa de conexión. En esta capa de conexión se juntan los datos que se han de enviar en un telegrama, a los que se añaden informaciones específicas para el protocolo de comunicación correspondiente. La capa de conexión es la responsable en la red para el transporte de los telegramas de datos de nodo a nodo, y del reconocimiento de errores.

En el concepto de Ethernet, la capa de conexión está dividida en dos planos, en el que el primer plano añade a los datos 20 una sección de cabecera, un denominado reconocimiento de inicio, que contiene informaciones que se requieren para una transmisión de datos correcta por el protocolo de recepción. En el segundo plano del protocolo de Ethernet se encapsula entonces el telegrama de datos con la ayuda de un preámbulo adicional y una sección final, una denominada suma de comprobación, para el transporte de nodo a nodo. Con este tipo de telegramas de Ethernet se pueden transmitir datos con una longitud de hasta 1500 Bytes, habiéndose de mantener entre los telegramas individuales de Ethernet un tiempo de 25 pausa fijo.

Del envío y la recepción de los telegramas de Ethernet en el recorrido de transmisión de Ethernet es responsable un controlador de Ethernet, también designado como Media Access Controller (MAC), que está conectado entre los nodos y el recorrido de transmisión de Ethernet, y está unido por medio de un sistema de bus con el nodo. Este controlador de Ethernet se controla por regla general por medio de un driver de software, que está integrado en el sistema operativo 30 correspondiente del nodo. El controlador de Ethernet comprende por lo general un registro de desplazamiento de envío y un registro de desplazamiento de recepción, para desacoplar el recorrido de transmisión de Ethernet de la memoria física del nodo. Los controladores de Ethernet modernos poseen además, por regla general, una posibilidad de acceso directo a la memoria física del nodo, una denominada Direct Memory Access (DMA), gracias a lo cual el driver del software en el sistema operativo del nodo, ahorrando espacio, puede poner los telegramas de Ethernet que se han de enviar y recibir 35 directamente en la memoria del nodo, o bien los puede tomar de esta memoria.

Los protocolos de Ethernet se emplean fundamentalmente en las redes de comunicación de oficina. Como consecuencia de las ventajas del concepto de Ethernet en el uso de componentes de hardware y de software estándar, así como de la posibilidad de alcanzar con una tecnología de conexión sencilla elevadas tasas de transmisión de datos, las redes de comunicación Ethernet se emplearán cada vez más también en la producción industrial para el intercambio de datos entre 40 estaciones de trabajo. Al emplear el protocolo de Ethernet en la técnica de automatización, sin embargo, se ha de garantizar con la ayuda de técnicas de hardware y/o de software costosas adicionales la capacidad de tiempo real de la transmisión de datos por Ethernet. En el control de la máquina se requiere, por regla general, que se realice un procesado cíclico de una tarea de control fundamentalmente sin fluctuaciones de tiempo, es decir, el denominado “jitter", reaccionándose con un tiempo de respuesta predecible a la petición de regulación. 45

En caso de que, por ejemplo, en el marco de una aplicación en tiempo real que se ejecuta en un ordenador de control conformado como nodo en una red Ethernet, se hayan de enviar de modo cíclico telegramas de Ethernet, para excitar sensores y actores unidos a través de un recorrido de transmisión Ethernet, el ordenador de control entrega a través del driver de software integrado en el sistema operativo en cada ciclo de control telegramas de Ethernet correspondientes a su controlador de Ethernet para su envío. En este caso, el driver del software añade antes de la entrega al controlador de 50 Ethernet a los datos en tiempo real que se han de enviar automáticamente los tiempos de pausa, reconocimientos de inicio, preámbulos y sumas de comprobación definidos en la norma de transmisión (IEEE 802.3). El controlador Ethernet carga entonces, preferentemente con la ayuda de la transmisión de Direct Memory Access, los telegramas de Ethernet correspondientes en su registro de desplazamiento de envío, y comienza a partir de un determinado nivel de llenado del registro de desplazamiento de envío con el envío de los telegramas de Ethernet en el recorrido de transmisión de 55 Ethernet.

En esta secuencia de envío del ordenador de control con el controlador de Ethernet conectado están contenidos varios procesos que adolecen de jitter, cuyos jitters, en el peor de los casos, se suman, y entonces sobrepasan un valor permitido máximo para la aplicación en tiempo real, que por regla general está en el intervalo de algunos pocos microsegundos. En este caso, al jitter contribuyen los tiempos de latencia de interrupción oscilantes en el nodo al generar los datos que se han de enviar, y las oscilaciones de tiempo de ejecución del código de programa que se ejecuta hasta el 5 envío del telegrama de Ethernet. En el caso de ordenadores de control modernos, que disponen de una memoria de caché, adicionalmente también oscila el tiempo de ejecución del código de programa, ya que dependiendo del contenido del caché se ha de esperar un tiempo diferente al contenido requerido de la memoria en el nodo.

El controlador de Ethernet está unido por lo general a través de un sistema de bus con el nodo, usándose habitualmente un bus PCI. Puesto que un bus de este tipo, por reglar general, también se usa por otras partes del sistema, en la 10 asignación del bus se puede llegar a tiempos de espera de diferente longitud. Esto es válido tanto cuando el controlador de Ethernet accede por transmisión de Direct Memory Access a la memoria física del ordenador de control, como para el caso en el que los datos de tiempo real se transmiten bajo el control del driver del software a través del sistema de bus. Se producen siempre jitters similares en la asignación del bus. El controlador Ethernet comienza además siempre en primer lugar a partir de un estado de llenado determinado del registro de desplazamiento de envío con el envío de los telegramas 15 de Ethernet en el recorrido de transmisión de Ethernet. En este caso se puede retrasar entonces diferente tiempo el envío de los telegramas de Ethernet dependiendo del estado de llenado del registro de desplazamiento de envío, lo que lleva a un jitter adicional.

En caso de que el jitter total que se produce en el proceso de envío sea mayor que el jitter permitido máximo para las aplicaciones en tiempo real correspondientes, se ha de crear con la ayuda de un procedimiento costoso, como por 20 ejemplo el IEEE 1588 (IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems) una base temporal precisa correspondiente en todos los participantes en la comunicación en el recorrido de transmisión Ethernet, con cuya ayuda se puede compensar entonces el jitter.

MANDEVILLE B; SHAH A V: “Benchmarking Methodology for Ethernet Switches <draft-ietf-bmwg-ethernet-switches-00.txt> “ INTERNET DRAFT, Diciembre 1995 (1995-12), páginas 1-14, XP002322529...

REIINDICACIONES

1. Procedimiento para el envío de datos en forma de telegramas de Ethernet a través de un nodo en un recorrido de transmisión (2) de Ethernet, con las siguientes etapas del procedimiento

- conversión de los datos que se han de enviar por medio de una unidad de control (1; 11, 12) del nodo según una norma de transmisión del protocolo de Ethernet, para proporcionar telegramas de Ethernet, y 5

- envío cíclico de los telegramas de Ethernet proporcionados por medio de una unidad de envío (3; 31, 33) del nodo con la norma de transmisión de Ethernet prefijada, siendo los datos que se han de enviar datos en tiempo real, y sincronizándose una aplicación en tiempo real que genera los datos en tiempo real que se han de enviar con el proceso de envío de los telegramas de Ethernet,

caracterizado porque el proceso de envío realizado por la unidad de envío (3; 31, 33) del nodo de los telegramas de 10 Ethernet proporcionados por la unidad de control (1; 11, 12) del nodo se controla de manera que a continuación de un telegrama de Ethernet enviado se envía directamente el siguiente telegrama de Ethernet manteniendo el tiempo de pausa definido en la norma de transmisión de Ethernet, para de este modo entregar durante todo el tiempo de ciclo telegramas de Ethernet de modo continuado al enlace de vía de Ethernet, y se fija la base de tiempos, sobre la que se sincroniza la aplicación en tiempo real por medio de la unidad de control (1; 11, 12) por parte de la unidad de envío (3; 31, 33). 15

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el envío continuado de los telegramas de Ethernet proporcionados, con una longitud prefijada de los telegramas de Ethernet, se adapta a la longitud del tiempo de ciclo en el marco de la duración máxima permitida del ciclo, para entregar durante todo el tiempo de ciclo de modo continuado telegramas de Ethernet al enlace de vía de Ethernet.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque para el envío continuado de los telegramas de Ethernet 20 proporcionados con un tiempo de ciclo prefijado se adapta el número y/o la longitud de los telegramas de Ethernet que se han de enviar en un ciclo, para entregar durante todo el tiempo de ciclo prefijado telegramas de Ethernet de modo continuado al enlace de vía de Ethernet.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque para el cálculo del número y/o de la longitud de los telegramas de Ethernet que se han de enviar en un ciclo se tienen en cuenta la tasa de baudios usada en el enlace de vía 25 de Ethernet, la longitud del reconocimiento de inicio, preámbulo y suma de comprobación introducidos en el telegrama de Ethernet al convertir los datos según la norma de transmisión del protocolo de Ethernet, y la longitud del tiempo de pausa que se ha de guardar entre los telegramas de Ethernet que se han de enviar.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la longitud de bits L máxima del telegrama de Ethernet que se ha de enviar en un ciclo, con una tasa de baudios usada en el enlace de vía de Ethernet de ba Mbaudios, un 30 tiempo de ciclo de zy s, una longitud del reconocimiento de inicio de st bits, una longitud del preámbulo de pr bits, una longitud de la suma de comprobación de ch bits y un tiempo de pausa de pa bits, se calcula de la siguiente manera:

L = (ba * zy) – (st + pr + ch + pa).

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque cuando la longitud de bits L máxima es mayor que la longitud de bits máxima posible de los telegramas de Ethernet, el número y la longitud de los telegramas de Ethernet 35 enviados se selecciona de manera que en un ciclo se envían varios telegramas de Ethernet, cuya longitud de bits conjunta se corresponde con el tiempo de ciclo.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque para el envío continuado de los telegramas de Ethernet proporcionados se almacenan de modo intermedio los telegramas proporcionados en una memoria intermedia, y se inicia el proceso de envío tan pronto como se haya alcanzado un nivel de llenado prefijado en la 40 memoria intermedia.

8. Nodo para red Ethernet, con

una unidad de control (1; 11, 12) para la conversión de los datos que se han de enviar según una norma de transmisión del protocolo de Ethernet, para proporcionar telegramas de Ethernet, y

una unidad de envío (3; 31, 33) para el envío cíclico de los telegramas de Ethernet proporcionados con una norma de 45 transmisión de Ethernet prefijada en un enlace de vía de Ethernet (2),

en el que los datos que se han de enviar son datos en tiempo real de una aplicación en tiempo real ejecutada en el nodo, y en el que la unida de control (1; 11, 12) está diseñada para la sincronización de la aplicación en tiempo real que genera los datos en tiempo real que se han de enviar con el proceso de envío de los telegramas de Ethernet, caracterizado porque la unidad de control (1; 11, 12) controla el proceso de envío de los telegramas de Ethernet proporcionados por la unidad de 50

envío (3; 31, 33) de manera que a continuación de un telegrama de Ethernet enviado se envía directamente el siguiente telegrama de Ethernet guardando el tiempo de pausa definido en la norma de transmisión de Ethernet, para de esta manera entregar durante todo el tiempo de ciclo telegramas de Ethernet de modo continuado al enlace de vía de Ethernet (2), y

la unidad de envío (3; 31, 33) está diseñada para fijar la base de tiempos sobre la que está sincronizada la aplicación en 5 tiempo real por medio de la unidad de control (1; 11, 12).

9. Nodo según la reivindicación 8, caracterizado porque la unidad de control (1; 11, 12) está diseñada para la adaptación de la longitud del tiempo de ciclo con una longitud determinada de los telegramas de Ethernet que se han de enviar en el marco de la máxima duración permitida del ciclo, para entregar durante todo el tiempo de ciclo telegramas de Ethernet de modo continuado al recorrido de transmisión de Ethernet (2). 10

10. Nodo según la reivindicación 8, caracterizado porque la unidad de control (1; 11, 12) está diseñada para la adaptación del número y/o de la longitud de los telegramas de Ethernet que se han de enviar en un ciclo a un tiempo de ciclo prefijado, para entregar durante todo el tiempo de ciclo prefijado telegramas de Ethernet de modo continuado al enlace de vía de Ethernet (2).

11. Nodo según una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque la unidad de envío (3; 31, 33) presenta una 15 memoria intermedia (33) para el almacenamiento intermedio de los telegramas de Ethernet proporcionados, estando diseñada la unidad de control (1; 11, 12) para iniciar el proceso de envío dependiendo de un nivel de llenado prefijado en la memoria intermedia (33).

12. Red Ethernet con enlace de vía Ethernet (2) y una pluralidad de nodos (1) unidos con el enlace de vía de Ethernet según una de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizada porque el canal de envío del enlace de vía de Ethernet (2) está 20 diseñado para transmitir los telegramas de Ethernet sin colisiones.

13. Red Ethernet según la reivindicación 12, caracterizada porque el enlace de vía de Ethernet (2) presenta una topología dispuesta en forma anular, y los telegramas de Ethernet enviados por el nodo de envío (1) son transmitidos de un nodo al nodo siguiente.