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21.09.1984 - 

Siemens-Prozeßrechner über Lichtwellenleiter in Ringstruktur vernetzt:

Glasfaser-LAN zuverlässiger mit Bypass

Mit einem optischen Bypass wurde jetzt ein Glasfaser-LAN in Ringstruktur im Bereich der Automobilindustrie realisiert. Bereits seit 1979 setzt die Industrie für Realtime-Anwendungen optische Übertragungsmedien in größerem Umfange ein, neu an der "Bypass-Installation" ist die Möglichkeit bidirektionaler Datenübertragung (Bidirectional Transceiver with Optical Bypass = Bitob). Aufbau, Einsatz und Wirkungsweise dieser ersten derartigen Installation in der Bundesrepublik schildert der folgende Beitrag, der der Zeitschrift der Fraunhofer-Gesellschaft (FhG-Berichte) entnommen wurde. Die Wissenschaftler verweisen ausdrücklich auf Einsatzmöglichkeiten von Lichtwellenleitern auch im Bereich der Büroautomatisierung, wo bisher jedoch Zurückhaltung herrscht. Die Autoren sind: Reinhard Bähre, Peter-J. Becker, Herrmann Bolle, Walter Heil, Hans Kelemen, Hannelore Mitschke, Peter Peschke, Franz Saenger, Wolf Viehweger.

Der Einsatz von verteilbaren Rechnersystemen für die Automatisierung technischer Prozesse sowie die Büroautomatisierung gewinnt zunehmend an Bedeutung. Bereits 1974 wurde im IITB mit der Entwicklung eines Echtzeitrechnersystems mit verteilbaren Teilnehmerstationen begonnen. Dieses unter RDC bekannte System wird seit 1979 in mehreren Anwendungen mit über 100 Teilnehmerstationen mit Erfolg industriell eingesetzt. Das System und seine Eigenschaften sind in [1] und [2] ausführlich beschrieben, außerdem sind seine besonderen Merkmale wie verteiltes Betriebssystem, Lichtwellenleiter-Ringbus und Fehlertoleranz in zahlreichen Veröffentlichungen vorgestellt worden ([1], [3], [4]. Eine wesentliche Komponente in verteilbaren Rechnersystemen ist ihr lokales Netzwerk. Der fehlertolerante RDC-Lichtwellenleiter-Ring ([1], [5]) verfügt über Eigenschaften, die manche marktgängigen Systeme in dieser Gesamtheit auch heute nicht vorweisen. Dazu gehören zum Beispiel

- dezentrale Übertragungssteuerung

- dezentrales Diagnosesystem

- dezentrales Rekonfigurationssystem für Dienste der ISO-Schicht 2

- Lichtwellenleiter als Übertragungsmedium

- aktive Teilnehmerankopplung (signaltechnisch und logisch)

- Fehlertoleranz des lokalen Netzwerkes gegen Ausfall von Teilnehmern, Sendern, Empfängern und Leitungsunterbrechungen

- Systemausbau ohne Betriebsunterbrechung der bereits aktiven Teilnehmer

- hohe Teilnehmerzahl, N <= 256

- hohe Übertragungsleistung

- robuste Übertragungstechnik

- Übertragungsstrecken bis zu einigen Kilometern.

Es war deshalb Ziel, den vorhandenen RDC-Ring für einen effizienten Einsatz als eigenständige, fehlertolerante Komponente in verteilbaren Rechensystemen mit unterschiedlichen Teilnehmerrechnern und für unterschiedliche Anwendungsfälle auszurichten. Dieses Ziel sollte unter Beibehaltung der genannten Eigenschaften bei gleichzeitiger Aufwandsreduzierung und Erhöhung der Einsetzbarkeit (zum Beispiel durch Einführung genormter Aufbautechnik) erreicht werden.

Zum Erreichen des gesteckten Ziels wurde der Leitungs- beziehungsweise Kommunikationsrechner in einer RDC-Teilnehmerstation strukturell und technisch vollständig überarbeitet. Das Ergebnis ist ein neuer Kommunikations-Mikrorechner KMR zur leistungsfähigen, aktiven Ankopplung von unterschiedlichen Teilnehmerrechnern an das lokale Netzwerk RDC-Ring. Für eine erste Anwendung in der Automobilfertigung wurde der KMR für Anschluß von Siemens-Prozeßrechnern ausgelegt. Zur Verbesserung der Fehlertoleranz des RDC-Ringes gegen vollständigen Ausfall von Ringteilnehmern wurde ein "Bidirektionaler Transceiver mit optischem Bypass" für Lichtwellenleiter entwickelt. Dieses Bauelement gestattet, erstmals eine automatische optische Überbrückung von Lichtwellenleitern.

Der KMR ist ein modularer, intelligenter Koppelbaustein, ausgelegt für den Anschluß unterschiedlicher Teilnehmerrechner an unterschiedliche lokale Netzwerke mit jeweils vertretbarem Anpassungsaufwand. Er ist zur Zeit realisiert für den Anschluß von Siemens-Prozeßrechnern an den RDC-Lichtwellen-Ring. Das Konzept schließt die Ausbaufähigkeit zur autonomen Multiprozessor-Station ein. Bild 1 zeigt ein Blockschaltbild des KMR mit seinen Baugruppen, deren Eigenschaften in den folgenden Kapiteln vorgestellt werden.

Grobstruktur des Koppelbausteins

Die an den KMR gestellten Anforderungen

- Reduzierung des Aufwands

- Erhöhung der Flexibilität

- Erhöhung der Leistung gegenüber dem Kommunikationsmikrorechner in einer RDC-Teilnehmerstation werden erfüllt durch

- kleinere, genormte Leiterplattenformate (jetzt doppeltes Europaformat, früher 3,15fache Leiterplattengröße)

- weniger und höher integrierte Halbleiterbausteine (jetzt zum Beispiel vierfache Kapazität von Haupt- und Mikroprogrammspeicher)

- Verlagerung von Funktionen aus er Hardware in die Firmware

- Baukastenprinzip: Der KMR ist in drei Bereiche aufgeteilt (Bild 1). Diese umfassen die Schnittstelle zum Teilnehmerrechner [mit Überwacher als eine Baugruppe (AKR) ausgeführt], den eigentlichen Leitungssteuerungsprozessor mit Haupt- und Mikroprogrammspeicher mit zwei Baugruppen (LP, LSP) und die Schnittstelle zum RDC-Ring, ebenfalls mit zwei Baugruppen (LKS, LKE); dadurch ist die Adaptierbarkeit an Parallelbusse unterschiedlicher Teilnehmerrechner sowie an unterschiedliche lokale Netzwerke mit jeweils geringem Änderungsaufwand möglich

- Implementierbarkeit unterschiedlicher Funktionen durch Einsatz eines mikroprogrammierbaren Leitungssteuerungsprozessors, ausreichende Kapazität des Mikroprogrammspeichers und leistungsfähige Mikroprogramme. Die Übertragungsleistung des RDC-Ringes, weitgehend bestimmt durch die Arbeitsgeschwindigkeit und das Protokoll des Leitungssteuerungsprozessors sowie durch die Schnittstelle zum RDC-Ring, konnte bis zu N x 10 6 Bit/s (N = Teilnehmerzahl) gesteigert werden.

- gezielte Verlagerung (weniger) zeitkritischer Funktionen in die Hardware des KMR

- Mikroprogramm zum automatischen Fernurladen

- DMA-Betrieb zum Arbeitsspeicher des Teilnehmerprozessors.

Die Komponenten des KMR werden im folgenden beschrieben.

Der Parallelbus für den KMR ist völlig neu konzipiert worden. Er verfügt über zusätzliche Funktionen gegenüber dem RDC-Bus, wie zum Beispiel ein schnelles dezentrales Arbitersystem für maximal acht aktive Busteilnehmer fester Belegungspriorität mit einer Arbitrierungszeit von 90 ns nach dem Future-Bus-Verfahren (IEEE-P896). Damit ist ein Ausbau des KMR zur Multiprozessor-Station möglich.

Das Protokoll des asynchronen Busses für das Aufschalten von Adressen und Daten basiert auf dem Handshake-Verfahren, das keine definierten Adreß- oder Datenvorlaufzeiten voraussetzt. Die nötigen Verzögerungszeiten erzeugt jeder empfangende Modul selbst; damit ist das Busprotokoll unabhängig von der jeweils auf den Baugruppen verwendeten Halbleitertechnologie. Alle Bussignalleitungen sind mit ihrem Wellenwiderstand an beiden Busenden abgeschlossen. Durch das Handshake-Verfahren ist die Buslänge unkritisch, sie beträgt zur Zeit zirka 2,5 Meter. Die Bussteuersignale sind open-collector-Signale. Dadurch kann ein nicht beendeter Buszyklus von einer Überwachungseinheit beendet werden.

Die Erfahrungen mit dem Leitungssteuerungsmikroprozessor des RDC-Systems führten zu einer an wechselnde Aufgabenstellungen anpaßbaren Lösung mit fehlerüberwachtem, ladbarem Mikroprogrammspeicher und Maßnahmen zur Erhöhung des Datendurchsatzes.

Der Mikroprogrammspeicher ist zweistufig ausgelegt und besteht aus (Bild 2)

- einem preiswerten, löschbaren und elektrisch programmierbaren Speicher (Eprom) mit unkritischer Zugriffszeit, der das vollständige Mikroprogramm enthält

- einem schnellen statischen Speicher (RAM) mit 50 ns Zugriffszeit, der im Betrieb über das Pipeline-Register die Steuersignale für den Prozessor liefert

- einem Paritätsprüfer zur Überprüfung der Gültigkeit der aus dem RAM gelesenen Mikroprogrammworte und

- einem Umlader, realisiert als PROM-Steuerwerk.

Die Aufgabe des Umladers ist, nach Einschalten des KMR das Mikroprogramm aus dem Eprom in den zunächst leeren schnellen RAM umzuladen und danach das Mikroprogrammsteuerwerk freizugeben, das den Betrieb an einer festgelegten Mikroadresse beginnt. Zur Eliminierung flüchtiger Fehler oder unbeabsichtigt veränderter Mikroprogrammworte im RAM wird der Umlader auch aktiviert, wenn beim Auslesen eines Mikroprogrammwortes der Paritätsprüfer einen Fehler feststellt; dieser Vorgang kann bis zu zweimal wiederholt werden. Bei einem weiteren Mißerfolg wird der Prozessor mit einer Fehleranzeige auf Stopp gesetzt.

Für Testzwecke ist der RAM-Anteil des Mikroprogrammspeichers über den KMR-Bus adressierbar; damit kann sein Inhalt gelesen und verändert werden. Für den Test ist das Umladen abschaltbar.

Der auf 4 K Mikrobefehle aufgestockte Mikroprogrammspeicher ermöglicht die Verwirklichung bisher im RDC-System durch die Restriktion der eingeschränkten Speichergröße zurückgestellter oder unzulänglich programmierter Funktionen. Das betrifft insbesondere die

- ständige Selbstüberwachung durch Selbsttest und das

- Bereitstellen und einfache Einbringen spezieller anwendungsbezogener Programme als Maschinenprogramme.

Das Mikroprogramm enthält dazu einen abgemagerten Maschinenbefehlssatz des RDC-Teilnehmerrechners und ein den interruptgesteuerten Funktionen der Leitungssteuerung untergeordnetes Betriebssystem zum zyklischen Bearbeiten dieser relativ kurzen Maschinenprogramme. Der Arbeitsspeicher des KMR stellt für die Maschinenprogramme und deren Datenbereiche zirka 2K Worte zur Verfügung.

Zur Unterstützung des Teilnehmerrechners enthält der KMR Mikroprogramme zu seinem Urladen über die Leitung und zum schnellen Ver- und Entsorgen (DMA) seiner Sende- und Empfangsbereiche.

Die Übertragsleistung auf der Leitung konnte durch zwei gerätetechnische Maßnahmen wesentlich gesteigert werden. Zum einen werden jetzt Zugriffe des Prozessors zum KMR-Parallelbus überlappend ausgeführt, das heißt der Prozessor wartet nicht auf das Ende einer Speicheroperation. Damit wird im Normalfall die Buszykluszeit eliminiert. Nur in wenigen Fällen, mit zwei direkt aufeinanderfolgenden Speicheroperationen, wird der Prozessor für die Dauer der Buszykluszeit, die in der Größenordnung der Mikrobefehlsausführungszeit von 200 ns liegt, angehalten. Zum anderen wird ad der Leitung eine gestufte Worttaktzeit verwendet, da für die empfangenen Worte eines Telegramms vom Prozessor unterschiedliche Verarbeitungsleistung aufzubringen ist. Die höchste Verarbeitungsleistung wird nach Empfang des ersten Wortes (Adreßvergleich, Prüfung von Ableitbedingungen) und nach Erkennen des Telegrammendes (Abschließen und Bereinigen von Puffern, Anstoßen von weiteren Funktionen) gefordert. Zur Zeit wurde eine Abstufung 2:1 gewählt, das heißt die Verzögerung nach dem Senden des ersten Wortes und nach Telegrammende ist doppelt so groß wie die nach einem beliebigen anderen Wort des Telegramms zum nachfolgenden. Mit beiden Maßnahmen zusammen konnte eine Durchsatzsteigerung um mehr als 100 Prozent erreicht werden.

Ankopplung an den Ring

Die Ankopplung der KMR-Stationen an den Lichtwellenleiter-Ring (LWL-Ring) wurde gegenüber dem RDC-System durch eine funktionale Trennung in Sender (LKS) und Empfänger (LKS), auch für die elektro/optischen und opto/elektrischen Wandler, besser strukturiert.

Weitere Maßnahmen erlauben LWL-Längen von mehreren Kilometern bei gleichzeitiger Erhöhung des Störabstandes auf der Empfangsseite und individueller Abstufung der Sendeleistung auf die Kabellänge.

Die heute preiswert verfügbare GaALAs Hochleistungssendediode SFH404 liefert etwa die zwanzigfache Leistung gegenüber RDC und konzentriert bei größerer Strahldichte auf einer kleineren Emissionsfläche die optische Leistung auf den LWL-Kern. Die Verwendung einer 100/140 Ám-Faser mit Gradientencharakter bringt bei nahezu gleicher Bandbreite einen Einkoppelgewinn von etwa 5 dB Á. Darüber hinaus gestatten leicht zugängliche Kurzschlußsstecker eine Anpassung der Sendeleistung an unterschiedliche LWL-Typen und -Strecken.

Auf der Empfängerseite gelang durch Verwendung von schnellen Operationsverstärkern mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 350 V/Ás eine Steigerung der Empfangsdynamik um mehr als 6 dB Á. Das Prinzip des adaptiven Empfängers wurde beibehalten und durch eine neue Schaltung zur Messung des Amplitudenspitzenwertes des Empfangssignals mit A/D-Wandlung erweitert. Die Empfangspegel können für beide Übertragungsrichtungen getrennt aus dem Pegelregister über den Parallelbus ausgelesen werden und sind über jeweils vier LEDs an der Frontseite des LKE ablesbar. Dies gestattet eine schnelle Beurteilung der Empfangspegel bei der Fehlersuche im Betrieb.

Die Halterung der Sende- und Empfangsdioden wurden um 45 Grad geneigt und so die Knickgefahr der LWL-Kabel hinter dem Steckverbinder fast vollständig beseitigt.

Die Steuerung des Senders, Empfängers der Richtungsumschaltung und der Stationsüberbrückung wurde in Steuerwerke mit jeweils zwei Eprom-Bausteinen 4K x 8 Bit auf LKS und LKE verlagert, von denen jeweils 1K x 8 Bit benötigt werden. Kurzschlußstecker gestatten die Auswahl der übrigen drei Eprom-Bereiche, über die beispielsweise die Kompatibilität zu dem langsameren RDC-Ringbus gewahrt bleibt oder andere Wortformate, andere Wortabstände programmiert werden können.

Als optische Steckverbinder werden Steckverbinder mit 2,5 Millimeter Stiftdurchmesser verwendet (in Anlehnung an DIN 47 297). Diese Steckverbinder sind klein, haben eine Verdrehsicherung und zeichnen sich durch eine hohe Präzision aus.

Der Teilnehmer-(Arbeitsrechner-) Koppler AKR ist die Baugruppe zur Kopplung von Kommunikations- und Teilnehmerrechner einschließlich der Datenübertragung zwischen beiden Rechnern und zur Überwachung des KMR. Ferner enthält er eine Einrichtung, die die Fernbedienung bestimmter Grundfunktionen des Teilnehmerrechners (Rücksetzen, Urladen, Start, und Stopp) über den Lichtleiterring mittels Telegrammen von einem anderen Teilnehmer aus erlaubt.

Fernbedienung der Grundfunktionen

Eine entscheidende Forderung war die Unterbringung der AKR-Bau-Gruppe im Baugruppenträger des Teilnehmerrechners. Dies bedeutete die Verwendung des Doppeleuropaformates und zwang zum Einsatz hochintegrierter Bausteine in Form schneller Prom-Steuerwerke und PALs zur Realisierung der Gatter- und Registerlogik. Mit einer 8-Lagen-Multi-Layer-Leiterplatte und einer Bestückungsdichte von über 90 Prozent war es möglich, alle Funktionen des AKR zu realisieren.

Kommunikations- und Teilnehmerrechner haben Busse unterschiedlicher Struktur und Geschwindigkeit: Adressen und Daten werden daher jedem busübergreifenden Datentransfer in bidirektionalen Busregistern zwischengespeichert. Der Teilnehmerrechner arbeitet am AKR-Parallelbus als aktiver Teilnehmer und kann auf alle KMR-Bereiche zugreifen. Bei einem vom Leitungsprozessor initialisierten Datentransfer werden zwei Datenübertragungsarten unterschieden: der interruptgesteuerte Datenaustausch zwischen Leitungs- und Teilnehmerprozessor sowie durch direkte Speicherzugriffe (DMA) des Leitungsprozessors in den Speicher des Teilnehmerrechners. Die Steuerung der Kopplung und des Informationsaustausches zwischen beiden Rechnern erfolgt durch ein Prom-Steuerwerk, das in ein Hauptsteuerwerk und zwei dem KMR-Bus zugeordnete schnelle (20 MHz) Untersteuerwerke unterteilt ist. Die Verständigung beider Rechner wir durch drei Kommunikationsregister (KR SSR BFR) und eine Mehrebenen Interruptstruktur unterstützt.

Eine weitere Aufgabe der AKR Baugruppe ist die Überwachung bei der Rechner-Bereiche. Innerhalb je den Bereichs auftretende Fehlersignale werden in einem "Fehlersammelregister" FSR gesammelt und von einem Prom-Steuerwerk, dem Überwacher, nach bestimmten Kriterien ausgewertet und in einem "Interne Fehlerregister" IFR abgelegt.

Fehlertolerierende Systeme bauen auf Detektion, Lokalisation und Isolation von Fehlern und anschließender Rekonfiguration des intakten Restsystems auf. Verbunden ist dies immer mit einem zusätzlichen Aufwand an Hardware und Software bei der Implementierung eines Systems. Wie alle Komponenten müssen auch die Fehlerdetektionseinrichtungen getestet werden, auch laufend im Betrieb. Dazu sind Fehlergeneratoren vorgesehen, im KMR durch über den Bus programmierbare Register zur Fehlersimulation unterstützt. Die Reaktion auf einen simulierten Fehler wird über die einzelnen Systemschichten (HW, FW, SW) hinweg auf ihre Gültigkeit hin überprüft.

Es wird zwischen tolerierbaren und nicht tolerierbaren Fehlern unterschieden. Tolerierbare Fehler führen zunächst nur zu einer "Warnung". Wenn innerhalb eines vorgegebenen Zeitrasters von 1 sec die Summe aller tolerierbaren Fehler größer als drei ist, werden sie wie nicht tolerierbare Fehler behandelt und der entsprechende Rechnerbereich auf. "Ausfall" gesetzt. Alle Fehlerzähler werden im Sekundenraster gelöscht und ein neuer "Testanstoß" gestartet. Das Ergebnis der Überwachung wird in einem "Statusregister" SR abgelegt und über LEDs dem Benutzer angezeigt.

Für den Wartungsausfall sind alle gerätetechnischen Voraussetzungen für weitergehende Tests über eine Zusatzkarte (VBU) mit Serien- und Parallelanschluß getroffen.

Eine Eigenschaft der aktiven Ankopplung an den RDC-Lichtwellenleiter-Ring ist, daß bei Stromausfall eines KMR der Bus an dieser Stelle unterbrochen wird und die Übertragungsleistung durch Übergang in die Betriebsart mit zyklischem Umschalten der Übertragungsrichtung (Pendeln) abnimmt.

Dämpfungsarm überbrücken

Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde im IITB ein LWL-Koppelelement entwickelt, das die für die aktive Ankopplung erforderlichen Sende- und Empfängerdioden enthält und bei Stromausfall der Teilnehmerstation den LWL dämpfungsarm optisch überbrückt (passiver optischer Bypass), so daß die Leistungsfähigkeit des LWL-Ringes erhalten bleibt.

Im Normalbetrieb (Ankopplungsbetrieb) arbeitet das Koppelelement Bitob (Bidirektionaler optischer Transceiver mit optischem Bypass) über je zwei eingebaute Sende- und Empfängerdioden als bidirektionales Koppelelement für Halbduplexbetrieb. Die Funktionsweise von Bitob wird aus Bild 3 ersichtlich.

Im Ankopplungsbetrieb wird ein Lichtsignal zum Beispiel aus der linken Faser mit Hilfe einer Gradientenlinse (L) als quasi parallele Welle in das Koppelelement eingekoppelt. Der Spiegel (Sp) lenkt die Welle auf die zugehörige Empfängerdiode (ED), die wegen des Strahlteiners (ST) zirka 50 Prozent der einfallenden Lichtleistung erhält. Das vom Empfänger detektierte Signal wird - nach elektronischer Aufbereitung im Teilnehmer - der Sendediode (SD, rechte Seite) zugeführt. Die von der Sendediode emittierte Welle wird über zwei Gradientenlinsen, Strahlteiler und Spiegel in die nach rechts abgehende LWL-Faser eingekoppelt.

Bei Teilnehmerausfall fällt der Zugmagnet (ZM) ab, so daß die beiden Spiegel aus ihrer Arbeitsstellung wegbewegt werden. Die beiden LWL-Fasern werden nun über zwei Gradientenlinsen dämpfungsarm optisch gekoppelt (Bypass-Betrieb).

Die hervorragenden Eigenschaften von Bitob sind:

- automatische Umschaltung auf Bypass-Betrieb bei Versorgungsspannungsausfall

- bidirektionaler Betrieb (halbduplex) über einen Lichtwellenleiter möglich

- Sende- und Empfängerdioden in der Komponente integriert

- geringer Leistungsbedarf des Zugmagneten durch automatische Stromabsenkung

- kostengünstige Realisierung in Thermoplast-Präzisionsspritzguß.

Diese Eigenschaften und eine kostengünstige Realisierung sollen eine breite Nutzung ermöglichen.

KMR mit Bitob sind selbständige Kommunikationskomponenten für lokale Netzwerke, insbesondere für Lichtwellenleitereinsatz. Durch freie Programmierbarkeit des Leitungsprozessors LP lassen sich auch einfache lokale Aufgaben (zum Beispiel Ein-/Ausgabefunktionen) ohne einen besonderen Teilnehmerrechner realisieren, was die universelle Einsetzbarkeit des KMR noch erhöht.

Literatur

[1] Heger, D., Steusloff, H., Syrbe, M.: Echtzeitrechnersystem mit verteilten Mikroprozessoren. BMFT-Forschungsbericht DV 79-01.

[2] Heger, D.: Systemergänzungen und Piloterprobung eines fehlertoleranten Echtzeitrechnersystems mit verteilten Mikroprozessoren (RDC-System). BMFT-Forschungsbericht DV 81-007.

[3] Bonn, G., Patz, M., Saenger, F.: Grundprinzipien und Betriebserfahrungen mit Fehlererkennung und -anzeige bei fehlertoleranten Prozeßrechnersystemen mit funktionsbeteiligter Redundanz. Fachberichte Messen, Steuern, Regeln Nr. 5, INTERKAMA-Kongreß 1980, Springer-Verlag, S. 329-352.

[4] Bonn, G., Lorenz, L.: Steuerung, Synchronisation und Kommunikation bei parallelen Prozessen. FHG-Berichte 2-80, IITB 1980, S. 36-41.

[5] Heger, D.: Zur Klassifizierung, theoretischen Beschreibung und Bewertung lokaler Datensammelleitungen. Dissertation an der Universität Karlsruhe, 1983; Fortschritt-Berichte der VDI-Zeitschriften, R. 10. Nr. 24, 1983.