HaRTOP- Hard Real-Time OSI-basiertes Feldbusprotokoll

Forschungsprojekt P 14622HaRTOP - Hard Real-Time OSI-basiertes FeldbusprotokollAlexander BAUER09.10.2000 Das Zeil des Forschungsprojekts "HaRTOP" ist die Entwicklung eines Feldbusprotokolls, das, basierend auf der weitverbreiteten, OSI-konformen Feldbusarchitektur ANSI/EIA-709.1 (LonWorks), für den Einsatz in Hard- Realtime-Systemen geeignet sein soll. Feldbusse dienen der Vernetzung intelligenter Knoten in verteilten Systemen der Automatisierungtechnik. Durch den dezentralen Ansatz können so die Kosten z.B. der Verkabelung, Systemintegration und Wartung reduziert werden. In den Einsatzgebieten der Feldbusttechnologie besteht häufig die Forderung nach Echtzeitfähigkeit, um kritische Reaktionzeiten einhalten zu können. Forschungsprojekte am Institut für Computertechnik (ICT) beschäftigen sich bereits seit mehreren Jahren mit Verbesserung der LanWorks- Technologie. Ein zentales Projekt ist in diesem Zummenhang die Entwicklung des Netzwerk- Controllers LDC, welcher Ptobleme hochperformanter LanWorks-Anwendungen lösen soll. Die Funktionalität des Chips muß allerdings noch erweitert werden, um auch Echtzeitfähigkeit zu gewährleisten. Da nur ein Teil des Feldbusprotokolls im LDC abgearbeitet wird, muß zusätzlich auch ein echtzeitfähiger Protokoll-Stack entwicklt werden, der in einem separaten Host-Prozessor zum Einsatz kommt. Das so entstehende Gesamtsystem soll neben der Echtzeitfähigkeit folgende Möglichkeiten bieten: Uhrensynchronisation zwischen Koten, Membership-Dienste, dynamische Rekonfiguration der Knoten, Kompatibiliät zu konventionellen Systemen, Fehlertoleranz, etc. In jeder Protokollschicht müssen dabei bestimmte Verarbeitungszeiten garantiert sien, damit die Schichten unabhängig voneinander modifiziert werden können. Jede der sieben ANSI/EIA-709.1-Schichten muß daher analysiert und adaptiert werden. Da rein analytische Studien für ein hochkoplexes System wie ANSI/EIA-709.1 nicht ausreichend sind, muß zusätzlich auf verschiedene Arten von Simulation zurückgegriffen werden. Neben der obligatorischen VHDL-Simulation beinhaltet dies die Entwicklung eines Simulationsmodells für PCs sowie eines Environment- Simulators. Die so entstehende Test- und Simulationsumgebung soll schließlich zur ausführlichen funktionalen und temporalen Verifikation des Netzwerkprotokolls genutzt werden, welche insbesondere bei Echtzeitsystemen von entscheidender Bedeutung ist.

Das Ziel dieser Forschungsarbeit war die Entwicklung eines auf ISO/OSI (Open Systems Interconnect) basierenden Feldbusprotokolls, welches sich durch "harte" Echtzeitfähigkeit (hard real-time) auszeichnet. Diese Protokolle werden zur effizienten Vernetzung von verteilten Sensoren, Aktuatoren, Steuereinheiten, usw. benötigt. Der weitverbreitete EIA-709-Standard (LonWorks) diente als Basis und wurde um einen Hard-Real-Time-Modus erweitert, um die geforderten zeitlich-deterministischen Eigenschaften zu gewährleisten. Zu Beginn des Projekts stellte der "L-Chip", ein leistungsfähiger Netzwerk-Controller für EIA-709, welcher von der österreichischen Firma LOYTEC entwickelt wurde, den Stand der Technik dar. Das aktuelle Design wurde zunächst bezüglich seiner Echtzeitfähigkeiten analysiert. Anhand eines Testaufbaus wurden die Ergebnisse aus Analyse und Simulation verifiziert. Für die Weiterentwicklung des Hard-Real-Time-Modus wurden verschiedene Implementierungsstrukturen der unteren Protokollschichten diskutiert, analysiert und bewertet. Ein flexibles, ereignisbasiertes Modell wurde spezifiziert und implementiert, welches sowohl die bestehende Lösung mittels L- Chip und verschiedenen Übertragungsmedien als auch neue, rein softwarebasierende Ansätze integriert. Es folgte eine Analyse der Transport- und Sitzungsschicht (Schicht 4 & 5) des EIA-709-Protokolls in Hinblick auf Echtzeitverhalten. Durch entsprechende Einschränkung einiger Parameter der Protokolldienste in diesen Schichten konnte ein deterministischer Algorithmus gefunden werden, welcher maximale Verzögerungszeiten für jede Transaktion garantiert. Die Resultate der Forschungsarbeit konnten bereits im Rahmen der Entwicklung des "LISA" SoC (System on Chip), einer Kooperation von LOYTEC und NEC Electronics, verwertet werden. In diesem Chip sind eine CPU, zwei "Control-Net" Module sowie zahlreiche weitere Module integriert. Die Control- Net Module enthalten einen echtzeitfähigen Arbitrationsmodus, welcher kompatibel zum L-Chip ist. Mittels des integrierten CPU-Kerns sind flexible Implementierungen des Echtzeitprotokolls sowie zahlreicher weiterer Protokolle möglich. Die Resultate des Forschungsprojekts zeigen, dass, entgegen anderslautender Thesen, die Implementierung eines OSI-basierten Echtzeitprotokolls machbar ist. Die skalierbare, offene Architektur der Protokollimplementierung garantiert maximale Portabilität und eröffnet Forschungs- und Entwicklungsmöglichkeiten für Interessenten sowohl aus Wissenschaft als auch Industrie.