DE10045947A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kommunikation zwischen Microcontrollern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Multicast-Kommunikation zwischen mehreren programmgesteuerten Rechenanlagen (Knoten) über einen Kommunikationsbus, wobei die beteiligten Sende- und Empfangskanäle der einzelnen Knoten derart mit dem Bus verbunden sind, dass ein von einem Knoten gesendetes Signal von allen Knoten (einschließlich dem Sendenden) empfangen werden und der sendende Zugriff auf den Bus zwischen den Knoten über ein Protokoll geregelt wird und es sich bei den seriellen Empfangs- und Sendekanälen der Knoten zum Bus um byte-asynchrone bit-serielle Kanäle handelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Multicast-Kommunikation zwi­ schen mehreren programmgesteuerten Rechenanlagen (Knoten) über einen Kommunikations­ bus, wobei die beteiligten Sende- und Empfangskanäle der einzelnen Knoten derart mit dem Bus verbunden sind, dass ein von einem Knoten gesendetes Signal von allen Knoten (ein­ schließlich dem sendenden) empfangen werden kann und der sendende Zugriff auf den Bus zwi­ schen den Knoten über ein Protokoll geregelt wird und es sich bei den seriellen Empfangs- und Sendekanälen der Knoten zum Bus um byte-asynchrone bit-serielle Kanäle handelt.

Es ist bekannt, dass es verschiedene Vorrichtungen und Verfahren gibt, um mehrere programm­ gesteuerte Rechenanlagen (insbesondere Microcontroller) miteinander kommunizieren zu las­ sen. Diese Verfahren erfordern üblicherweise neben der eigentlichen Rechenanlage (z. B. einem typischen Microcontroller) zusätzliche Hardware zu Kodierung und Dekodierung der ausge­ tauschten Signale.

Weiter ist bekannt, dass zur Kommunikation zwischen Microcontrollern die in vielen Micro­ controller bereits integrierten UART-Komponenten (Universal Asynchronous Receiver Trans­ mitter, byte-asynchrone bit-serielle Datenübertragung) eingesetzt werden können. In den bekannten Verfahren werden die Sender und Empfangskanäle der UARTs jedoch entweder nur zu Paaren zusammengeschaltet (Punkt zu Punkt Kommunikation zwischen zwei Rechenanla­ gen z. B. über RS232, siehe Fig. 1), oder sie werden in größerer Anzahl, aber asymmetrisch zu­ sammengeschaltet, indem der Sendeausgang eines ausgezeichneten Knotens (Master) mit allen Empfangseingängen der übrigen Knoten (Slaves) verbunden ist, und alle Sendeausgänge der Slaves mit der Empfangseingang des Masters zusammengeschaltet sind (siehe Fig. 2 und "AT89 Series Hardware Description", www.atmel.com). Dadurch kann der Master eine Nach­ richt an alle Slaves schicken, in welcher er eine Anfrage an genau einen der Slaves stellt. Dieser eine Slave antwortet dann an den Master, indem er als einziger aktiver Slave über den Rückka­ nal an den Master seine Antwort sendet. Dieses Verfahren hat eine sehr einfache Busvergabe, aber eine bidirektionale Kommunikation ist nur zwischen Master und Slave möglich, eine Kom­ munikation zwischen den Slaves ist nur über einen Umweg über den Master möglich. Insbeson­ dere ist bei Ausfall des Masters keine Kommunikation möglich.

Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, programmgesteuerte Rechenanlagen (speziell Mi­ crocontroller) mit einem kostengünstigen Kommunikations-Medium derart zu vernetzen, dass sich eine symmetrische Kommunikationssituation ergibt, in der jeder Knoten direkt mit jedem anderen Knoten kommunizieren kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, dass die Byte-asynchrone serielle Schnittstelle, die in Form eines UARTs (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) als Hardwarekomponente bereits in den meisten Microcontrollern zu finden ist, mit ihrem Sende- und ihrem Empfangskanal auf den selben Kommunikations-Bus aufgeschaltet ist (siehe Fig. 3). Dadurch kann ein Signal, das von einem der am Bus angeschlossenen Knoten über seinen UART gesendet wird, von allen am Bus angeschlossenen Knoten (einschließlich des senden­ den) über den Empfangskanal jedes UARTs empfangen werden. Somit ergibt sich ein Byte- Broadcast-Medium, über das alle angeschlossenen Knoten gleichberechtigt kommunizieren können.

Um verschiedenen Knoten nacheinander den sendenden Zugriff auf den Bus zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß ein Protokoll zur Vergabe der Schreibberechtigung notwendig, damit nicht von verschiedenen Stationen verschiedene Signale gleichzeitig gesendet werden. Als Bus-Ver­ gabe-Protokolle bieten sich Token-Passing und Polling-Protokolle oder Kombinationen aus beiden an.

Zur physikalischen Übertragung der von den UARTs erzeugten Signalfolgen kann eine beliebi­ ge physikalische Kodierung gewählt werden, die die zeitlich nicht überlappenden Sendezugriffe in der einzelnen UARTs (Zeit-multiplex) reversibel darstellen kann. Eine besonders einfache Realisierung ergibt sich mit einem Treiber (Encoder), der das am Ausgang eines inaktiven (ge­ rade nicht sendenden) UARTs anliegende Logik-Signal auf dem Bus als einen Spannungs-Pe­ gel darstellt, der von dem inversen Logik-Signal (z. B. das von einem anderen Knoten gerade gesendete) majorisiert wird (siehe Fig. 4). Ein Beispiel hierfür ist ein nicht-invertierender TTL- Treiber. Werden elektrische Kodierungen eingesetzt, bei denen sich die kodierten Signale nicht gegenseitig majorisieren, so muss neben dem binären Sendekanal des UARTs für den Encoder (Treiber) noch ein Zusatzsignal bereitgestellt werden, das den sende-aktiven Zustand des Kno­ tens anzeigt ("send enable" in Fig. 5). Dieses Signal kann z. B. als vom Microcontroller soft­ waregesteuertes Signal am UART vorbei direkt an den enable-Eingang eines Tri-State-Treibers geleitet werden. Der Tri-State-Treiber legt seine Hi- und Lo-Pegel nur dann auf dem Bus an, wenn der Microcontroller über den enable-Eingang anzeigt, dass dieser Knoten gerade sendet. Alle anderen Knoten schalten ihre Bus-Treiber während dieser Zeit in den hochohmigen Zu­ stand. Gleiches gilt, wenn statt einer Kodierung der Signale durch absolute Spannungspegel ei­ ner Kodierung durch die differenzielle Spannungspegel erfolgt. Hier sind dann zwei Tri-State- Treiber (invertierend und nicht invertierend) nötig. Darüber hinaus sind auch beliebige andere Kodierungen, wie z. B. amplituden- oder frequenzmodulierte Wechselspannungssignale denk­ bar. Diese erlauben dann zum Teil auch die Übertragung der kodierten Signale über die Strom­ versorgungsleitungen.

Somit erlaubt die vorgestellte Vorrichtung und das Verfahren, ausgehend von einem Microcon­ troller mit integriertem UART, in vorteilhafter Weise eine symmetrische Vernetzungen der Mi­ crocontroller mit einem Minimum an zusätzlichen Komponenten (Encoder/Decoder bzw. Bus- Treiber). Auch kann die Bus-Verkabelung bei elektrischer Kodierung der Signale mit absoluten Spannungspegeln (eine Signalleitung mit Massebezug) oder differenziellen Spannungspegeln (zwei Signalleitungen) sehr einfach gehalten werden.

Im Folgenden werden noch einige Erläuterungen und Beispiele gegeben.

Der Begriff der Multicast-Kommunikation bezeichnet die Möglichkeit, eine Nachricht durch einmaliges Senden direkt an mehrere Empfänger zu schicken. Bei den hier beschriebenen Ver­ fahren werden gesendete Nachrichten von allen an den Bus angeschlossenen Knoten empfan­ gen. Dies stellt einen Sonderfall der Multicast-Kommunikation dar. Eine nachgeschaltete Selektion der empfangenen Nachrichten durch die einzelnen Knoten kann dann festlegen, wel­ che Nachrichten von welchen Knoten schließlich weiterverarbeitet werden.

Das beschriebene Verfahren dient zunächst nur dazu, einzelne Bytes zwischen den Knoten zu übertragen, ohne dass es zu Kollisionen zwischen gleichzeitig sendenden Knoten kommt. Die Übertragung von Nachrichten-Rahmen wird dann in höheren Protokollschichten u. a. im Zusam­ menhang mit den beschriebenen Busvergabeprotokollen realisiert. So beschreibt das Token- Passing Protokoll neben dem Austausch von Tokens (spezielle Nachrichten) zur Busvergabe (Token-Bus, logischer Ring) auch die Übertragung von Nutzdaten-Rahmen. Ein solcher Rah­ men unterscheidet sich eindeutig von einem Token und enthält neben den Nutzdaten oft auch zusätzliche Adressinformationen und Prüfsummen. Bei der Kombination von Token-Passing und Polling kann der Knoten, der gerade das Token besitzt, durch eine spezielle Nachricht einen anderen Knoten auffordern, sofort eine angeforderte Nachricht auf den Bus zu legen. Da der an­ fordernde Knoten den Bus für den Zeitraum der Antwort freihält, ist ein kollisionsfreier Busbe­ trieb möglich. Um einen Spezialfall dieser Kombination zwischen Token-Passing und Polling handelt es sich, wenn nur ein Knoten am Token Passing beteiligt ist. Da dieser das Token auch nicht mehr weiterleiten muss, sind nur noch Polling-Zugriffe notwendig. Die Bustopologie er­ laubt jedoch in jedem Fall, dass jeder Knoten prinzipiell am Token Passing teilnimmt bzw. Pol­ ling durchführt.

Bit-serielle Kanäle sind Kommunikationseinrichtungen, die einzelne Bits zeitlich nacheinander als eine Folge von logischen oder physischen Signalen übertragen. Haben Sender und Empfän­ ger an einem solchen Kanal keine direkte gemeinsame Synchronisation (z. B. durch gemeinsa­ me Taktleitung), so muss die notwendige Synchronisation von Sender und Empfänger mit Hilfe der Kodierung der Bitfolgen möglich sein. Beim Byte-asynchronen Betrieb, wie er z. B. beim RS232 Byteübertragungsprotokoll angewandt wird, werden die Bitfolgen in Gruppen fester Länge (Bytes mit z. B. 7, 8 oder 9 Bit) aufgeteilt und jeweils mit vorangestellten Start- und nachgestellten Stop- und Prüf-Bits mit einer konstanten Bitrate übertragen. Da sich der Emp­ fänger jeweils mit dem Start-Bit neu synchronisieren kann, kann die Übertragung dieser Bit- Gruppe asynchron erfolgen, d. h. sie kann in beliebigem zeitlichen Abstand zu vorangegange­ nen Sendungen erfolgen.

Die UARTs (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) sind Hardwarevorrichtungen, die zum Senden und Empfangen solcher Byte-asynchroner Nachrichten dienen. Zum Senden wird Ihnen eine Bit-Gruppe fester Länge (Bytes mit z. B. 7, 8 oder 9 Bit) übergeben, die diese dann über ihren Sendekanal (T × D) Byte-asynchron Bit-seriell übertragen. Über ihren Empfangskanal (R × D) können solche Signalfolgen empfangen werden. Sie werden dann wiederum als empfan­ gene Bit-Gruppen fester Länge bereitgestellt. UARTs sind in den meisten Microcontrollern be­ reits als Hardwarekomponente enthalten.

Der in den Ansprüchen beschriebene Bus hat die Aufgabe, eine geeignete physikalische Kodie­ rung der seriellen Signalfolgen von einem sendenden Knoten an alle am Bus angeschlossenen Knoten zu verbreiten (einschließlich dem sendenden), sodass diese bei geeigneter physikali­ scher Dekodierung die gesendete serielle Signalfolge ermitteln können. Es sind hierzu verschie­ dene Realisierungen denkbar. So können zum Beispiel die Logik-Spannungspegel, die am Sendeausgang (TxD) des UARTs anliegen, einfach über eine Treiberschaltungen derart auf den Bus gelegt werden, dass der am Sendeausgang eines gerade nicht sendenden UARTs anliegende logische Pegel als schwacher Hi-Pegel (Pull-Up-Widerstand) und der entgegensetzte logische Pegel als starker Lo-Pegel (Pull-Down-Transistor) dargestellt wird, sodass der Lo-Pegel den Hi- Pegel majorisiert (analog zu TTL-Kodierung). Das sich ergebende "Wired-AND" beim Buszu­ griff erlaubt es, dass Stationen, die gerade nicht senden, keinen störenden Einfluss auf die Sen­ dungen von aktiven Stationen haben. Eine andere einfache physikalische Kodierung benutzt ebenfalls Spannungspegel, jedoch wird auf den Bus sendend mit Tri-State-Treibern zugegrif­ fen, wobei zu einem Zeitpunkt nur der Tri-State-Treiber desjenigen Knotens enabled sein darf, der gerade sendet.

Claims (12)

1. Vorrichtung und Verfahren zur Multicast-Kommunikation zwischen mehreren programm­ gesteuerten Rechenanlagen (Knoten) über einen Kommunikationsbus, dadurch gekennzeichnet, dass die beteiligten Sende- und Empfangskanäle der einzelnen Knoten derart mit dem Bus verbunden sind, dass ein von einem Knoten gesendetes Signal von allen Knoten (einschließlich dem sendenden) empfangen werden kann und der sen­ dende Zugriff auf den Bus zwischen den Knoten über ein Protokoll im gegenseitigen Aus­ schluss geregelt wird und es sich bei den seriellen Empfangs- und Sendekanälen der Knoten zum Bus um byte-asynchrone bit-serielle Kanäle handelt.

2. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die byte-asynchrone bit-serielle Kodierung hinsichtlich der Übertragung von Bitgruppen fester Länge (Bytes) durch eine Abfolge von Start-Bits, Daten-Bits und Prüf- bzw. Stop-Bits mit festem zeitlichem Abstand dem logischen (d. h. nicht-elektrischen) Teil des RS232-Byteübertragungsprotokolls entspricht.

3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierung der übertragenen Bytes in die byte-asynchrone bit-serielle Form und auch die entsprechende Dekodierung durch eine Hardwarekompo­ nente (UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter) erfolgt.

4. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den über den Bus byte-asynchron bit-seriell kom­ munizierenden programmgesteuerten Rechenanlagen (Knoten) um Microcontroller handelt.

5. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den über den Bus byte-asynchron bit-seriell kom­ munizierenden programmgesteuerten Rechenanlagen (Knoten) um Microcontroller handelt, in die die UART-Hardware-Komponente zur Kodierung der übertragenen Bytes in die byte- asynchrone bit-serielle Form integriert ist.

6. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Protokoll zur Regelung des gegenseitigen Ausschlusses beim sendenden Zugriff auf den Bus (Busvergabe) ein Token-Passing-Verfahren zum Ein­ satz kommt, über das ein Teil der Knoten oder alle Knoten am Bus zyklisch die Buskont­ rolle untereinander austauschen.

7. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Protokoll zur Regelung des sendenden Zugriffs auf den Bus (Busvergabe) neben dem Token-Passing-Verfahren auch ein Polling-Verfahren zum Einsatz kommt, bei dem der Token-Inhaber (Polling-Master) andere Knoten am Bus (Pol­ ling-Slave) per Anfrage-Rahmen zur sofortigen Versendung von Daten (Antwort-Rahmen) über den Bus auffordert und den Bus für diesen Antwort-Zugriff freihält. Dies beinhaltet auch den Sonderfall von nur einem Knoten im Token-Passing-Betrieb, so dass effektiv nur Polling-Zugriffe erfolgen.

8. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Darstellung der einzelnen Bits auf dem Bus als Spannungspegel erfolgt, wobei der elektrische Zugriff auf den Bus als negiertes oder nicht-negiertes Wired-AND oder Wired-OR erfolgt, so dass ein Bitwert den anderen majo­ risiert und die Ansteuerung des Buszugriffs der einzelnen Knoten allein über das byte-asyn­ chrone bit-serielle Signal erfolgen kann.

9. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Darstellung der einzelnen Bits auf dem Bus als Spannungspegel erfolgt, wobei der elektrische Zugriff auf den Bus über einen Tri-State- Treiber (Push/Pull) erfolgt, wobei die Ansteuerung der Hochohmigkeit des Ausgangs durch den rechnenden Knoten erfolgt.

10. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Darstellung der einzelnen Bits auf dem Bus als modulierte Wechselspannungssignale erfolgt.

11. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kodierung der Signale differentiell über ein Leitungspaar erfolgt.

12. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch kodierten Signale zusammen mit der Stromver­ sorgung für die einzelnen Knoten über ein Leitungspaar übertragen wird.