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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Sendeverfahren für eine Zeitreferenz über ein Übertragungsmedium,
wobei beim Zuführen
eines Synchronisationssignals zu einem Zeitgeberblock in ein Register
des Zeitgeberblocks ein Anfangswert eingespeichert wird und das
Register danach getaktet inkrementiert wird, wobei der Wert des
Registers aus dem Register ausgelesen wird, anhand des Wertes eine
Zeitreferenz ermittelt wird und die ermittelte Zeitreferenz von
der Sendeschaltung über
das Übertragungsmedium
gesendet wird.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Zeitgeberblock zur Durchführung des
oben genannten Sendeverfahrens.
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Die
oben stehend beschriebene Vorgehensweise wird z. B. beim Synchronisieren
von über
das SIMATIC-NET verbundenen Endgeräten angewendet.
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Zum
Synchronisieren von über
ein Übertragungsmedium
miteinander kommunizierenden Endgeräten ist es erforderlich, von
Zeit zu Zeit eine Zeitreferenz von dem einen Endgerät zum anderen
Endgerät
zu übertragen,
damit die Endgeräte
sich miteinander synchronisieren können. Die Synchronisation ist
dabei umso genauer, je genauer die tatsächliche Sendezeit bzw. Empfangszeit
mit der Zeitreferenz übereinstimmt.
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Bei
der Vorgehensweise des Standes der Technik treten im Wesentlichen
drei Fehlerquellen auf.
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Die
erste Fehlerquelle ist der Zeitversatz zwischen dem Eingang eines
Synchronisationssignals und dem Senden der Zeitreferenz über das Übertragungsmedium.
Diese Zeitverzögerung
ist im Stand der Technik variabel. Sie hängt insbesondere von der Verweildauer
des die Zeitreferenz enthaltenden Telegramms in der Sendewarteschlange
der Sendeschaltung ab.
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Im
Stand der Technik wird versucht, die Sendezeitverzögerung durch
entsprechende Priorisierung des Zeitreferenztelegramms niedrig zu
halten. Ferner wird das Telegramm aus der Sendewarteschlange entfernt,
wenn es nach einer vorbestimmten Wartezeit – z. B. einer Millisekunde – noch nicht gesendet
worden ist.
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Die
zweite Verzögerung
tritt durch die Trägheit
der verwendeten Sende- und Empfangsbausteine selbst sowie durch
die nur endliche Übertragungsgeschwindigkeit über das Übertragungsmedium
auf.
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Die
dritte Fehlerquelle ist die Empfangsverzögerungszeit, die zwischen dem
Ankommen des die Zeitreferenz enthaltenden Telegramms und dem Einspeichern
des Anfangswerts in das Register des Zeitgeberblocks verstreicht.
Im Stand der Technik ist auch diese Zeit variabel. Sie wird insbesondere
durch die Auslastung des Prozessors bestimmt. Auch hier wird versucht,
die Zeitverzögerung
durch geeignete Priorisierung des Zeitreferenztelegramms zu minimieren.
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Trotz
aller Bemühungen
des Standes der Technik lassen sich in der Regel Gangdifferenzen von
1 bis 2 ms nicht vermeiden.
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Aus
der US-A-5,408,506 ist bereits ein gattungsgemäßes Sendeverfahren bekannt,
bei dem von einer Sendeschaltung überwacht wird, ob das Übertragungsmedium
belegt ist, im Falle der Nichtbelegung an den Zeitgeberblock ein
Freigabesignal übermittelt
wird, der Wert des Registers erst nach dem Übermitteln des Freigabesignals
aus dem Register ausgelesen wird und zwischen dem Auslesen des Registers
und dem Senden der Zeitreferenz über das Übertragungsmedium
eine vorbestimmte Sendezeitverzögerung
liegt. Bei diesem Verfahren tauschen mehrere beteiligte Endgeräte untereinander ihre
Zeitstempel aus. Die empfangenden Endgeräte ermitteln jeweils die Abweichung
des empfangenen Zeitstempels von ihrer lokalen Zeit. In periodischen Intervallen
stellen die Endgeräte
dann anhand des Mittelwerts der im jeweiligen Intervall ermittelten
Abweichungen ihre lokalen Zeitgeber nach. Mit diesem Sendeverfahren
sind Synchronisationsgenauigkeiten von ca. 5 Millisekunden erreichbar.
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Auch
aus der WO-A-01/95550 ist ein Sendeverfahren für eine Zeitreferenz über ein Übertragungsmedium
bekannt. Bei diesem Sendeverfahren wird entweder das Synchronisationssignal
dem Zeitgeberblock zu vorbekannten Zeitpunkten vorgegeben oder es
wird über
das Übertragungsmedium
einer Empfangsschaltung und von dieser dem Zeitgeberblock zugeführt. Im
ersten Fall ist der Zeitwert eines Zeitstempels vorbestimmbar. Im
zweiten Fall enthält
das Synchronisationssignal eine Zeitreferenz, und der Zeitstempel
wird anhand der im Synchronisationssignal enthaltenen Zeitreferenz
ermittelt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Sendeverfahren
für eine
Zeitreferenz sowie den korrespondierenden Zeitgeberblock zur Verfügung zu
stellen, mittels derer auf einfache Weise eine hochgenaue Synchronisation
der Endgeräte möglich ist.
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Die
Aufgabe wird durch ein Sendeverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 bzw. ein Sendeverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
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Die
Aufgabe wird ferner durch einen Zeitgeberblock gelöst, der
für die
Durchführung
des erfindungsgemäßen Sendeverfahrens
angepasst ist.
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Es
wird also – im
Gegensatz zu den bisherigen Bestrebungen des Standes der Technik – die Verzögerung nicht
minimiert. Vielmehr wird dafür
gesorgt, dass die Verzögerung
bekannt ist. Denn dann ist es möglich,
die bekannte Verzögerung
sen de- und/oder empfangsseitig zu berücksichtigen. Dies gilt sogar
dann, wenn die Sendezeitverzögerung
erheblich größer als
die minimal erreichbare Verzögerung
ist. Entscheidend ist nur, dass die Sendezeitverzögerung bekannt
ist.
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In
der Regel sollte die Zeitreferenz mit dem ersten über das Übertragungsmedium übertragenen Bit
korrespondieren. Die Sendezeitverzögerung ist somit vorzugsweise
durch das Auslesen des Registers und den Beginn des Ausgebens der
Zeitreferenz bestimmt.
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Wenn
das Synchronisationssignal dem Zeitgeberblock zu vorbekannten Zeitpunkten
vorgegeben wird, ist es insbesondere möglich, dass der Anfangswert
derart bestimmt ist, dass durch ihn die Sendezeitverzögerung kompensiert
wird. Denn dann ist zur Bestimmung des Anfangswertes weder eine Kenntnis über die
Eigenschaften des Übertragungsmediums
noch über
die Eigenschaften des empfängerseitigen
Zeitgeberblocks erforderlich. Der Anfangswert kann dem Zeitgeberblock
z. B. vorgegeben werden.
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Wenn
das Synchronisationssignal dem Zeitgeberblock über das Übertragungsmedium zugeführt wird,
das Synchronisationssignal selbst bereits eine Zeitreferenz erhält und der
Anfangswert anhand der im Synchronisationssignal enthaltenen Zeitreferenz ermittelt
wird sowie zwischen dem Zuführen
des Synchronisationssignals und dem Einspeichern des Anfangswertes
eine vorbestimmte Empfangszeitverzögerung liegt, ist insbesondere
eine Synchronisation zu beliebigen Zeitpunkten möglich.
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In
diesem Fall sollte zum Ermitteln der korrekten Zeit vorzugsweise
die im Synchronisationssignal enthaltene Zeitreferenz in einer Korrekturschaltung
des Zeitgeberblocks um einen vorbestimmten Korrekturwert korrigiert
und die korrigierte Zeitreferenz als Anfangswert herangezogen werden.
Der Korrekturwert kann dabei derart bestimmt sein, dass durch ihn
die Empfangszeitverzögerung
kompensiert wird. Alternativ kann der Korrekturwert auch derart bestimmt
sein, dass durch ihn die Summe von Sendezeitverzögerung und Empfangszeitverzögerung kompensiert
wird.
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Die
Empfangszeitverzögerung
ist analog zur Sendezeitverzögerung
vorzugsweise durch den Beginn des Zuführens der Zeitreferenz und
das Einspeichern des Anfangswertes bestimmt. Der Korrekturwert kann
dabei dem Zeitgeberblock vorgegeben werden.
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Wenn
das Synchronisationssignal zusätzlich zur
Zeitreferenz eine Quell- und/oder Zieladresse enthält, ist
es möglich,
dass der Anfangswert nur dann in das Register eingespeichert wird,
wenn die Quelladresse mit einer Sollquelladresse und/oder die Zieladresse
mit einer Sollzieladresse übereinstimmt. Dadurch
ist eine selektive Synchronisierung nur bezüglich einer bestimmten Synchronisationssignalquelle
bzw. nur bezüglich
eines bestimmten Synchronisationsziels erreichbar. Die Sollquelladresse und/oder
die Sollzieladresse können
dabei beispielsweise der Empfangsschaltung vorgegeben werden, so
dass diese die Selektion ausführt.
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Wenn
das Synchronisationssignal zusätzlich zur
Zeitreferenz ferner eine Prüfinformation
für die Zeitreferenz
enthält,
ist es möglich,
dass der Anfangswert nur dann in das Register eingespeichert wird,
wenn die Zeitreferenz anhand der Prüfinformation als ordnungsgemäß ermittelt
wird. Ein Einspeichern unkorrekter Zeitreferenzen kann somit vermieden
werden.
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Die
Synchronisation kann, wenn bereits das zugeführte Synchronisationssignal
eine Zeitreferenz enthält,
insbesondere dadurch bewerkstelligt werden, dass ein Synchronisationspuls
ausgegeben wird, wenn der Wert des Registers einen vorbestimmten
Referenzwert erreicht.
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Vorzugsweise
ist das Sendeverfahren derart ausgestaltet, dass der Zeitgeberblock
seine Funktion selbst dynamisch festlegt. Dies kann insbesondere auf
folgende Weise erreicht werden:
- – Mit jedem
Einspeichern des Anfangswertes auf Grund einer über das Übertragungsmedium zugeführten Zeitreferenz
wird ein Zeitgeber gestartet;
- – der
Zeitgeberblock wird gemäß einem
Sendeverfahren betrieben, bei dem ihm ein Synchronisationssignal
mit Zeitreferenz zugeführt
wird, bis der Zeitgeber einen Grenzwert erreicht;
- – wenn
der Zeitgeber den Grenzwert erreicht, wird der Zeitgeberblock hingegen
gemäß einem
Sendeverfahren betrieben, bei dem das Synchronisationssignal dem
Zeitgeberblock zu vorbekannten Zeitpunkten vorgegeben wird.
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Ergänzend kann
der Zeitgeberblock wieder gemäß einem
Sendeverfahren betrieben werden, bei dem im Synchronisationssignal
eine Zeitreferenz enthalten ist, wenn ihm über das Übertragungsmedium wieder eine
Zeitreferenz zugeführt
wird.
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Beim
Senden der Zeitreferenz über
das Übertragungsmedium
ist es möglich,
den Wert des Registers (unverändert)
zu senden. Alternativ ist es aber auch möglich, den wert des Registers ters
in einer Korrekturschaltung des Zeitgeberblocks um einen vorbestimmten
Korrekturwert zu korrigieren und diesen Wert als Zeitreferenz über das Übertragungsmedium
zu senden. Analog zur Korrektur beim Zuführen der Zeitreferenz über das Übertragungsmedium
gibt es auch für
die Bestimmung dieses Korrekturwerts zwei Möglichkeiten. Zum einen kann
er derart bestimmt sein, dass durch die (ausschließlich) die Sendezeitverzögerung kompensiert
wird. Alternativ kann durch den Korrekturwert die Summe von Sendezeitverzögerung und
Empfangszeitverzögerung kompensiert
werden.
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Wenn
der Zeitgeberblock ein Anforderungssignal an die Sendeschaltung übermittelt,
die Sendeschaltung das Anforderungssignal abwartet und das Freigabesignal
erst nach Erhalt des Anforderungssignals an den Zeitgeberblock übermittelt,
wird das Übertragungsmedium
von der Sendeschaltung nur dann für die Übermittlung der Zeitreferenz
freigehalten, wenn auch eine Zeitreferenz zum Versenden zur Verfügung steht.
Der übrige
Datenverkehr wird also nur so wenig wie möglich beeinträchtigt.
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Wenn
im Rahmen des Sendeverfahrens von einer weiteren Sendeschaltung überwacht
wird, ob ein weiteres Übertragungsmedium
belegt ist, im Falle der Nichtbelegung an den Zeitgeberblock ein
weiteres Freigabesignal übermittelt
wird und der Wert des Registers erst nach dem Ermitteln auch des
weiteren Freigabesignals aus dem Register ausgelesen und von den
Sendeschaltungen die Zeitreferenz über die Übertragungsmedien gesendet
wird, ist bei mehreren – prinzipiell
voneinander unabhängigen – Übertragungsmedien
auf einfache Weise eine gleichzeitige Versendung der Zeitreferenz über die Übertragungsmedien
gewährleistet.
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Es
ist möglich,
die Zeitreferenz als solche direkt und unmittelbar über das Übertragungsmedium auszusenden.
Vorzugweise aber werden der Zeitreferenz vom senderseitigen Zeitgeberblock
zusätzliche
Informationen hinzugefügt.
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Insbesondere
ist es möglich,
dass die zusätzlichen
Informationen eine Quell- und/oder eine Zieladresse umfassen. Dadurch
ist es empfangsseitig beispielweise möglich, den Anfangswert nur
dann in das Register einzuspeichern, wenn die Quelladresse mit einer
Sollquelladresse und/oder die Zieladresse mit einer Sollzieladresse übereinstimmt.
Es ist also auf einfache Weise eine selektive Synchronisation realisierbar.
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Weiterhin
ist es möglich,
dass die zusätzlichen
Informationen eine Prioritäts-
und/oder eine Typinformation umfassen. In diesem Fall ist insbesondere
ein Aussondern des Zeitreferenztelegramms aus anderen über das Übertragungsmedium übertragenen
Daten leicht möglich.
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Auch
die zusätzlichen
Informationen können dem
Zeitgeberblock vorgegeben werden.
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Die
zusätzlichen
Informationen können
aber auch eine Prüfinformation
für die
Zeitreferenz umfassen. Wenn dies der Fall ist, ist es empfangsseitig
insbesondere möglich,
dass der Anfangswert nur dann in das Register eingespeichert wird,
wenn die Zeitreferenz anhand der Prüfinformation als ordnungsgemäß ermittelt
wird. Eine fehlerhafte Synchronisierung kann somit auf einfache
Weise vermieden werden. Die Prüfinformation
kann dabei eine Prüfinformation ausschließlich für die Zeitreferenz
als solche sein. Sie kann aber auch eine Prüfinformation für das gesamte über das Übertragungsmedium übertragene Zeitreferenztelegramm
sein.
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Die
einzige bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
nicht berücksichtigte
Verzögerung
ist die durch die Sende- und Empfangstreiber und das Übertragungsmedium
selbst hervorgerufene Zeitverzögerung.
Diese liegt in der Regel unterhalb von 10 μs, oftmals sogar unter 1 μs. Sie ist
daher in aller Regel tolerierbar. Prinzipiell wäre mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
aber auch diese Zeitverzögerung
durch die Sende- und
Empfangstreiber und das Übertragungsmedium
selbst kompensierbar.
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Der
Zeitgeberblock ist vorzugsweise mit der Sendeschaltung bzw. der
Empfangsschaltung direkt verbunden. Denn dadurch kann insbesondere
auf einfache Weise gewährleistet
werden, dass die Sende- bzw. Empfangszeitverzögerung vorbestimmbar ist. Aus
dem gleichen Grund ist auch der Zeitgeberblock selbst vorzugsweise
als festverdrahtete Schaltung ausgebildet.
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Wenn
im Falle einer festverdrahteten Schaltung der Zeitgeberblock als
elektronisch programmierbare Schaltung, z. B. als field programmable gate
array (FPGA) oder als electronically programmable logic device (EPLD),
ausgebildet ist, ist die Erstellung des Zeitgeberblocks besonders
einfach. Alternativ kann der Zeitgeberblock z. B. als ASIC ausgebildet
sein. Denn dann ist er insbesondere bei großen Stückzahlen kostengünstig herstellbar.
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Wenn
der Zeitgeberblock als Ethernet-Anschaltung ausgebildet ist, ist
er besonders vielseitig einsetzbar. Aber auch Ausgestaltungen für andere, insbesondere
leitungsgebundene Übertragungsmedien
sind denkbar und möglich.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung
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1 mehrere
in Linientopologie verbundene Endgeräte,
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2 ein
Endgerät
mit einer Netzwerkanschaltung,
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3A–3C eine
Verbindungsschaltung und eine Schnittstelle,
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4 ein
Datenpaket,
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5 ein
Ablaufdiagramm,
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6A–6D eine
Erweiterung der Verbindungsschaltung der 3A–3C,
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7 eine
Korrekturschaltung und
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8 ein
weiteres Ablaufdiagramm.
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Gemäß 1 sind
mehrere Endgeräte 1 über Netzwerkanschaltungen 2 und
Netzwerkleitungen 3 miteinander vernetzt. Die Vernetzung
zwischen den Endgeräten 1 erfolgt
beispielsweise gemäß dem Ethernet-Standard.
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Die
Endgeräte 1 weisen
in der Regel insbesondere eine intelligente Einheit 4,
z. B. einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor, und einen
media access Controller 5 (MAC 5) auf. Die intelligenten Einheiten 4 sind
mit den MACs 5 über
Adress-/Datenbusse 6 verbunden. Die MACs 5 sind
mit den internen Ports 8 der Netzwerkanschaltungen 2 verbunden.
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Die
internen Ports 8 sind als medienunabhängige Schnittstellen (MII =
media independent interface) ausgebildet. Die Endgeräte 1 sind
daher direkt an die internen Ports 8 anschaltbar.
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Die
Netzwerkleitungen 3 können
elektrische oder Lichtwellenleiter sein. Auch Mischformen sind möglich. Sie
sind über
Physical Layer Devices 7 an die Netzwerkanschaltungen 2 angeschaltet,
und zwar an externe Ports 9, 10 der Netzwerkanschaltungen 2.
Die Physical Layer Devices 7 beinhalten die Sendetreiber
für die
auszusendenden Daten sowie die Schwellwertwandler zum Binarisieren
der empfangenen Daten. Auch die externen Ports 9, 10 sind somit
als medienunabhängige
Schnittstellen (MII) ausgebildet.
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Wie
bereits aus 1 und noch deutlicher aus 2 ersichtlich
ist, sind die Leitungen, über
die von den Ports 8 bis 10 Daten versendet werden,
von den Leitungen verschieden, über
welche den Ports 8 bis 10 Daten zugeführt werden.
Die Ports 8 bis 10 werden also im Vollduplex-Betrieb
betrieben, also unter gleichzeitigem Senden und Empfangen von Daten.
Dies ist insbesondere aufgrund des Fehlens eines zwischengeschalteten
MACs von Vorteil.
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Das
Senden bzw. Empfangen der Daten erfolgt mit einem Übertragungstakt
von z. B. 100 MHz. Intern arbeitet die Verbindungsschaltung 11 mit
einem internen Takt, der niedriger als der Übertragungstakt ist. Der interne
Takt ist z. B. nur 25 MHz.
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Wie
ferner aus den 1 und 2 ersichtlich
ist, weisen die Netzwerkanschaltungen 2 außer den
bereits erwähnten
Ports 8 bis 10 keine weiteren Ports zum Datenaustausch
mit dem Netzwerk auf. Es sind also genau drei Ports 8 bis 10 vorhanden.
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Die
Ports 8 bis 10 sind gemäß 2 über eine
Verbindungsschaltung 11 miteinander verschaltet. Die Verbindungsschaltung 11 arbeitet
dabei nicht ein Softwareprogramm ab, sondern ist als festverdrahtete
Verbindungsschaltung 11 ausgebildet. Sie enthält die Steuerwerke,
die Zwischenspeicher und die Verbindungsleitungen für die Ports 8 bis 10.
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Der
Netzwerkanschaltung 2 ist eine Stromversorgungseinrichtung 12 zugeordnet.
Die Stromversorgungseinrichtung 12 kann z. B. mit Versorgungsleitungen 13 verbunden
sein, über
die das Endgerät 1 mit
elektrischer Energie versorgt wird. In diesem Fall ist die Netzwerkanschaltung 2 also
vom Endgerät 1 aus
mit elektrischer Energie versorgbar.
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Alternativ
oder zusätzlich
ist es aber auch möglich,
die Netzwerkanschaltung 2 unabhängig vom Endgerät 1 mit
elektrischer Energie zu versorgen. Insbesondere ist, wie in 2 dargestellt,
eine Versorgung über
die Netzwerkleitungen 3 möglich. Es ist sogar möglich, der
Stromversorgungseinrichtung 12 auf beiden Wegen elektrische
Energie zuzuführen.
In diesem Fall weist die Stromversorgungseinrichtung 12 vorzugsweise
eine Überwachungsschaltung
auf, mittels derer bei Zusammenbruch der Stromversorgung über die
Versorgungsleitungen 13 auf die alternative Stromversorgung,
beispielsweise über
die Netzwerkleitungen 3, umgeschaltet wird.
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Die
Netzwerkanschaltung 2 weist ferner eine Schnittstellenschaltung 14 auf. Über diese
Schnittstellenschaltung 14 ist insbesondere die Verbindungsschaltung 11 parametrierbar.
Hierauf wird später
noch näher
eingegangen werden.
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Die
Netzwerkanschaltung 2 kann, wie in 2 durch
eine gestrichelte Umrahmung mit entsprechender Beschriftung angedeutet
ist, als field programmable gate array (FPGA) oder als electronically
programmable logic device (EPLD) ausgebildet sein. Sie ist in diesem
Fall also als elektronisch programmierbare Schaltung 11 ausgebildet.
Prinzipiell könnte
die Verbindungsschaltung 11 aber auch als nicht weiter
programmierbare Schaltung ausgebildet sein, z. B. als integrierter
Schaltkreis, insbesondere als ASIC. Die Stromversorgungseinrichtung 12 ist dabei,
wie ebenfalls in 2 dargestellt, außerhalb des
Schaltkreises angeordnet.
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Der
interne Aufbau der Verbindungsschaltung 11 wird nunmehr
nachstehend in Verbindung mit den 3A bis 3C näher erläutert, die
Funktionsweise der Verbindungsschaltung 11 in Verbindung
mit 5. Ergänzend
wird dabei auch der Aufbau eines typischen Datenpakets herangezogen,
wie er in 4 dargestellt ist.
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Gemäß 3 weist die Verbindungsschaltung 11 einen
internen Block 15 und zwei externe Blöcke 16, 17 auf.
Die Blöcke 15 bis 17 sind
dabei – siehe 2 – alle innerhalb
der Verbindungsschaltung 11 angeordnet. Der interne Block 15 ist
aber dem internen Port 8 zugeordnet (daher die Bezeichnung
als interner Block), die externen Blöcke 16, 17 den
externen Ports 9, 10 (daher die Bezeichnung als externe
Blöcke).
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Wenn
der Netzwerkanschaltung 2 vom Endgerät 1 über den
internen Port 8 ein Datenpaket zugeführt werden soll, geschieht
dies wie folgt:
Einer Empfangsmaschine 18 des internen
Blocks 15 wird über
ein UND-Gatter 19 die entsprechende logische Verknüpfung zweier
Freigabebits zugeführt.
Je eines der Freigabebits stammt dabei von je einem der externen
Blöcke 16, 17.
Die Freigabebits werden von Sendemaschinen 20, 21 der
externen Blöcke 16, 17 auf
logisch Eins gesetzt, wenn Zwischenspeicher 22, 23 leer
sind. Die Zwischenspeicher 22, 23 sind dabei nach
dem FIFO-Prinzip (FIFO = first-in-first-out) organisiert.
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Wenn
beide Zwischenspeicher 22, 23 leer sind, nimmt
die Empfangsmaschine 18 vom Endgerät 1 ein Datenpaket
entgegen und leitet es über
einen Datenausgang 24 und Dateneingänge 25, 26 den
Zwischenspeichern 22, 23 zu. Die Datenübertragung
erfolgt dabei z. B. in sogenannten Nibblen, also in Gruppen von
je 4 Bit. Das Datenpaket wird also in die Zwischenspeicher 22, 23 eingeschrieben.
Die Zwischenspeicher 22, 23 dienen also zum Zwischenspeichern
von Datenpaketen, die der Netzwerkanschaltung 2 über den
internen Port 8 zugeführt
werden. Auf Grund des Umstands, dass die Datenpakete dabei erst
dann in die Zwischenspeicher 22, 23 eingeschrieben
werden, wenn die Zwischenspeicher 22, 23 zuvor
geleert wurden, ist dabei zu jedem Zeitpunkt in die Zwischenspeicher 22, 23 nur
ein einziges Datenpaket einspeicherbar. Weitere Datenpakete werden,
soweit erforderlich, vom Endgerät 1 verwaltet.
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Den
Zwischenspeichern 22, 23 sind Belegungsermittler 27, 28 zugeordnet.
Die Belegungsermittler 27, 28 ermitteln zum einen,
ob die Zwischenspeicher 22, 23 belegt sind, ob
in ihnen also zu sendende Daten abgespeichert sind. Wenn dies der
Fall ist, wird eine entsprechende Information an die Sendemaschinen 20, 21 gegeben,
welche daraufhin die Freigabebits zurücksetzen. Ferner ermitteln
die Belegungsermittler 27, 28, ob folgende Bedingungen
erfüllt
sind:
- a) Das Datenpaket ist vollständig in
die Zwischenspeicher 22, 23 eingeschrieben.
- b) Die in die Zwischenspeicher 22, 23 eingeschriebenen
Daten des Datenpakets haben eine Mindestgröße von z. B. 50 Byte erreicht.
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Sowie
eine dieser beiden Bedingungen erfüllt ist (ODER-Verknüpfung), übermitteln
die Belegungsermittler 27, 28 ein Sendebereitschaftsbit
an die Sendemaschinen 20, 21.
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Schließlich ermitteln
die Belegungsermittler 27, 28 durch Analysieren
des Datenpakets noch dessen Priorität. Wenn das Datenpaket als
hochprior erkannt wird, wird ein Prioritätsbit, das an die Sendemaschinen 20, 21 übermittelt
wird, auf Eins gesetzt.
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Die
Frage, ob das in die Zwischenspeicher 22, 23 – vollständig oder
teilweise – eingespeicherte Datenpaket
nunmehr sofort und unmittelbar gesendet wird, hängt von einer Vielzahl von
Umständen
ab, auf die später
noch eingegangen wird. Bereits an dieser Stelle sei aber erwähnt, dass – wenn die
weiteren Sendebedingungen erfüllt
sind – mit
dem Ausgeben der Daten des Datenpakets über die externen Ports 9, 10 begonnen
wird, sowie das Sendebereitschaftsbit gesetzt ist. Es wird also
nicht abgewartet, bis das Datenpaket vollständig in die Zwischenspeicher 22, 23 eingespeichert
ist. Vielmehr ist die Verbindungsschaltung 11 derart ausgebildet,
dass die Daten des Datenpakets bereits vor dem vollständigen Zuführen des
Datenpakets über
die externen Ports 9, 10 ausgegeben werden. Etwas
anderes gilt nur für
extrem kleine Datenpakete, deren Gesamtgröße unter der Mindestgröße von z.
B. 50 Byte liegt.
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Das
Ausgeben wird aber nicht bereits mit dem ersten eingespeicherten
Bit, Nibble oder Byte gestartet. Es wird abgewartet, bis in den
Zwischenspeichern 22, 23 – zumindest bei längeren Datenpaketen – die Mindestanzahl
von Daten hinterlegt ist.
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Die
oben stehend beschriebene Vorgehensweise, mit dem Ausgeben von Daten
des Datenpakets zu beginnen, sowie alternativ das Datenpaket vollständig in
die Zwischenspeicher 22, 23 eingespeichert ist
oder aber die in die Zwischenspeicher 22, 23 eingespeicherten
Daten des Datenpakets eine Mindestgröße erreicht haben, gilt selbstverständlich bezüglich beider
externer Ports 9, 10. Sie gilt umgekehrt auch,
wenn der Netzwerkanschaltung 2 über einen der externen Ports 9, 10 Daten
zugeführt
werden, die dann an den internen Port 8 und/oder den anderen externen
Port 10, 9 weiterzuleiten und dort auszugeben
sind.
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Aus
den oben stehenden Ausführungen
ist insbesondere auch ersichtlich, dass die Verbindungsschaltung 11 derart
ausgebildet ist, dass das Datenpaket stets über beide externe Ports 9, 10 ausgeben
wird, wenn das Datenpaket der Netzwerkanschaltung 2 über den
internen Port 8 zugeführt
wird.
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Wenn
umgekehrt dem internen Block 15 der Netzwerkanschaltung 2 ein
Datenpaket zugeführt wird,
das der Netzwerkanschaltung 2 über einen der externen Ports 9, 10 zugeführt wird,
geschieht dies wie folgt:
Wie aus 4 ersichtlich
ist, weist das Datenpaket eine Zieladresse und eine Quelladresse
auf. Die Quelladresse ist stets eine eindeutige Einzeladresse. Die
Zieladresse kann eine Einzeladresse sein. Sie kann aber auch eine
Mehrfachadresse sein, die für mehrere
oder sogar für
alle Endgeräte 1 gültig ist.
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Der
interne Block 15 weist gemäß 3A Adressextraktoren 29 und
einen Adressvergleicher 30 auf. Die Adressextraktoren 29 extrahieren
aus den ihnen zugeführten
Datenpaketen zunächst
die Zieladresse. Die Zieladresse wird dem Adressvergleicher 30 zugeführt. Der
Adressvergleicher 30 vergleicht die Zieladresse mit (mindestens)
einer intern hinterlegten Filteradresse. Wenn die extrahierte Zieladresse
dieser Filteradresse bzw. einer der Filteradressen entspricht, übermittelt
der Adressvergleicher 30 ein Freigabebit an den übermittelnden
Extraktor 29. Nur in diesem Fall wird das zugeführte Datenpaket
an einen internen Datenwegermittler 31 weitergegeben. Ansonsten
wird es nicht weitergeleitet und somit also insbesondere auch vom
internen Port 8 ferngehalten.
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Die
Prüfung
im Adressvergleicher 30 umfasst insbesondere eine Prüfung, ob
die Zieladresse mit der Filteradresse identisch ist. Sie umfasst
ferner eine Prüfung,
ob die Zieladresse, falls sie eine Mehrfachadresse ist, die Filteradresse
mit umfasst. Gegebenenfalls sind noch weitere Prüfungen nach Typ und/oder Funktion
des Datenpakets möglich.
Dies ist aber nicht erforderlich.
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Im
Ergebnis wird also das Datenpaket nur dann über den internen Port 8 ausgegeben,
wenn die Zieladresse des Datenpakets eine Durchschaltbedingung,
nachstehend Endgeräte-Durchschaltbedingung
genannt, erfüllt.
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Das
Extrahieren der Zieladresse und das Überprüfen der Zieladresse benötigen Zeit.
Während dieser
Zeit werden dem internen Block 15 über seinen entsprechenden Dateneingang 32 weiterhin
Daten zugeführt.
Der interne Block 15 und damit auch die Verbindungsschaltung 11 weist
daher einen Zwischenspeicher 33 auf, in dem diese Daten
zwischengespeichert werden, bis die Prüfung, ob die Endgeräte-Durchschaltbedingung
erfüllt
ist, abgeschlossen ist. Dieser Zwischenspeicher 33 kann
relativ klein ausgebildet sein. Er ist vorzugsweise als FIFO-Speicher organisiert.
Er wird also zyklisch beschrieben und ausgelesen.
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Da
der Datenverkehr über
die Ports 8 bis 10 unabhängig voneinander abläuft, ist
es möglich,
dass dem internen Block 15 über beide Dateneingänge 32 gleichzeitig
Daten zugeführt
werden. Der Datenwegermittler 31 überprüft daher, wenn ihm Daten von
einem der Adressextraktoren 29 zugeführt werden, ob ihm auch bereits
vom anderen Adressextraktor 29 Daten zugeführt werden
und wohin er diese Daten ausgibt. Wenn der Datenwegermittler 31 diese
anderen Daten bereits direkt an eine Sendemaschine 34 des
internen Blocks 15 ausgibt, speichert er die später empfangenen
Daten des anderen Dateneingangs 32 in einem Zwischenspeicher 35 ab.
Anderenfalls gibt er sie direkt an die Sendemaschine 34 weiter. Der
Zwischenspeicher 35 ist ebenfalls nach dem FIFO-Prinzip
organisiert. Er kann dabei, wie in 3A angedeutet,
zu einem Zeitpunkt mehr als ein Datenpaket zwischenspeichern. Es
ist in diesen Zwischenspeicher 35 also mehr als ein Datenpaket
einspeicherbar.
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In ähnlicher
Weise können,
wie in 3B gestrichelt angedeutet, auch
die externen Blöcke 16, 17 Adressextraktoren 36 und
Adressvergleicher 37 aufweisen. In diesem Fall vergleicht
der Adressvergleicher 37 die Zieladresse mit der Filteradresse
aber ausschließlich
auf Identität
und invertiert dann das Vergleichsergebnis. Der Adressextraktor 36 leitet
das Datenpaket, das ihm vom anderen externen Port (z. B. dem Port 10)
zugeführt
wird, also nur dann an die Sendemaschine 20 weiter, wenn
dieses Datenpaket nicht bzw. nicht ausschließlich für das angeschlossene Endgerät 1 bestimmt
ist. In diesem Fall ist also eine Netzwerk-Durchschaltbedingung
erfüllt.
-
Zur
Vereinfachung des Schaltungsaufwands ist es möglich, zur Überprüfung, ob die Netzwerk-Durchschaltbedingung
erfüllt
ist, den Adressvergleicher 30 des internen Blocks 15 zu
verwenden und nur das entsprechende Freigabebit an einen Zwischenspeicher 38 zu übermitteln,
der – ebenso
wie der Zwischenspeicher 33 – die Daten zwischenspeichert,
bis die Prüfung
auf die Netzwerk-Durchschaltbedingung abgeschlossen ist.
-
Alternativ
oder zusätzlich
zur Zieladresse können
die Adressextraktoren 29 des internen Blocks 15 bzw.
die Adressextraktoren 36 der externen Blöcke 16, 17 auch
die Quelladresse extrahieren und an die Adressvergleicher 30, 37 übermitteln.
In diesem Fall überprüfen die
Adressvergleicher 30, 37 die Quelladresse mit
der Filteradresse (bzw. einer der Filteradressen). Wenn die Quelladresse
von der Filteradresse verschieden ist, ist eine Quell-Durchschaltbedingung
erfüllt.
Ansonsten wird das Datenpaket sowohl vom Adressextraktor 29 als
auch vom Adressextraktor 36 nicht weitergeleitet. Kreisläufer bei
den Datenpaketen können
somit ausgefiltert werden.
-
Auch
bezüglich
des Prüfens
auf die Quell-Durchschaltbedingung ist selbstverständlich eine
Zwischenspeicherung in den Zwischenspeichern 33, 38 bis
zum Abschließen
dieser Prüfung
erforderlich.
-
Wie
in den 3A und 3B durch
gestricheltes Durchkreuzen angedeutet ist, können in einer vereinfachten
Version der Verbindungsschaltung 11 die Adressextraktoren 29, 36 und
die Adressvergleicher 30, 37 entfallen. In diesem
Fall werden Datenpakete, die der Netzwerkanschaltung 2 über einen
der externen Ports 9, 10 zugeführt werden, stets über den
internen Port 8 und den anderen externen Port 10, 9 ausgegeben.
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Wie
oben stehend ausgeführt,
sind die Ports 8 bis 10 im Vollduplex-Betrieb
betreibbar. Es ist also bei jedem Port ein gleichzeitiges Senden
und Empfangen möglich.
Wenn nun einer der Ports 8 bis 10 – z. B.
der interne Port 8 – gleichzeitig
Daten eines Datenpakets ausgibt und Daten eines anderen Datenpakets
entgegennimmt, dann werden ihm also Daten von einem zweiten Port,
z. B. dem externen Port 9 zugeführt, nämlich die Daten, die er selbst
z. B. über seine
Sendemaschine 34 ausgibt. Diese Daten werden – zumindest
in der Regel – auch
dem dritten Port bzw. Block, hier dem externen Port 10 bzw.
dem externen Block 17, zugeführt. Diesem Port 10 bzw. Block 17 werden
aber auch die Daten zugeführt,
die der erstgenannte Port (im gegebenen Beispiel der interne Port 8)
empfängt.
Der betreffende Block – hier der
Block 17 – muss
also gleichzeitig Daten von den beiden anderen Blöcken 15, 16 entgegen
nehmen. Der Block 17 kann aber – logischerweise – über den Port 10,
dem er zugeordnet ist, nur die Daten eines einzigen Da tenpakets
ausgeben. Um in einem derartigen Fall einen Datenverlust zu vermeiden,
weist daher jeder der Blöcke 15 bis 17 mindestens
einen Zwischenspeicher 22, 23, 35, 39 und 40 auf.
In diesen Zwischenspeichern 22, 23, 35, 39 und 40 werden
Datenpakete, die nicht sofort ausgegeben werden, zwischengespeichert.
-
Wie
aus 3A ersichtlich ist, weist der interne Block 15 einen
einzigen derartigen Zwischenspeicher auf, nämlich den Zwischenspeicher 35.
In diesen Zwischenspeicher 35 ist, wie bereits erwähnt, mehr
als ein Datenpaket einspeicherbar.
-
Die
externen Blöcke 16, 17 weisen
jeweils zwei derartige Zwischenspeicher auf, nämlich zum einen die Zwischenspeicher 22 und 39 für den externen
Block 16 und zum anderen die Zwischenspeicher 23 und 40 für den externen
Block 17. Die Zwischenspeicher 22, 23 dienen,
wie ebenfalls bereits erwähnt,
zum Zwischenspeichern maximal eines Datenpakets, das den externen
Blöcken 16, 17 über den internen
Port 8 zugeführt
wird. Die Zwischenspeicher 39 und 40 hingegen
dienen zum Zwischenspeichern von Datenpaketen, die der Netzwerkanschaltung 2 über den
jeweils anderen externen Port 10, 9 zugeführt werden.
In diese Zwischenspeicher 39, 40 ist, wie in den 3B und 3C angedeutet,
mehr als ein Datenpaket einspeicherbar.
-
Gegebenenfalls
könnten
die Blöcke 15 bis 17 auch
weitere, in den FIG nicht dargestellte Zwischenspeicher aufweisen.
Beispielsweise könnten
die Zwischenspeicher 39, 40 in mehrere parallel
geschaltete FIFO-Speicher aufgeteilt sein. Dadurch könnte auf relativ
einfache Weise eine Priorisierung innerhalb der über den anderen externen Port 9, 10 zugeführten Datenpakete
erfolgen.
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Die
Funktionsweise der Sendemaschine 20 des externen Blocks 16 wird
nunmehr nachstehend in Verbindung mit 5 näher erläutert. Die
Sendemaschine 21 des anderen externen Blocks 17 arbeitet
ein identisches Verfahren ab.
-
Gemäß 5 sendet
die Sendemaschine 20 in einem Schritt 41 Daten
eines Datenpakets über den
externen Port 9, dem sie zugeordnet ist, aus. Sodann überprüft sie in
einem Schritt 42, ob das Datenpaket vollständig gesendet
wurde. Wenn dies nicht der Fall ist, kehrt sie zum Schritt 41 zurück. Anderenfalls
führt sie
einen Schritt 43 aus, in dem ein Zeitregister auf den Wert
Null gesetzt wird.
-
Nach
dem Schritt 43 prüft
die Sendemaschine 20 in einem Schritt 44, ob der
Wert des Zeitregisters eine erste Mindestpause T1 erreicht hat.
Wenn dies nicht der Fall ist, wird der Schritt 44 – zu einem etwas
späteren
Zeitpunkt, also mit einem etwas höheren Wert des Zeitregisters – wiederholt.
-
Wenn
der Wert des Zeitregisters die erste Mindestpause T1 überschritten
hat, wird vom Schritt 44 zu einem Schritt 45 verzweigt.
Dort wird – durch Überprüfen der
vom Belegungsermittler 27 übermittelten Bits – überprüft, ob hochpriore
Daten vom internen Port 8 zum Aussenden anstehen. Wenn
diese Prüfung
positiv verläuft,
wird in einem Schritt 46 mit dem Senden dieser Daten begonnen
und zum Schritt 41 verzweigt.
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Wenn
im Schritt 45 hingegen entschieden wurde, dass keine hochprioren
Daten vom internen Port 8 zum Senden anstehen, wird zu
einem Schritt 47 verzweigt. Im Schritt 47 wird überprüft, ob das Zeitregister
eine zweite Mindestpause T2 überschritten
hat. Die zweite Mindestpause T2 ist dabei größer als die erste Mindestpause
T1.
-
Wenn
die zweite Mindestpause T2 nicht überschritten ist, wird zum
Schritt 44 zurückgesprungen.
Wenn die zweite Mindestpause T2 überschritten ist,
wird in einem Schritt 48 überprüft, ob Daten vom anderen externen
Port 10 zum Aussenden anstehen. Wenn dies der Fall ist,
wird in einem Schritt 49 mit dem Senden dieser Daten begonnen
und sodann zum Schritt 41 verzweigt.
-
Wenn
hingegen keine Daten vom anderen externen Port 10 zum Aussenden
anstehen, wird in einem Schritt 50 überprüft, ob der Inhalt des Zeitregisters
eine dritte Mindestpause T3 überschritten
hat. Die dritte Mindestpause T3 ist dabei größer als die zweite Mindestpause
T2.
-
Wenn
die dritte Mindestpause T3 nicht überschritten ist, wird zum
Schritt 44 verzweigt. Anderenfalls wird in einem Schritt 51 überprüft, ob – nunmehr niederpriore – Daten
vom internen Port 8 zum Aussenden anstehen. Wenn dies nicht
der Fall ist, wird zum Schritt 44 verzweigt. Wenn hingegen
Daten vom internen Port 8 zum Aussenden anstehen, wird
in einem Schritt 52 mit dem Senden dieser Daten begonnen
und zum Schritt 41 verzweigt.
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Den
Datenpaketen sind also Prioritäten
zugeordnet. Die Sendemaschinen 20, 21 erfüllen die Funktion
von Paketsteuerelementen, mittels derer stets das höchstpriore
Datenpaket zuerst ausgegeben wird, wenn von dem jeweiligen externen
Block 16, 17 mehrere Datenpakete prinzipiell ausgebbar sind.
Dabei ist den Datenpaketen, die der Netzwerkanschaltung 2 über den
internen Port 8 zugeführt werden,
alternativ eine hohe oder eine niedrige Priorität zugeordnet. Den Datenpaketen,
die der Netzwerkanschaltung 2 über den jeweils anderen externen
Port 10, 9 zugeführt werden, ist eine mittlere
Priorität
zugeordnet.
-
Darüber hinaus
werden die den externen Ports 9, 10 zuzuführenden
Datenpakete von den Sendemaschinen 20, 21 derart
verzögert,
dass zwischen dem Ende eines bereits ausgegebenen Datenpakets und
dem Anfang des nächsten
Datenpakets eine Mindestpause, nämlich
eine der Mindestpausen T1 bis T3, liegt. Die Mindestpause T1 bis
T3 ist dabei ersichtlich von der Priorität des zu sendenden Datenpakets
abhängig.
Ferner hängt
die Priorität
und damit indirekt auch die Mindestpause T1 bis T3 auch davon ab,
ob das zu sendende Datenpaket der Netzwerkanschaltung 2 über den
internen Port 8 oder den anderen ex ternen Port 10, 9 zugeführt wurde.
Die Mindestpause T1 bis T3 ist dabei um so größer, je geringer die Priorität des zu
sendenden Datenpakets ist.
-
Bereits
oben stehend wurde erwähnt,
dass die Verbindungsschaltung 11 nicht eine prozessorgesteuerte
Schaltung ist, die ein Softwareprogramm ausführt, sondern eine festverdrahtete
Schaltung. Zur Sicherheit wird aber nochmals darauf hingewiesen,
dass auch die Sendemaschinen 20, 21 die oben stehend
in Verbindung mit 5 beschriebene Schrittfolge
nicht durch Abarbeiten eines Softwareprogramms realisieren, sondern
durch eine schaltungstechnische Ausbildung der Sendemaschinen 20, 21.
Das Wort „Maschine" ist daher im vorliegenden
Fall im Sinne einer Turing-Maschine zu verstehen. Auch die anderen
Elemente der Verbindungsschaltung 11, beispielsweise die
Empfangsmaschine 18, die Belegungsermittler 27, 28,
die Adressextraktoren 29, 36 und auch die Adressvergleicher 30, 37 arbeiten
stets nicht ein Softwareprogramm ab, sondern sind schaltungstechnisch
derart ausgestaltet, dass sie die erforderliche Funktionalität realisieren.
-
Wie
bereits erwähnt,
weist die Netzwerkanschaltung 2 eine Schnittstellenschaltung 14 auf,
mittels derer die Verbindungsschaltung 11 parametrierbar
ist. Die Parametrierung der Verbindungsschaltung 11 umfasst
insbesondere die Vorgabe der Filteradressen, die den Adressvergleichern 30, 37 zugeführt werden,
sowie die Mindestpausen T1 bis T3. Gegebenenfalls können auch
weitere Parameter eingestellt werden. Beispielsweise können einzelne Ports,
insbesondere alternativ einer der beiden externen Ports 9, 10,
abschaltbar sein.
-
In
den 6A bis 6D ist
eine Erweiterung der Netzwerkanschaltung 2 der 3A bis 3C dargestellt.
Der wesentliche Unterschied zur Darstellung der 3A bis 3C besteht
darin, dass die Netzwerkanschaltung 2 der 6A bis 6D zusätzlich zu
den Blöcken 15 bis 17 einen Zeitgeberblock 53 aufweist.
Der Zeitgeberblock 53 dient der Synchronisierung des an
die Netzwerkanschaltung 2 angeschlossenen Endgeräts 1 mit
anderen Endgeräten 1.
-
Der
interne Block 15 ist in 6A dargestellt.
Es ist gegenüber 3A unverändert geblieben.
Bezüglich
des internen Blocks 15 sind daher keine weiteren Ausführungen
erforderlich.
-
Die
externen Blöcke 16, 17 hingegen
weisen zusätzliche
Elemente auf. So weisen die externen Blöcke 16, 17 insbesondere
empfangsseitige Paketselektoren 54, 55 auf. Mittels
dieser Paketselektoren 54, 55 wird geprüft, ob ein
dem jeweiligen externen Port 9, 10 zugeführtes Datenpaket
ein Zeit-Datenpaket ist. Ist das Datenpaket kein Zeit-Datenpaket,
wird es auf normale Datenausgänge 56, 57 der
externen Blöcke 16, 17 durchgeschaltet.
Wenn es hingegen ein Zeit-Datenpaket ist, wird es auf Zeitausgänge 58, 59 der
externen Blöcke 16, 17 durchgeschaltet.
-
Ein
empfangenes Zeit-Datenpaket wird über den entsprechenden Zeitausgang 58 bzw. 59 dem korrespondierenden
Zeiteingang 60 bzw. 61 des Zeitgeberblocks 53 zugeführt. Von
dem jeweiligen Zeiteingang 60 bzw. 61 wird es
einem Zeitstempelgenerator 62 zugeführt. Dieser kann anhand des
zugeführten
Zeitdatenpakets die Zeit ermitteln. Zur korrekten Ermittlung der
Zeit wird dabei dem Zeitstempelgenerator 62 über die
Schnittstellenschaltung 14 ein Korrekturwert zugeführt. Der
Korrekturwert ist also parametrierbar. Er dient der Berücksichtigung
der Zeit (Empfangszeitverzögerung
T4), die der Zeitstempelgenerator 62 benötigt, um
aus der übermittelten
Zeit den Anfangswert zu berechnen und in einen Zeitzähler 63 einzuspeichern.
-
Das
Zuführen
eines Zeitdatenpakets zum Zeitgeberblock 53 erfolgt dabei
auf die gleiche Weise wie das Zuführen eines Datenpakets zum
internen Port 8. Auch die Daten der Zeitdatenpakete werden also
bereits vor dem vollständigen
Zuführen dieser Datenpakete
zu den externen Ports 9, 10 an den Zeitgeberblock 53 weitergeleitet.
-
Ebenso
wie der interne Block 15 und die externen Blöcke 16, 17 ist
auch der Zeitgeberblock 53 Bestandteil der Verbindungsschaltung 11.
Er ist somit ebenfalls als Hardware-Schaltung ausgebildet, in eine Ethernet-Anschaltung
integriert, gegebenenfalls in einen ASIC integriert oder gegebenenfalls
auch Teil des FPGA bzw. EPLD. Es wird also kein Softwareprogramm
abgearbeitet. Die Zeit, die benötigt wird,
um aus dem Zeitdatenpaket die korrekte Zeit zu ermitteln und an
den Zeitzähler 63 weiterzuleiten,
ist daher vorab ermittelbar. Dadurch ist eine hochgenaue Korrektur
im Zeitstempelgenerator 62 möglich. Auf Grund der hochgenauen
Korrektur ist es ferner möglich,
dass der Zeitzähler 63 bei
jedem Erreichen eines Referenzwerts – z. B. einmal pro Sekunde – ein hochgenaues
Zeitsignal PPS über
die Schnittstellenschaltung 14 an das Endgerät 1 ausgibt.
-
Die
oben stehend beschriebene Vorgehensweise wird ausgeführt, wenn
das angeschlossene Endgerät 1 als
abhängiges
Endgerät
(Slave) betrieben wird, dem die Zeitreferenz über das Übertragungsmedium 3 vorgegeben
wird. Hierzu wird ein Modusregister der Schnittstellenschaltung 14 entsprechend
geladen. Der Inhalt dieses Registers legt beispielsweise fest, ob
das angeschlossene Endgerät 1 abhängig oder
unabhängig
ist. Ferner kann festgelegt sein, über welchen der externen Ports 9, 10 gegebenenfalls
ein Zeitdatenpaket empfangen wird und über welchen ein Zeitdatenpaket
gesendet wird.
-
Über ein
Zeitadressenregister kann ferner – z. B. durch Vorgabe an die
Paketselektoren 54, 55 – vorgegeben werden, welche
Datenpakete als Zeitdatenpakete erkannt und behandelt werden.
-
Wenn
der Zeitgeberblock 53 als Master betrieben werden soll,
wird dem Zeitstempelgenerator 62 zu vorbekannten Zeitpunkten, z.
B. jede Sekunde, das hochgenaue Zeitsignal PPS über die Schnittstellenschaltung 14 zugeführt. Mit
dem Eintreffen dieses Zeitsignals PPS wird der Zeitzähler 63 jeweils
mit einem vorbestimmten Anfangswert geladen und neu gestartet. Der
Zeitzähler 63 übermittelt
daraufhin ein Anforderungssignal an eine Zeitsendesteuerung 64. Diese
fragt bei einer der Sendemaschinen 20, 21, eventuell
auch bei beiden Sendemaschinen 20, 21, ab, ob
diese ein Zeittelegramm sofort und ohne Verzögerung aussenden können. Er
wartet entsprechende Bestätigungen
von den Sendemaschinen 20, 21 ab.
-
Die
Sendemaschinen 20, 21 überwachen, ob sie anderweitig
ein Datenpaket senden. Sie überwachen
also, ob das Übertragungsmedium 3,
das heißt die
Leitungen 3, belegt sind. Sie senden ihre Bestätigungen
erst ab, wenn die Leitungen 3 frei sind.
-
Eine
derartige Vorgehensweise ist allgemein als Handshake bekannt und
wird daher nachstehend nicht näher
beschrieben.
-
Wenn
die Sendemaschinen 20, 21 der Zeitsendesteuerung 64 ihre
Sendebereitschaft angezeigt haben, übermittelt diese einem Zeitdatenpaketgenerator 65 ein
Startsignal. Dieser liest daraufhin vom Zeitzähler 63 den momentanen
Zählerstand
ein. Den Zählerstand
fügt er
in ein Zeitdatenpaket ein und sendet dieses über einen Zeitausgang 66 an
Zeiteingänge 67 und/oder 68 der
externen Blöcke 16, 17 und
von dort weiter zu den Sendemaschinen 20 bzw. 21.
Der Zählerstand
kann, falls erforderlich, vor dem Einfügen in das Zeitdatenpaket um
einen Korrekturwert korrigiert werden. Die Korrektur kann in einer Korrekturschaltung – ebenso
wie beim Empfang einer Zeitreferenz – erfolgen. Damit kann insbesondere eine
Sendezeitverzögerung
T5 kompensiert werden.
-
Die
Sendemaschinen 20, 21 geben dann das ihnen zugeführte Zeitdatenpaket
aus. Falls das Zeitpaket über
beide externe Ports 9, 10 ausgegeben werden soll,
erfolgt das Auslesen des Zeitzählers 63 erst
mit dem Übermitteln
der Bestätigungen
von beiden Sendemaschinen 20, 21. Das Ausgeben
des Zeitdatenpakets an die Sendemaschinen 20 bzw. 21 erfolgt,
wie aus 6 ersichtlich ist, direkt.
Zwischen dem Zeitgeberblock 53 und den externen Ports 9, 10 sind
also keine Zwischenspeicher angeordnet.
-
Das
Versenden der Zeitdatenpakete über
die externen Ports 9, 10 erfolgt auf die gleiche
Weise wie das Versenden eines Datenpakets, das den externen Ports 9, 10 über den
internen Port 8 zugeführt
wird. Daten eines Zeitdatenpakets werden also ebenfalls bereits
vor dem vollständigen
Zuführen
des Zeitdatenpakets über
die externen Ports 9, 10 ausgegeben.
-
Da
auch der Zeitdatenpaketgenerator 65 als Hardware-Schaltung
ausgebildet ist, ist die durch diesen hervorgerufene Zeitverzögerung T5
vorab ermittelbar und/oder bekannt. Sie kann daher bei der Ermittlung
der korrekten Zeit berücksichtigt
werden. Der nötige
Korrekturfaktor zur Berücksichtigung
der Verzögerungszeit
T5, also der Sendeanfangswert, kann wieder über die Schnittstellenschaltung 14 parametrierbar
sein. Er bestimmt insbesondere den Anfangswert, der im Sendefall
in den Zeitzähler 63 geladen
wird, oder den Korrekturwert, um den der aus dem Zeitzähler 63 ausgelesene
Wert korrigiert wird.
-
Der
Aufbau und die Wirkungsweise des Zeitgeberblocks 53 werden
nachfolgend in Verbindung mit den 6, 7 und 8 nochmals
detaillierter beschrieben. Dabei wird zuerst der Sendefall, also die
Ausgabe eines Zeitdatenpakets beschrieben, danach der Empfangsfall,
also der Empfang eines Zeitdatenpakets.
-
Im
Masterfall wird dem Zeitgeberblock 53 von Zeit zu Zeit,
z. B. jede Sekunde, das Zeitsignal PPS zugeführt. Dieses Zeitsignal PPS
wird innerhalb des Zeitgeberblocks 53 dem Zeitstempelgenerator 62 zugeführt. Das
Zeitsignal PPS dient also als Synchronisationspuls für den Zeitgeberblock 53.
-
Beim
Zuführen
des Synchronisationspulses PPS speichert der Zeitstempelgenerator 62 im
Zeitzähler 63 einen
Sendeanfangswert ein. Danach wird der Zeitzähler 63 getaktet inkrementiert.
Der Zeitzähler 63 ist
also ein Zählregister.
Der Sendeanfangswert korrespondiert mit der Sendeverzögerungszeit T5.
-
Wie
bereits ausgeführt, übermittelt
die Zeitsendesteuerung 64 an die Sendemaschinen 20, 21 eine
Anfrage, ob diese ein Zeittelegramm sofort und ohne Verzögerung aussenden
können.
Dies entspricht einem Anforderungssignal, das an die Sendemaschinen 20, 21 übermittelt
wird. Die Sendemaschinen 20, 21 warten dieses
Anforderungssignal ab. Nach dessen Erhalt überprüfen sie, ob sie selbst gerade über das Übertragungsmedium 3 (die
Netzwerkleitungen 3) ein Datenpaket senden. Wenn dies nicht der
Fall ist, ist das Übertragungsmedium 3 nicht
belegt. In diesem Fall übermitteln
sie ihre Sendebereitschaft in Form eines entsprechenden Freigabesignals
an die Zeitsendesteuerung 64.
-
Sowie
die Zeitsendesteuerung 64 die Freigabesignale entgegen
genommen hat, übermittelt
sie das Startsignal an den Zeitdatenpaketgenerator 65. Dieser
liest daraufhin den momentanen Zählerstand aus
dem Zeitzähler 63 aus.
Dieser Zählerstand
(= Wert) entspricht – gegebenenfalls
nach entsprechender Korrektur – der
zu übermittelnden
Zeitreferenz. Dieser Zeitreferenz werden vom Zeitdatenpaketgenerator 65 aber
noch zusätzliche
Informationen hinzugefügt.
Insbesondere wird ein komplettes Zeitdatenpaket erstellt. Der Zeitreferenz
werden also – siehe 4 – eine Quell-
und ein Zieladresse sowie eine Prioritäts- und/oder eine Typinformation
hinzugefügt.
Diese zusätzlichen
Informationen können dem
Zeitgeberblock 53 bzw. dem Zeitdatenpaketgenerator 65 vorab über die
Schnittstellenschaltung 14 vorgegeben werden.
-
Ferner
ermittelt der Zeitdatenpaketgenerator 65 eine Prüfinformation
(CRC = cyclic redundancy check) für das Zeitdatenpaket, also
insbesondere auch für
die Zeitreferenz.
-
Das
so ermittelte Zeitdatenpaket wird dann ohne weitere Verzögerung an
die Sendemaschinen 20, 21 übermittelt und von diesen als
Zeitreferenz über
das Übertragungsmedium 3 gesendet.
-
Wie
aus 6 ersichtlich ist, ist der Zeitgeberblock 53 direkt
mit den Sendemaschinen 20, 21 verbunden, über welche
die Zeitreferenz in das Übertragungsmedium 3 einspeisbar
ist. Es erfolgt keine weitere Zwischenspeicherung. Im Zusammenwirken mit
dem Umstand, dass die gesamte in 6 dargestellte
Verbindungsschaltung 11 eine festverdrahtete Schaltung
ist, liegt daher zwischen dem Auslesen des Zeitzählers 63 und dem Senden
der Zeitreferenz über
das Übertragungsmedium 3 bzw.
die Leitungen 3 eine vorbestimmte Sendezeitverzögerung T5.
-
Der
Sendeanfangswert bzw. der beim Senden berücksichtigte Korrekturwert korrespondiert
mit der Sendezeitverzögerung
T5. Er ist somit derart bestimmt, dass durch ihn die Sendezeitverzögerung T5 kompensiert
wird. Insbesondere ergibt sich der Sendeanfangswert als f × T5, wobei
f die Taktfrequenz (z. B. 25 MHz) ist, mit der der Zeitzähler 63 inkrementiert wird.
Dieser Anfangswert kann – sei
es direkt als Zahlenwert, sei es indirekt durch Vorgabe der Sendezeitverzögerung T5 – dem Zeitgeberblock 53 vorgegeben
werden.
-
In
der Regel erfolgt das Synchronisieren zwischen den Endgeräten 1 mit
dem ersten Bit des neuen Zeitdatenpakets. Die Sendezeitverzögerung T5
ist daher in aller Regel durch das Auslesen des Zeitzählers 63 und
den Beginn des Ausgebens der Zeitreferenz bzw. des Zeitdatenpakets
bestimmt.
-
In
völlig
analoger Weise wird vorgegangen, wenn von einem der externen Blöcke 16, 17 über das Übertragungsmedium 3 ein Zeitdatenpaket
empfangen wird. In diesem Fall wird zunächst in den Paketselektoren 54, 55 überprüft, ob die
im Zeitdatenpaket enthaltene Quelladresse mit einer Sollquelladresse übereinstimmt.
Ebenso wird überprüft, ob die
im Datenpaket enthaltene Zieladresse mit einer Sollzieladresse übereinstimmt.
Die Adressen werden den Paketselektoren 54, 55 dabei
wieder über
die Schnittstellenschaltung 14 vorgegeben. Nur im Falle
einer Übereinstimmung
wird, wie bereits erwähnt,
das Zeitdatenpaket an den Zeitgeberblock 53 weitergeleitet. Ansonsten
entfallen die nachfolgend beschriebenen weiteren Schritte.
-
Im
Falle der Übereinstimmung
wird das Zeitdatenpaket vom empfangenden externen Block 16, 17 dem
Zeitstempelgenerator 62 zugeführt. Dieser überprüft zunächst anhand
der Prüfinformation,
ob die Zeitreferenz ordnungsgemäß übermittelt
wurde. Nur wenn dies der Fall ist, wird die Zeitreferenz weiter verarbeitet.
Ansonsten wird sie verworfen.
-
Im
Falle eines ordnungsgemäß empfangenen
Zeitdatenpakets extrahiert der Zeitstempelgenerator 62 die
Zeitreferenz und korrigiert sie – siehe 7 – in einer
Korrekturschaltung 69 um einen Korrekturwert. Die korrigierte Zeitreferenz
wird dann als Empfangsanfangswert in den Zeitzähler 63 eingespeichert.
Ab dem Einspeichern des Empfangsanfangswertes wird der Zeitzähler 63 dann
getaktet inkrementiert. Wenn der Wert des Zeitzählers 63 einen Referenzwert
erreicht, der z. B. der nächsten
vollen Sekunde entspricht, wird in Form des Zeitsignals PPS ein
Synchronisationspuls an das angeschlossene Endgerät 1 ausgegeben.
-
Auch
soweit es den Empfangsweg betrifft, ist der Zeitgeberblock 53 direkt
mit den Empfangsschaltungen 16, 17 verbunden, über die
die Zeitreferenz über
das Übertragungsmedium 3 empfangbar
ist. Es erfolgt also keine Zwischenspeicherung. In Verbindung mit
der Ausgestaltung der gesamten Verbindungsschaltung 11 als
Hardware-Schaltung ist somit auch die Verar beitungszeit zwischen
dem Empfangen der Zeitreferenz und dem Einspeichern des Empfangsanfangswertes
vorbestimmt. Diese Zeit wird nachstehend Empfangszeitverzögerung T4
genannt. Der Korrekturwert, um den die empfangene Zeitreferenz korrigiert
wird, kann daher derart bestimmt werden, dass durch ihn die Empfangszeitverzögerung T4
kompensiert wird. Er kann – analog
zum Sendeanfangswert – direkt
als Zahlenwert oder indirekt durch die Empfangszeitverzögerung T4
dem Zeitgeberblock 53 bzw. dem Zeitstempelgenerator 62 über die
Schnittstellenschaltung 14 vorgegeben werden.
-
In
aller Regel erfolgt, wie bereits erwähnt, eine Synchronisation auf
das erste empfangene Bit. Die Empfangszeitverzögerung T4 ist daher durch den
Beginn des Empfangens der Zeitreferenz bzw. des Zeitdatenpakets
und das Einspeichern des Empfangsanfangswertes in den Zeitzähler 63 bestimmt.
-
Wie
ebenfalls bereits oben stehend in Verbindung mit 6D ausgeführt, kann
durch eine entsprechende Vorgabe des Betriebsmodus bestimmt werden,
ob der Zeitgeberblock 53 als Master oder als Slave betrieben
wird. Es ist aber auch möglich,
den Zeitgeberblock 53 derart zu parametrieren, dass er seine
Rolle dynamisch wählt.
Dies wird nachstehend in Verbindung mit 8 näher erläutert.
-
Gemäß 8 kann
von der Zeitsendesteuerung 64 zunächst in einem Schritt 70 überprüft werden,
ob dem Zeitstempelgenerator 62 über das Übertragungsmedium 3 eine
Zeitreferenz zugeführt
wurde und die zugeführte
Zeitreferenz ordnungsgemäß war. Dies
kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass, wie in 6D angedeutet,
ein OK-Bit an die Zeitsendesteuerung 64 übermittelt
wird.
-
Wenn
der Zeitsendesteuerung 64 dieses Bit übermittelt wird, setzt sie
in einem Schritt 71 einen Zeitgeber auf den Wert Null und
startet ihn. Ferner setzt sie in einem Schritt 72 ein Masterbit
M auf den Wert Null. Das Masterbit M wird dem Zeitstempelgenerator 62 zugeführt, der
sich in diesem Fall als Slave verhält. Die weitere Abarbeitung
erfolgt dann anhand der empfangenen Zeitreferenz, wie bereits beschrieben
wurde.
-
Wenn
der Zeitsendesteuerung 64 hingegen kein OK-Bit übermittelt
wird, überprüft sie in
einem Schritt 73, ob der Zeitgeber einen Grenzwert erreicht hat.
Wenn dies der Fall ist, setzt sie in einem Schritt 74 das
Masterbit M auf den Wert Eins und gibt es an den Zeitstempelgenerator 62 aus.
Dieser stellt daraufhin auf Masterbetrieb um. Er nimmt also, solange ihm
das Masterbit M mit Wert Eins übermittelt
wird, über
die Schnittstellenschaltung 14 das Zeitsignal PPS entgegen
und schreibt jeweils den Sendeanfangswert in den Zeitzähler 63 ein.
Die Zeitsendesteuerung 64 ermittelt dann gemäß der oben
stehend beschriebenen Weise, ob ein Zeitdatenpaket versendet werden
kann und veranlasst gegebenenfalls das Versenden dieses Pakets.
-
Gemäß 8 wird
also mit jedem Einspeichern des Empfangsanfangswertes der Zeitgeber gestartet.
Bis der Zeitgeber den Grenzwert erreicht, wird der Zeitgeberblock 53 als
Slave betrieben. Er erzeugt also anhand der übermittelten Zeitreferenz das Zeitsignal
PPS (bzw. den Synchronisationspuls PPS). Wenn der Zeitgeber den
Grenzwert erreicht und überschreitet,
wird der Zeitgeberblock 53 hingegen als Master betrieben.
Er übermittelt
also selbst über
eine oder beide der Sendemaschinen 20, 21 eine
Zeitreferenz. Sobald wieder ein Zeitdatenpaket ordnungsgemäß empfangen
wird, also wieder ein Empfangsanfangswert in den Zeitzähler 63 eingespeichert
wird, konfiguriert sich der Zeitgeberblock 53 aber wieder
auf Slavebetrieb um.
-
Auch
eine Mischform von Master- und Slavebetrieb ist möglich. In
diesem Fall fungiert der Zeitgeberblock 53 z. B. bezüglich des
externen Ports 9 als Slave, nimmt also von dort eine Zeitreferenz
entgegen und ermittelt daraus – gegebenenfalls unter
Korrektur in der Korrekturschaltung 69 – den in das Register 63 einzuschreibenden
Anfangswert. Bezüglich des
anderen externen Ports 10 fungiert der Zeitgeberblock 53 als
Master. Der einzige Unterschied zum „normalen" Masterbetrieb ist, dass dem Zeitgeberblock 53 der
Synchronisationspuls PPS nicht von außen vorgegeben wird.
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Die
Korrektur der Sende- und der Empfangszeitverzögerung T5, T4 kann weiterhin
in der Korrekturschaltung 69 und der korrespondierenden
sendeseitigen Korrekturschaltung erfolgen. Sie kann aber auch vollständig in
der einen oder der anderen Korrekturschaltung 69 erfolgen.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Netzwerkanschaltung 2 ist
somit auf einfache und kostengünstige Weise
eine Linientopologie mehrerer Endgeräte 1 aufbaubar. Bei
dieser Topologie bleibt dabei die Echtzeitfähigkeit erhalten. Durch Hinzunahme
des Zeitgeberblocks 53 kann dabei sogar auf einfache und hochgenaue
Weise eine Synchronisation mehrerer Endgeräte 1 bewirkt werden.