Bài giảng Hệ thống thông tin công nghiệp - Chương 4: Cơ sở truyền thông công nghiệp (Phần 2)

©2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
C
h
ư
ơ
n
g
1
Hệ thống 
thông tin công nghiệp
1/20/2006
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
2©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
4.3 Kiểm soát truy nhập bus
1. Vấn ₫ề kiểm soát truy nhập bus
2. Phương pháp Master/Slave
3. Phương pháp Token Passing
4. Phương pháp TDMA
5. Phương pháp CSMA/CD
6. Phương pháp CSMA/CA
3©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
1. Vấn ₫ề kiểm soát truy nhập bus
ƒ Kiểm soát truy nhập bus (Bus access control, Medium 
Access Control): Phân chia thời gian truy nhập ₫ường 
truyền (gửi tín hiệu ₫i)
ƒ Phương pháp kiểm soát truy nhập bus ảnh hưởng tới:
— ₫ộ tin cậy
— tính năng thời gian thực
— hiệu suất sử dụng ₫ường truyền
ƒ Phương pháp kiểm soát truy nhập bus liên quan chặt 
chẽ tới, nhưng không ₫ồng nghĩa với cơ chế giao tiếp.
ƒ So sánh ví dụ: Làm thế nào ₫ể trong một cuộc họp ₫ể
khi một người nói thì những người khác không chen 
vào?
4©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Phân loại phương pháp
Truy nhËp tiÒn ®Þnh
KiÓm so¸ t tËp trung
Master/Slave
TDMA
Ph−¬ng ph¸ p
truy nhËp bus
Truy nhËp ngÉu nhiªn
KiÓm so¸ t ph©n t¸ n
Token Passing
NhËn biÕt xung ®ét
CSMA/CD CSMA/CA
Tr¸ nh xung ®ét
5©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
2. Phương pháp chủ/tớ (Master/Slave)
ƒ Vai trò của trạm chủ:
— Kiểm soát hoàn toàn giao tiếp trong hệ thống, hoặc
— Chỉ ₫óng vai trò phân chia quyền truy nhập bus
Master
Slave Slave Slave Slave
6©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm
ƒ Ưu ₫iểm:
— Tiền ₫ịnh
— Đơn giản, ₫ỡ tốn kém
— Trí tuệ tập trung tại một trạm chủ
ƒ Nhược ₫iểm
— Độ tin cậy phụ thuộc vào một trạm duy nhất
— Hiệu suất trao ₫ổi dữ liệu giữa hai trạm tớ thấp
ƒ Ứng dụng chủ yếu
— phổ biến trong các hệ thống bus cấp thấp (bus trường 
hay bus thiết bị)
— trao ₫ổi thông tin hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ là
thiết bị ₫iều khiển và các trạm tớ là thiết bị trường hoặc 
các module vào/ra phân tán. 
7©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Biểu ₫ồ trình tự giao tiếp
Master Slave 1 Slave 2
1: receive_request
2: send_request
3: send_data
4: send_completed
5: receive_completed
8©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
3. Token Passing
Tr¹m 1
Tr¹m 4
Tr¹m 5
Tr¹m 6
Tr¹m 2
Tr¹m 3
Token Ring
Token
Tr¹m 3 Tr¹m 4 Tr¹m 5 Tr¹m 6
Tr¹m 1 Tr¹m 2
Token
Token Bus
9©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Token?
ƒ Một bức ₫iện rất ngắn, có cấu trúc ₫ặc biệt
ƒ Ví dụ:
Destination
Address
Start
Delimiter
Source 
Address
End 
Delimiter
10
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Vấn ₫ề kiểm soát Token
ƒ Giám sát token: Nếu do một lỗi nào ₫ó mà token bị mất 
hoặc gia bội, cần phải thông báo xóa các token cũ và
tạo một token mới.
ƒ Khởi tạo token: Sau khi khởi ₫ộng một trạm ₫ược chỉ 
₫ịnh có trách nhiệm tạo một token mới.
ƒ Tách trạm ra khỏi mạch vòng logic: Một trạm có sự cố
phải ₫ược phát hiện và tách ra khỏi trình tự ₫ược 
nhận token.
ƒ Bổ sung trạm mới: Một trạm mới ₫ược kết nối mạng, 
một trạm cũ ₫ược thay thế hoặc ₫ưa trở lại sử dụng 
phải ₫ược bổ sung vào mạch vòng logic ₫ể có quyền 
nhận token.
11
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm
ƒ Ưu ₫iểm:
— Tiền ₫ịnh
— Độ tin cậy cao hơn nhờ vai trò bình ₫ẳng
— Phù hợp cho nhiều cơ chế giao tiếp khác nhau
ƒ Nhược ₫iểm:
— Phức tạp
ƒ Ứng dụng
— Chủ yếu ở cấp phía trên (bus ₫iều khiển, bus hệ thống)
12
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Kết hợp với Master/Slave (Multimaster)
Master
(1)
Slave
(2)
(1) Token passing gi÷a c¸c tr¹m tÝch cùc
(2) Master/slave gi÷a mét tr¹m tÝch cùc vμ mét sè tr¹m kh«ng tÝch cùc
Master Master Master Master
Slave Slave Slave
13
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
4. TDMA
ƒ TDMA (Time-Division Multiple Access): Phân chia thời 
gian cố ₫ịnh
Khe thời gian (time slot)
1 2 N Theo yªu cÇu
Chu kú bus (chu kú TDMA) 
. . .
14
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm
ƒ Ưu ₫iểm
— Tiền ₫ịnh, phù hợp với trao ₫ổi dữ liệu tuần hoàn
— Có thể ₫áp ứng yêu cầu rất ngặt nghèo về tính năng thời 
gian thực
— Không cần kiểm soát tập trung
ƒ Nhược ₫iểm
— Hiệu suất sử dụng ₫ường truyền có thể không cao
— Đồng bộ hóa thời gian phức tạp
ƒ Ứng dụng:
— Thường là kết hợp với Master/Slave (ví dụ Profibus-DP 
V2.0, Interbus) hoặc Token Passing (Foundation Fieldbus 
H1)
— Chủ yếu ở cấp trường
15
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
5. CSMA/CD
ƒ Một phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên, nổi tiếng 
cùng mạng Ethernet (IEEE 802.3)
ƒ CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision 
Detection)
— Carrier Sense: Cảm nhận, nghe ngóng ₫ường truyền
— Multiple Access: Đa truy nhập (₫ương nhiên!)
— Collision Detection: Nhận biết xung ₫ột
16
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Nguyên tắc làm việc
1. carrier 
sense 
A ph¸t hiÖn xung ®ét, hñy bá bøc ®IÖn
Chê mét thêi gian ngÉu nhiªn vμ lÆp l¹i 
A B C
A B C
A B C
2. multiple 
access 
3. collision 
... 
A B C
4. detection
C ph¸t hiÖn xung ®ét, hñy bá bøc ®IÖn
Chê mét thêi gian ngÉu nhiªn vμ lÆp l¹i
17
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Điều kiện ràng buộc
ƒ Điều kiện ràng buộc giữa chiều dài dây dẫn, tốc ₫ộ
truyền thông và chiều dài bức ₫iện
ƒ Tại sao? Một trạm chỉ có thể dừng gửi một bức ₫iện khi 
nó chưa gửi xong!
ƒ Điều kiện:
(Chiều dài bức ₫iện n / Tốc ₫ộ truyền v) > 2TS
 n/v > 2l/(0,66*300.000.000), 
với l là chiều dài dây dẫn và hệ số k = 0,67 
 lv < 100.000.000n
ƒ Ví dụ: Fast Ethernet (100Mbit/s) 
l = 100m => một bức ₫iện không thể ngắn hơn 100 bit. 
ƒ Hệ quả xét về hiệu suất sử dụng ₫ường truyền và khả 
năng ứng dụng?
18
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm
ƒ Ưu ₫iểm:
— Rất linh hoạt, không cần ₫ặt cấu hình mạng trước
— Được sử dụng rộng rãi
ƒ Nhược ₫iểm:
— Thiếu tính tiền ₫ịnh
— Thuật toán phức tạp
ƒ Ứng dụng:
— Chủ yếu ở mạng cấp cao (Ethernet)
— Gần ₫ây ₫ược sử dụng ở cấp thấp: Sử dụng công nghệ
chuyển mạch (switch) nhằm giảm xung ₫ột tín hiệu
19
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Thuật toán tính thời gian chờ
ƒ Thuật toán BEB (Binary Exponential Backoff):
— Chọn khe thời gian (Te) là cơ sở: thông thường là thời 
gian lan truyền tín hiệu một lần qua lại ₫ường truyền. 
— Sau lần xảy ra xung ₫ột ₫ầu tiên , mỗi trạm sẽ chọn 
ngẫu nhiên 0 hoặc 1 lần khe thời gian chờ trước khi thử
gửi lại => xác suất tái xung ₫ột?
— Nếu hai trạm ngẫu nhiên cùng chọn một khoảng thời 
gian, hoặc có sự xung ₫ột mới với một trạm thứ ba, thì
số khe thời gian lựa chọn chờ sẽ là 0, 1, 2 hoặc 3 => xác 
xuất xảy ra xung ₫ột ở lần này?
— Sau lần xung ₫ột thứ i, số khe thời gian chọn ngẫu 
nhiên nằm trong khoảng từ 0 tới 2i-1. 
20
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
6. CSMA/CA
ƒ CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision 
Avoidance
ƒ Một phương pháp cải tiến từ CSMA/CD, bổ sung mức 
ưu tiên ₫ể cải thiện tính thời gian thực
ƒ Nổi tiếng cùng mạng CAN (Controller Area Network)
21
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Nguyên tắc làm việc
T1 0 1 0*
T2 0 1 1*
R1 0 1 0
R2 0 1 0
0 1
0 1
Ph¸t hiÖn lçi
--> ngõng ph¸t
Møc tÝn hiÖu lÊn ¸t
--> ph¸t tiÕp
22
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Điều kiện ràng buộc
ƒ Ngặt nghèo hơn so với CSMA/CD
ƒ Một trạm phải có khả năng phát hiện ra xung ₫ột 
trước khi nó ra quyết ₫ịnh có gửi bit tiếp theo hay 
không => thời gian bit TB phải lớn hơn nhiều hai lần 
thời gian lan truyền tín hiệu TS
1/v > 2TS, với v là tốc ₫ộ truyền
 1/v >> 2l/(0,67*300.000.000)
 lv << 100.000.000 
ƒ Ví dụ:
— v = 500kbit/s (tốc ₫ộ trung bình ở CAN)
=> l << 200m (thực tế người ta chọn l < 80m)
23
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Qui ₫ịnh mức ưu tiên
ƒ Theo ₫ịa chỉ trạm gửi hoặc trạm nhận (ví dụ ₫ịa chỉ
càng thấp, mức ưu tiên càng cao) => bổ sung ₫ịa chỉ
trạm gửi hoặc nhận ngay ₫ầu bức ₫iện
ƒ Theo kiểu bức ₫iện: bổ sung mức ưu tiên ngay ₫ầu 
bức ₫iện
ƒ Phương pháp kết hợp
SD DA SA
00000010 => ưu tiên hơn
00000011
SD ID ...
...
SD ID DA ...SA
24
©
2
0
0
4
,
H
O
À
N
G
M
I
N
H
S
Ơ
N
4.3 Kiểm soát truy nhập bus © 2005 - HMS
Ưu ₫iểm và nhược ₫iểm
ƒ Ưu ₫iểm
— Linh hoạt
— Tính thời gian thực tốt hơn CSMA/CD
ƒ Nhược ₫iểm
— Tốc ₫ộ truyền thấp
— Khoảng cách truyền ngắn