Exkurs zum Bussystem und dem deterministischen Buszugriff

An Technologien werden immer höhere Anforderungen gestellt. Wo vor Jahrzehnten das einfache Funktionieren im Vordergrund stand, müssen Systeme heutzutage immer komplexer aufgebaut sein und deutlich mehr Aufgaben erfüllen. Dennoch soll es zu keinem größeren Arbeitsaufwand kommen, die Kosten müssen gesenkt werden, Fehler darf es nicht geben und wenn es sie gibt, dann soll die intelligente Technologie zur Selbsthilfe greifen. Um so etwas zu realisieren, ohne das ein unübersehbares Kabelmeer entsteht oder zahlreiche Soft-und Hardware erstanden werden muss, wird das „Binary Unit System“ eingesetzt, kurz Bus. Dieses System ermöglicht eben diese angestrebte Datenübertragung zwischen den Teilnehmern einer Netzwerk-Topologie. Da dies digital und über einen gemeinsamen Übertragungsweg erfolgt, besteht auch das Risiko eines hohen Aufwands der Verkabelung nicht.

Die Vorteile eines Bussystems

Besonders innerhalb der Automobilbranche hat sich der Bus als rentabel erwiesen, da die Verkabelung der angeschlossenen Steuergeräte einheitlich erfolgen kann. Daneben finden sich jedoch noch weitaus mehr positive Effekte durch den Einsatz des „Binary Unit Systems“

  • Es gibt eine geringe Anzahl von Leitungen, die für die Datenübertragung benötigt werden
  • Es muss lediglich eine Überlastung des Busses vermieden werden
  • Art, Umfang und Richtung der Datenübertragung ist irrelevant
  • Es werden komplexe Anwendungen realisiert, da alle Teilnehmer über ein Netzwerk kommunizieren
  • Entgegen der konventionellen Verkabelung besteht bei dem Bus mehr Wirtschaftlichkeit
  • Die Übertragung erfolgt digital, sodass Nachrichten einfach in digitale Formate gewandelt werden und anschließend decodiert werden können
  • Erkennung und Korrektur von Fehlern in der Übertragung durch das digitale Verfahren
  • Einfacher Aus-und Umbau der Topologie
  • Schnelle Fehlerdiagnose durch starke Vernetzung der Teilnehmer

Die Verfahren des deterministischen Buszugriffs

Die Begrifflichkeit des Determinismus stammt aus dem Lateinischen und bedeutet dort so viel wie „abgrenzen“ oder „bestimmen“. Die Definition des Wortes besagt, dass es sich hierbei um eine Auffassung handelt, dass alle Ereignisse, auch jede die erst in der Zukunft geschehen sollen, bereits durch das Festlegen von Bedingungen im Voraus bestimmt werden können. Somit ist der deterministische Buszugriff zunächst einmal nichts mehr, als ein Verfahren, bei welchem das Antwortverhalten bereits absehbar ist und bei dem der Vorgang an sich einer genauen Kontrolle unterliegt. Ein Vertreter eines solchen Buszugriffs ist das Master-Slave-Verfahren. Hierbei sendet ein zentral gelegener Busteilnehmer in zyklischen Abläufen ständig Aufrufe an die anderen Teilnehmer. Durch diese Form der Kommunikation zwischen dem Master und dem Slave kann das Busgeschehen kontrolliert und vorhergesagt werden. Der Einsatz eines deterministischen Verfahrens besitzt zwei wesentliche Vorteile

  • einfache Umsetzung, demnach ist dieser Buszugriff einfach zu realisieren
  • klar definierbare Latenzzeiten

Der dezentral und zentral gesteuerte Buszugriff

Beim deterministischen Buszugriff nimmt auch der dezentral und zentral gesteuerte Buszugriff eine nennenswerte Rolle ein. Denn das hier relevante Master-Slave-Prinzip lässt sich durch die Komponente eines Token ergänzen. Hinter dem Wort Token steht das Buszugriffsrecht, welches auch beim dezentral gesteuerten Buszugriff zum Tragen kommt. Neben der Token-Relevanz lässt sich dieses Buszugriffsverfahren auch zeitgesteuert durchführen. Bei diesen Prozessen wird der Bus nur in einem für jeden Teilnehmer exklusiv gewählten Zeitfenster zur Verfügung gestellt. Ist das Intervall abgelaufen, kann kein Zugriff mehr erfolgen. Dieser Mechanismus hat die Fachbezeichnung TDMA.

Die Abkürzung steht für den „Time Division Multiple Access“. Somit wird demnach jeder Botschaft ein fester Zeitschlitz eingeräumt, der nicht nur in der Regel bei allen Botschaften gleichlang ist, sondern auch zyklisch wiederkehrt. Doch damit dieses Verfahren funktionieren kann, bedarf es eines hohen Maßes an Synchronität aller Systeme.

Der FTDMA-Zugriff

Nicht nur das Master/Slave-Verfahren, TDMA und Token-Passing zählen zu den Varianten des deterministischen Buszugriffs. Auch der „Flexible Time Division Multiple Access“ zählt als die Weiterentwicklung vom „Time Division Multiple Access“ zu den wichtigsten Bezugspunkten bei dem vorhersehbar ablaufenden Zugriff auf ein Bussystem. Dieser Abkömmling von TDMA hat die sogenannten „Slot-Zähler“ als Grundlage. Hier basiert die Steuerung auf eben diesen Slots, die sich in den einzelnen Knoten des Netzwerks befinden. Beginnt ein Zyklus und solchen Datenpakete versendet werden, so werden diese Zähler zunächst einmal synchronisiert und anschließend gestartet. Der jeweilige Stand auf einem „Slot-Zähler“ steht hierbei stellvertretend für den Identifier der zu verschickenden Nachricht. Kommt es demnach als dazu, dass ein Zähler die bereits im Vorfeld festgelegte Kennung der Botschaft erreicht, so bekommt genau diese Nachricht im Moment des Erreichens den Zugriff auf den Bus. Wird die Nachricht dann losgeschickt, hören die Zähler auf zählen und stoppen abrupt. Besteht von Seiten der Botschaft jedoch kein Wunsch nach einer Übertragung, so muss eine kurze Zeit des Verweilens überbrückt werden. Ist diese Zeitspanne abgelaufen, wird der Vorgang mit dem nächsten Zählerstand fortgeführt. Dieser Mechanismus hat einen flexiblen und dynamischen Charakter inne, wodurch sich der Vorteil einer effektiveren Nutzung der Kapazität für eine Übertragung ergibt.