Dynamic topology management unit for a fieldbus - Sher, Michael Philip Sousa (2011)
A redundância, mudança de topologia, detecção e isolamento de falhas pode aumentar a fiabilidade de um barramento de campo, como o Controller Area Network – CAN. A Dynamic Topology Management (DTM) em CAN faz uso da redundância e da detecção e contenção de falhas. Esta solução possui duas entidades fundamentais: a Unidade de Gestão de Topologia (Topology Management Unit – TMU) e a Unidade de Comutação de Rede (Network Switch Unit – NSU). A TMU é responsável pela gestão dos meios de comunicação e pelo acesso de cada NSU a pelo menos um meio de comunicação. A própria TMU possui redundância, havendo sempre uma TMU master e pelo menos uma TMU slave num sistema DTM em CAN. Um dos pontos fulcrais nesta rede é a necessidade da TMU Slave possuir os mesmos dados que a TMU Master. Isto implica a existência de um método que garanta a consistência de dados replicados. Quando ocorre um sincronismo dos dados entre o slave e o master, o mecanismo de consistência de dados replicados deverá ocupar os canais de comunicação o menos possível. Neste trabalho a arquitectura interna da TMU é analisada e é apresentada uma proposta para uma implementação em FPGA. Vários problemas relacionados com a gestão dos canais de comunicação são levantados e solucionados. O principal tema desta dissertação é o estudo de um módulo interno da TMU que executa um mecanismo de consistência de dados replicados. Um algoritmo de pesquisa em árvore em conjunto com o cálculo de CRC de porções de informação é utilizado para comparar dados entre o TMU master e slave. Esta técnica demonstra a eficiência em termos de taxa de ocupação dos canais de comunicação quando comparado com a técnica de reenvio de todos os dados. A implementação em FPGA deste módulo, denominado Distributable Table Content Consistency Checker – DT3C, demonstra a viabilidade da solução em hardware. A simulação, em Matlab, do algoritmo de pesquisa em árvore permite verificar as vantagens e limites. ABSTRACT: The dependability of a fieldbus such as the Controller Area Network can be improved by adapting redundancy, improving its topology, detecting and isolating failures. The Dynamic Topology Management (DTM) in CAN is a solution that makes extensive use of redundancy and also of failure detection and isolation. This solution is composed by two main elements: The Topology Management Unit – TMU and the Network Switch Unit – NSU. The TMU is responsible for managing the redundant communication medium and guaranteeing the access of each NSU to at least one communication medium. There is also redundancy at the TMU level, which signifies that there is always one TMU master and at least one TMU slave. One of the key points in this network is the ability of the TMU slave to have the exact same data as the TMU master. This implies that there must be a rigorous consistency scheme of replicated data. Moreover, the consistency scheme should occupy as less as possible the communication medium when a synchronization between the TMU master and TMU slave is scheduled. I analyze and propose a TMU internal architecture for FPGA based implementation. Various issues related to the redundancy management of the communication medium are analyzed. The main focus of this work is a simple replicated data consistency mechanism module that is present inside the TMU. A tree search algorithm combined with cyclic redundancy check calculations of portions of data is used to compare data between the TMU slave and master. This technique proves to be bandwidth efficient when compared to the option of resending all the data from the TMU master to the slave. The implementation in FPGA of this module, denominated Distributable Table Content Consistency Checker - DT3C, demonstrates that the proposed solution is achievable in hardware. Furthermore, a Matlab simulation of the tree search algorithm reveals the efficiency and limitations of the DT3C