(57)【要約】ノードをイーサネット伝送路に接続するためのインタフェースを用いて、データをイーサネットメッセージの形式でイーサネット伝送路に送信する際に、イーサネットメッセージを供給するために、送信されるデータが変換ユニットによりイーサネットプロトコルの伝送規格に応じたデータに変換され、送信ユニットにより、供給されたイーサネットメッセージが連続的に送信され、その結果イーサネットメッセージが連続的にイーサネット伝送路に出力される。
2006520118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イーサネットメッセージの形式を有するデータをイーサネット伝送路に送信するための方法であって、
イーサネットメッセージを供給するために、送信するデータをイーサネットプロトコルの伝送規格に応じた形態に変換する工程と、
供給されたイーサネットメッセージを所定のイーサネット伝送規格によって周期的に送信する工程とを備えており、
全体の周期時間に渡って連続的にイーサネットメッセージをイーサネット伝送路に出力するために、イーサネット伝送規格で定義された中断時間を取っている間に、次のイーサネットメッセージが、供給されたイーサネットメッセージに続いて直ちに送信されるように、供給されたイーサネットメッセージの送信処理を制御することを特徴とするイーサネットメッセージを周期的に送信するための方法。
【請求項２】
全体の周期時間に渡って連続的にイーサネットメッセージをイーサネット伝送路に出力するために、
供給されたイーサネットメッセージを連続的に送信すべく、周期時間の長さが、最大限許容される周期の長さの範囲内で、イーサネットメッセージの所定の長さに適合されることを特徴とする請求項１に記載のイーサネットメッセージを周期的に送信するための方法。
【請求項３】
全体の周期時間に渡って連続的にイーサネットメッセージをイーサネット伝送路に出力するために、
供給されたイーサネットメッセージを連続的に送信すべく、ある周期中で送られるイーサネットメッセージの数および／または長さが、所定の周期時間の長さに適合されることを特徴とする請求項１に記載のイーサネットメッセージを周期的に送信するための方法。
【請求項４】
ある周期において送信されるイーサネットメッセージの数および／または長さを算出するために、
イーサネット伝送路で用いられるボーレートと、
イーサネットプロトコルの伝送規格に応じてデータが変換される際に、各イーサネットメッセージに挿入される、スタート識別子とプリアンブルと検査合計との長さと、
送信されるイーサネットメッセージの間に取られる中断時間の長さとを考慮することを特徴とする請求項３に記載のイーサネットメッセージを周期的に送信するための方法。
【請求項５】
イーサネット伝送路で用いられるボーレートがｂａＭボーであり、周期時間がｚｙμ秒であり、スタート識別子の長さがｓｔビットであり、プリアンブルの長さがｐｒビットであり、検査合計の長さがｃｈビットであり、中断時間がｐａビットである場合において、ある周期において送信されるイーサネットメッセージの最大ビット長Ｌは、
Ｌ＝（ｂａ＊ｚｙ）−（ｓｔ＋ｐｒ＋ｃｈ＋ｐａ）
として算出されることを特徴とする請求項４に記載のイーサネットメッセージを周期的に送信するための方法。
【請求項６】
最大ビット長Ｌがイーサネットメッセージの可能な最大ビット長よりも大きい場合には、１周期に送信される複数のイーサネットメッセージにおいて、それぞれの共通するビット長の全体が周期時間に相当するように、イーサネットメッセージの数および長さが選択されることを特徴とする請求項５に記載のイーサネットメッセージを周期的に送信するための方法。
【請求項７】
供給されたイーサネットメッセージを連続的に送信するために、供給されたイーサネットメッセージはバッファ格納され、バッファが所定の充填レベルに達すると、直ちに送信処理を開始することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のイーサネットメッセージを周期的に送信するための方法。
【請求項８】
送信されるデータは実時間データであって、送信される実時間データを生成する実時間処理は、イーサネットメッセージの送信処理に同期することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のイーサネットメッセージを周期的に送信するための方法。
【請求項９】
イーサネットメッセージを供給するために、送信されるデータをイーサネットプロトコルの伝送規格に応じたデータに変換する制御ユニット（１；１１、１２）と、
所定のイーサネット伝送規格を用いて、供給されたイーサネットメッセージを周期的にイーサネット伝送路（２）に送信するための送信ユニット（３；３１、３３）とを備えるイーサネットネットワーク用のノードであって、
全体の周期時間に渡って連続的にイーサネットメッセージをイーサネット伝送路に出力するために、イーサネット伝送規格で定義された中断時間を取っている間に、次のイーサネットメッセージが、供給されたイーサネットメッセージに続いて直ちに送信されるように、制御ユニット（１；１１、１２）が、送信ユニット（３；３１、３３）によって供給されたイーサネットメッセージの送信処理を制御することを特徴とするイーサネットネットワーク用のノード。
【請求項１０】
全体の周期時間に渡って連続的にイーサネットメッセージをイーサネット伝送路（２）に出力するために、
供給されたイーサネットメッセージを連続的に送信すべく、周期時間の長さが、最大限許容される周期の長さの範囲内で、送信されるイーサネットメッセージの所定の長さに適合されるように制御ユニット（１；１１、１２）が構成されていることを特徴とする請求項９に記載のイーサネットネットワーク用のノード。
【請求項１１】
全体の周期時間に渡って連続的にイーサネットメッセージをイーサネット伝送路に出力するために、
ある周期中で送られるイーサネットメッセージの数および／または長さが、所定の周期時間に適合するように制御ユニット（１；１１、１２）が構成されていることを特徴とする請求項９に記載のイーサネットネットワーク用のノード。
【請求項１２】
送信ユニット（３；３１、３３）は、供給されたイーサネットメッセージをバッファ格納するためのバッファ（３３）を備え、
制御ユニット（１；１１、１２）は、バッファ（３３）が所定の充填レベルに達すると、送信処理を開始するように構成されていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載のイーサネットネットワーク用のノード。
【請求項１３】
制御ユニット（１；１１、１２）は、送信される実時間データを生成する実時間処理をイーサネットメッセージの送信処理に同期させるように構成されていることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載のイーサネットネットワーク用のノード。
【請求項１４】
イーサネット伝送路（２）と、請求項９〜１３のいずれか１項に記載のイーサネット伝送路に接続された複数のノード（１）とを備えるイーサネットネットワークであって、
イーサネット伝送路（２）の送信路は、イーサネットメッセージが衝突することなく送信されるように構成されていることを特徴とするイーサネットネットワーク。
【請求項１５】
イーサネット伝送路（２）がリング型のトポロジを備え、
送信ノード（１）から送信されたイーサネットメッセージが、１つのノードから次のノードへと転送されることを特徴とする請求項１４に記載のイーサネットネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、イーサネット（登録商標）メッセージを周期的に送信するための方法、インタフェース、およびネットワークに関する。
【０００２】
イーサネットは、ローカル通信ネットワーク、いわゆる、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）において最も普及している技術であり、現在、１００ミリオンビット／秒（Ｍｂｐｓ）までの速度でデータを伝送することができる。ＬＡＮは、場所的にある範囲に限定され、かつ、１つまたは複数のサーバーおよびワークステーションいわゆるノードから構成され、例えば、同軸ケーブル、繊維ガラスケーブル、または対軸ケーブルなどの伝送路を介して接続されたローカル通信ネットワークである。ＬＡＮでは、バス型、リング型、スター型、またはツリー型など様々な公知のネットワークトポロジが可能である。
【０００３】
ＬＡＮは、ネットワークオペレーティングシステムおよび標準のネットワークプロトコルによって動作する。イーサネットは、１つの可能なネットワークプロトコルであり、例えば、ＴＣＰ／ＩＰプロトコルまたはＩＰＸプロトコルなどの異なる通信プロトコルに対応している。ネットワークにおけるデータ伝送の国際的な標準モデルであるＯＳＩ層モデルは７層から構成されており、各層で複数のプロトコルが定義され、それぞれの層が次のより高い層に対して情報を供給している。イーサネットでは、第２層すなわちデータリンク層に相当する。このデータリンク層では、各通信プロトコル用の特定の情報が加えられたメッセージを形成するために送信されるデータがまとめられる。このデータリンク層は、ネットワークにおいて、ノードからノードへのデータの転送および誤りを識別する役割がある。
【０００４】
イーサネットの概念では、このデータリンク層が、２つのレベルに分けられている。第１のレベルでは、受信プロトコルに正確にデータを転送するために必要である情報を含んだヘッダ部分、すなわち、いわゆるスタート識別子（Startkennung）を付け加える。イーサネットプロトコルの第２のレベルでは、データメッセージは、あるノードから別のノードへ送信するために、付加されたプリアンブルと最後尾部分いわゆる検査合計（Checksumme）とによってカプセル封じ（einkapseln）される。このようなイーサネットメッセージを用いることによって、１５００バイトまでの長さを有するデータを伝送することができる。また、各イーサネットメッセージ間の所定の中断時間を取る必要がある。
【０００５】
イーサネット伝送路でのイーサネットメッセージの送受信は、イーサネットコントローラ（媒体アクセス制御装置（ＭＡＣ）と称する）が担当する。このイーサネットコントローラは、ノードとイーサネット伝送路との間を切り替えて、バスシステムを介してノードに接続されている。このイーサネットコントローラは、通常、各ノードのオペレーティングシステムに設けられたソフトウェアドライバにより制御される。このイーサネットコントローラは、通常、送信シフトレジスタと受信シフトレジスタとを備え、イーサネット伝送路をノードの物理的なメモリから分離している。最近のイーサネットコントローラは、さらに、通常、ノードの物理的なメモリへ直接アクセスする機能、いわゆるダイレクトメモリアクセス（ＤＭＡ）を備えている。これにより、ノードのオペレーティングシステムにおけるソフトウェアドライバは、時間を節約して、送受信されるイーサネットメッセージを直接ノードのメモリに格納することができ、または、直接ノードのメモリからイーサネットメッセージを取り出すことができる。
【０００６】
イーサネットプロトコルは、主に、事務所での通信ネットワークに導入されている。イーサネット通信ネットワークは、標準的なハードウェア構成要素およびソフトウェア構成要素を利用しているという利点と簡易なネットワーク技術で高いデータ伝送速度が得られるという可能性とによって、次第に産業製造分野におけるワークステーション間のデータ交換にも用いられるようになっている。しかし、自動化技術においてイーサネットプロトコルを導入するためには、複雑なハードウェアおよび／またはソフトウェア技術を追加して、イーサネットデータ伝送における実時間性能を保証する必要がある。通常、機械を制御するには、実質的に時間的な変動がないように、すなわちジッタが生じないようにする必要がある。換言すると、予測可能な応答時間で制御要求に反応するように、制御タスクを周期的に処理する必要がある。
【０００７】
例えば、イーサネットネットワークにおいてノードとして形成された制御コンピュータ上で作動する実時間処理の一環として、周期的にイーサネットメッセージが送信される。そして、イーサネット伝送路に接続されたセンサとアクチュエータとに応答するために、制御コンピュータは、オペレーティングシステムに組み込まれたソフトウェアドライバを用いて、各制御周期におけるイーサネットコントローラに対して、対応するイーサネットメッセージを送信する。この場合、ソフトウェアドライバは、イーサネットコントローラに供給する前に自動的に、送信する実時間データにイーサネット伝送規格（ＩＥＥＥ  ８０２．３）で定義された中断時間とスタート識別子とプリアンブルと検査合計とを付け加える。好ましくは、イーサネットコントローラは、ダイレクトメモリアクセストラッスミッションを利用して、対応するイーサネットメッセージを送信シフトレジスタに読み込み、送信シフトレジスタが所定の充填レベルに達すれば、イーサネットメッセージをイーサネット伝送路へ送信し始める。
【０００８】
接続されたイーサネットコントローラと共に制御コンピュータが行なう一連の送信動作には、複数のジッタの影響を受けた動作が含まれている。最悪の場合には、これらのジッタが重なって（aufsummieren）、通常では数μ秒の範囲に収まる実時間処理の最大許容値を上回ることがある。ジッタは、送信するデータを生成する際の、ノードでの割り込み待機期間（Interrupt-Latenzeit）の変動や、イーサネットメッセージを送信するまでにかかるプログラムコードにおけるの所要時間の変動によって生じる。さらに、最近の制御コンピュータではキャッシュメモリを有しており、この場合ノードでのメモリに要求した内容を待つ時間はキャッシュ内容に応じて異なるため、プログラムコードの所要時間がますます変動する。
【０００９】
通常、イーサネットコントローラは、バスシステムを介してノードに接続されている。このバスとして、しばしば、ＰＣＩバスが用いられている。このようなバスは通常別のシステム部分も使用しているため、バス割り当て（Zuteilung）の際に待機時間の長さが変動する。これは、イーサネットコントローラが、直接メモリ伝送により制御コンピュータの物理的なメモリにアクセスする場合にも、また、実時間データがソフトウェアドライバの制御の元でバスシステムを介して伝送される場合にも該当する。バス割り当てでは、常に同様のジッタが生じる。さらに、イーサネットコントローラは、常に、送信シフトレジスタが所定の充填レベルになったときに、イーサネットメッセージをイーサネット伝送路に送り始める。この場合、イーサネットメッセージの送信は、送信シフトレジスタの充填レベルに応じて遅延時間が異なる。これにより、さらなるジッタが生じる。
【００１０】
送信処理において結果として生じたジッタ全体が、各実時間処理で最大限許容可能なジッタを越えて大きくなる場合には、このような差異（Abweichung）について、例えば、ＩＥＥＥ  １５８８（ネットワーク上の測定および制御システム用の、正確なクロック同期化プロトコルのためのＩＥＥＥ規格（IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control System））などの複雑な方法を用いて、すべての通信において対応する正確な時間基準をイーサネット伝送路に提供し、それによりジッタを補償しなければならない。
【００１１】
本発明の課題は、イーサネットメッセージの形式のデータをイーサネット伝送路に送信する方法と、ノードをイーサネット伝送路に接続するためのインタフェースと、簡易な方法によってイーサネットメッセージ、特に実時間データを含んだイーサネットメッセージをジッタを生じることなく周期的に送るイーサネットネットワークとを提供することである。
【００１２】
この課題は、請求項１に記載の方法、請求項９に記載のインタフェース、および請求項１４に記載のイーサネットネットワークにより解決される。好適なさらなる構成については、従属請求項中に記載する。
【００１３】
本発明によれば、ノードをイーサネット伝送路に接続するためのインタフェースを用いて、イーサネットメッセージの形式のデータをイーサネット伝送路に送信するために、送信されるデータは変換ユニットによってイーサネットプロトコルの伝送規格に応じたデータに変換される。そして、伝送ユニットが、供給されたイーサネットメッセージを伝送するために作動することによって、イーサネットメッセージが連続的にイーサネット伝送路に出力される。
【００１４】
本発明によるイーサネットメッセージの連続的な送信によって、送信処理における正確な連続性を実現することができる。これにより、イーサネットメッセージをジッタを生じることなく送信することが可能になる。ノードをイーサネットに接続するためのインタフェースが、１つのイーサネットメッセージを送信した直後に、次のイーサネットメッセージを送信することによって、送信されるデータをイーサネットメッセージに変換してから、そのメッセージをイーサネット伝送路に出力するまでの一連の送信処理におけるすべてのジッタによる影響が完全に補償される。これは、送信処理のタイミングが、イーサネットにおけるノードのインタフェースのみによって決定されるためである。これにより、メッセージを連続的に送信することによって、完全にジッタが生じないようにすることができる。
【００１５】
本発明の好適な実施形態によれば、供給されたイーサネットメッセージを連続的に送信するために、周期時間の長さが、最大限許容される周期の長さの範囲内で、イーサネットメッセージの所定の長さに適合される。その結果、周期時間全体に渡って連続的にイーサネットメッセージがイーサネット伝送路に出力される。この方法により、所定の最大送信周期の範囲内で、イーサネットメッセージは連続して送信され、かつ同時に、周期の長さを最適に利用することによってイーサネットメッセージの生成の際に生じたジッタは完全に消去される。
【００１６】
本発明のさらに好適な実施形態によれば、インタフェースを介してイーサネットメッセージを連続的に送信するために、ある周期で送信されるイーサネットメッセージの数および／または長さが、所定の周期時間に適合される。その結果、周期時間全体に渡って、連続的にイーサネットメッセージが、イーサネット伝送路に出力される。この方法により、イーサネットメッセージが送信周期の範囲内で連続して送信され、かつ同時に、その周期で可能なデータ長さを最適に利用することによってイーサネットメッセージの生成の際に生じたジッタは完全に消去される。
【００１７】
さらに好適な実施形態によれば、イーサネットメッセージを適合させる際、イーサネット伝送路のボーレート（Baudrate）と、イーサネットプロトコルの伝送規格に応じてデータを変換する際に各イーサネットメッセージに挿入される、スタート識別子、プリアンブル、および検査合計の長さと、送信されるイーサネットメッセージの間に取られる中断時間の長さとを考慮する。この方法により、簡易な方法で、連続的にイーサネット伝送路に送信されるイーサネットメッセージの最適な長さを決めることができる。この際に、好ましくは算出されたイーサネットメッセージの長さがイーサネットメッセージの可能な最大の長さよりも大きい場合には、１周期に送信される複数のイーサネットメッセージにおいて、それぞれの共通するビット長の全体が周期時間に相当するように、送信されるイーサネットメッセージの数および長さが選択されるように考慮すべきである。これにより、簡易な方法で確実に送信されるイーサネットメッセージの最適な長さを決定することができる。
【００１８】
さらに好適な実施形態では、供給されたイーサネットメッセージは、バッファに格納され、インタフェースはバッファ中の所定の充填レベルに応じて送信処理を開始する。これにより、送信されるイーサネットメッセージがインタフェース中に十分な数だけ存在することになるため、常に、確実に連続的な送信処理を行なうことができるようになる。したがって、送信処理が空のまま行なわれることがないため周期を侵害することになり得るメッセージの遅延は生じない。
【００１９】
本発明では、さらに、送信されるデータが実時間データである場合、送信される実時間データを生成するノードの実時間処理は、イーサネットメッセージの送信処理に同期する。この方法によって、イーサネットメッセージは、送信処理中におけるインタフェースにおいて、オーバフローしなくなる。その結果、イーサネットメッセージは十分速く送信されるようになる。ノード中で作動する実時間処理が、送信処理を行なうインタフェースの時間基準に適合されることにより、ノードがインタフェースの送信処理と同期した（abgestimmt）場合にのみ、イーサネットメッセージを供給し、イーサネットメッセージのオーバフローが起こらないようにしている。
【００２０】
さらなる好適な実施形態では、複数のノードに接続されたイーサネット伝送路を有するイーサネットネットワークは、イーサネットメッセージが衝突することなく送信されるように構成されている。これにより、イーサネットに連続的に送信を行なうことができ、かつ、伝送路上の衝突により送信処理が中断し周期が侵害されることがない。
【００２１】
さらに、イーサネット伝送路がリング型のトポロジを備え、送信ノードから送信されたイーサネットメッセージが、１つのノードから次のノードへと転送されることが好ましい。これにより、イーサネットメッセージを衝突せずに伝送でき、あるノードから次のノードへの遅延も短くすることができる。
【００２２】
以下に、本発明を、添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１Ａは、イーサネットネットワークを示す図である。
図１Ｂは、本発明における、イーサネットネットワークのノード接続の構成を示す図である。
図２Ａは、イーサネットメッセージを示す図である。
図２Ｂは、本発明の送信処理を示す図である。
【００２３】
イーサネットの概念は、場所が局所的に限られた通信ネットワーク（ＬＡＮ）において、広く普及している通信規格であり、これを介して、簡易な方法でワークステーション（一般的には、コンピュータまたは機械であり、以下では、ノードとも称する）間で、データ資源を共通に利用することができるものである。イーサネットは、ＬＡＮの構造に基づいて、共通の伝送媒体を介して複数のノードが接続されている。そして、イーサネットの概念では、伝送されるデータが所定の形式を有するデータパケット（以下、イーサネットメッセージとも称する）中にカプセル封じ（Verkapselung）されている。イーサネットは、３つの領域、すなわち、伝送路およびネットワークインタフェース、換言するとハードウェアと、イーサネット伝送路へのアクセスを制御する複数のプロトコルと、イーサネットメッセージの形式とからなる。
【００２４】
図１Ａは、イーサネットの概略図であり、イーサネット伝送路２を介して、互いに接続されている複数のノード１を示す。好ましくは、この対応するノードに設けられたイーサネットコントローラ３により、ノードはイーサネット伝送路に接続されている。イーサネット伝送路２に連結するために接続されたイーサネットコントローラ３を有する本発明のノード１の詳細を図１Ｂに示す。イーサネットコントローラからイーサネットメッセージを送信するのは、符号化ユニット３１である。伝送路２からイーサネットメッセージを受信するのは、複号化ユニット３２である。符号化ユニット３１および複号化ユニット３２には、それぞれ、シフトレジスタとして設計されたバッファ３３・３４が接続されている。そして、各々送信されるイーサネットメッセージおよび受信されるイーサネットメッセージをバッファに格納する。これらの送信シフトレジスタ３３および受信シフトレジスタ３４は、いわゆるダイレクトメモリアクセス（ＤＭＡ）モードにより、ノード１の物理的なメモリ１１に直接アクセス可能なものとして設計されることが好ましい。これに代えて、送信シフトレジスタ３３または受信シフトレジスタ３４と物理的なメモリ１１との間のデータ交換は、ノード１の中央演算装置（ＣＰＵ）１２を介して行なわれることもできる。しかし、ＤＭＡモードでの直接アクセスの方が、データ交換を迅速に行なうことができる。
【００２５】
ノード１の物理的なメモリ１１とインタフェース２との間のデータ交換の制御は、通常、ノード１のＣＰＵ１２により行なわれる。ノードのＣＰＵ１２は、さらに、イーサネットの作動に必要であるすべての処理を管理する。すなわち、送信処理および受信処理の管理を行い、ノードの送信データをイーサネットメッセージにカプセル封じし、受信したイーサネットメッセージのデータを開封（Entpacken）する。ノード１のＣＰＵ１２に実装されているオペレーティングシステムは、通常、層形態のソフトウェア構造を有し、メッセージに固有の処理およびハードウェア固有の処理からプロトコル固有の処理を分離する。これにより、ハードウェア固有のドライバを変更することなくイーサネット規格において様々な通信プロトコルを導入することができる。同時に、プロトコル固有のソフトウェアの変更を行なうことなくノードのハードウェアを変更することができる。
【００２６】
図２Ａに、イーサネットメッセージ５の構造を概略的に示す。イーサネットメッセージは、１５００バイトまで収容することができ、先頭から、スタート識別子５１と、送信先アドレス、発信元アドレスおよびデータパケットタイプを示すプリアンブル５２と、データを含む中央部分５３と、誤り検出機構として働く検査合計を含む最後尾部分５４とから構成されている。
【００２７】
イーサネットメッセージをイーサネット伝送路２を介して送信する送信処理は、ＣＰＵ１２に設けられたソフトウェアドライバが、送信すべきデータ（イーサネットコントローラ３がＤＭＡモードで作動している際には、ノード１の物理的なメモリ１１に格納されたデータ）をイーサネットメッセージに変換することによって行なわれる。イーサネットコントローラ３の送信シフトレジスタ３３が、この格納されたイーサネットメッセージにアクセスすることによって、イーサネットメッセージがシフトレジスタ３３に取り込まれる。ＣＰＵ１２のソフトウェアドライバによる制御の元で、物理的なメモリ１１から十分なイーサネットメッセージが送信シフトレジスタ３３に転送される。これにより、送信シフトレジスタ３３は、十分な充填レベル（Fuellstand）に達すると、バッファ格納されたイーサネットメッセージを、符号化ユニット３１を介してイーサネット伝送路２に出力する。イーサネットデータ伝送は、イーサネットネットワークが静止状態にあるときにのみ実行される。さらに、通常、イーサネット伝送路２には、衝突防止機構が追加的に設けられている。
【００２８】
イーサネットメッセージを受信する際は、復号化ユニット３２から受信したイーサネットメッセージを受信シフトレジスタ３４にバッファ格納し、イーサネットコントローラ３がノード１に割り込みをかける。この割り込みにより、ノード１におけるＣＰＵ１２のソフトウェアドライバが駆動する。そして、受信したメッセージがＤＭＡモードにより物理的なメモリ１１に転送され、その後、処理のためにノードのオペレーティングシステムにさらに転送される。
【００２９】
イーサネットの概念によれば、標準的なハードウェア構成要素と標準的なソフトウェア構成要素とを使用でき、さらに、高速のデータ転送が可能であるので、イーサネットは、特にネットワークシステムの通信プロトコルとして利用される。イーサネット規格を産業環境、特に自動化処理において導入する際には、イーサネットプロトコルは実時間データ伝送も確実に行なわなければならない。実時間処理、例えば機械制御をイーサネットネットワークを用いて確実に実施する場合のデータ交換の要件は、周期時間が５０μ秒であり、また、許容できるジッタ時間すなわち所望の周期時間からのずれは１０μ秒である。
【００３０】
イーサネットのネットワークにおけるノード１、すなわち制御コンピュータが、イーサネット伝送路２に接続される以外のノードの構成としてのセンサまたはアクチュエータを実時間で制御しなければならない場合、各制御周期において、制御コンピュータはＣＰＵ１２に格納されたソフトウェアドライバを用いることによって、イーサネットメッセージ５を送信するために、対応するイーサネットコントローラ３に転送する。イーサネットコントローラ３は、対応するイーサネットメッセージ５を、好ましくはＤＭＡモード毎に送信シフトレジスタ３３に取り込み、この送信シフトレジスタが所定の充填レベルに達した時点から、イーサネット伝送路２にイーサネットメッセージの送信を開始する。
【００３１】
この一連の送信には、最悪の場合、ジッタが重なり、このジッタに影響を受けた複数の処理が含まれる。最初のジッタは、すでに、イーサネットメッセージを変換する際に、制御コンピュータのオペレーティングシステムとソフトウェアドライバとの割り込み待機時間の変動により生じる。さらに、イーサネットメッセージを送信するまでにデータコードにおける所要時間の変動も生じる。最新の制御コンピュータにおいては、キャッシュメモリを有しており、キャッシュ内容に応じて要求される格納するための待機時間の長さが異なるので、上述に加えて、１つの同じデータコードが受け渡されることによる所要時間が変動する。これ以外に、さらに、イーサネットメッセージをイーサネットコントローラに転送する際にもジッタが生じる。イーサネットコントローラは、例えばＰＣＩバスなどのバスシステムを介して制御コンピュータに接続されている。このバスは制御コンピュータの別のシステム部分も使用しているので、イーサネットメッセージを送信シフトレジスタに送信するためにイーサネットコントローラが物理的なメモリにアクセスする際に、バス割り当てのための待機時間の長さが異なる。イーサネットコントローラが、ＤＭＡ伝送モードで動作せず、データがＣＰＵを介して物理的なメモリからイーサネットコントローラの送信シフトレジスタに伝送される場合でも、バス割り当てにおいて同様のジッタが生じる。さらに、イーサネットメッセージの送信は、送信シフトレジスタの充填レベルに応じて遅延の長さが異なる。これらのジッタによる処理が重なった場合、ジッタは全体として各実時間処理で許容されるジッタより大きくなり、その結果、実時間制御が保証できなくなる危険性がある。
【００３２】
従来の複雑な方法では、各ノード間の時間基準を調整（Angleichung）することによって、通信ジッタを補償しなければならない。これを行なわないために、イーサネットメッセージ５を送信シフトレジスタ３３から中断せずに送信するように、本発明のイーサネットコントローラ３はコンピュータノード１のＣＰＵ１２のソフトウェアドライバがプログラミングされている。このとき、送信シフトレジスタ３３と、これに接続されたイーサネットコントローラ３の符号化ユニット３３とが制御されることによって、送信されるイーサネットメッセージに続いてイーサネット伝送規格で定義された中断時間を省き、その後直ちに次のイーサネットメッセージを送信する。
【００３３】
動作する実時間処理における所定の周期時間の間に、連続的にイーサネットメッセージを確実に送信するために、ＣＰＵ１２のソフトウェアドライバは、所定の周期時間を正確に保つためにはどのくらいの長さのイーサネットメッセージをいくつ送信しなければならないかを計算する。ソフトウェアドライバは、イーサネットプロトコルの規格に応じて、送信されるデータ５３をスタート識別子５１とプリアンブル５２と検査合計５４とを有する対応する長さのイーサネットメッセージ５にまとめて、ノード１の物理的なメモリ１１に格納する。イーサネットコントローラ３の送信シフトレジスタ３３は、このイーサネットメッセージ５にアクセスしてこれをバッファ格納する。送信シフトレジスタ３３が所定の充填レベルに達すると送信処理が開始され、図２Ｂに示すように、イーサネットメッセージが連続的に送信される。この場合の送信処理では、所定の周期時間内に同じ長さの２つのメッセージが所定の中断時間を取って送信される。
【００３４】
イーサネットコントローラ３に設けられた送信シフトレジスタ３３を用いることによって、ノード１の物理的なメモリ１１におけるＣＰＵ１３のソフトウェアドライバによってメモリ１１に格納されるイーサネットメッセージの供給が、イーサネットメッセージの送信の時点から遮断される。その結果、実時間処理において、およびイーサネットメッセージのイーサネットコントローラ３への伝送において生じるジッタが消去される。送信処理のタイミングは、イーサネットコントローラ３とイーサネットコントローラ３の下流にあるイーサネット伝送路２の伝送形態（Uebertragungsphysik）とのみに依存する。イーサネットコントローラは、送信シフトレジスタ３３からイーサネットメッセージ５を正確に連続的に送信するため、ジッタのない送信を行なうことができる。
【００３５】
イーサネットメッセージを連続的に送信するために、実時間処理は、ノードにおけるＣＰＵ１２のソフトウェアドライバによってイーサネットコントローラ３に同期される。イーサネットコントローラ３は、実時間処理が制御コンピュータ１上で同期される時間基準（Zeitbasis）を決定する。これにより、常に、ＣＰＵ１２のソフトウェアドライバから送信されるイーサネットメッセージが十分量イーサネットコントローラ３に転送される。これにより、イーサネットコントローラ３の送信シフトレジスタ３３が空で動作することを防ぐことができる。したがって、メッセージの周期時間の侵害によりメッセージ送信遅延が生じて周期時間が侵害されることがなくなる。さらに、ノード１における実時間処理を、イーサネットコントローラ３の時間基準に同期させることによって、過剰のイーサネットメッセージがイーサネットコントローラ３に転送されることがない。その結果、送信シフトレジスタ３３はオーバーフローせず、イーサネットメッセージは十分速く送信されることになる。
【００３６】
実時間処理の１周期の間で送られるイーサネットメッセージの数と長さとを計算する際に、ノード１におけるＣＰＵ１２のソフトウェアドライバは、イーサネット伝送路２で使用されるボーレートと、送信されるデータをカプセル封じする際に自動的に挿入される追加的なデータ、すなわちスタート識別子５１、プリアンブル５２、検査合計５４、およびイーサネットメッセージ間で計測される中断時間とを考慮する。この追加的な信号は、イーサネット規格であるＩＥＥＥ  ８０２．３で決められており、１００ベースＴＸイーサネットすなわち１００Ｍボーの高速イーサネットにおいては、スタート識別子は８ビット、プリアンブルは５６ビット、検査合計は３２ビット、中断時間は６９ビットである。
【００３７】
実時間処理の周期時間が、ｘμ秒である場合、以下の式：
Ｌ＝（ｘ・１００）−（８＋５６＋３２＋６９）
が成り立つ。（ここで、Ｌは、イーサネットメッセージの最大ビット長である。）
周期時間が１００μ秒である場合には、
Ｌ＝９８０８ビット＝１２２６バイト
が得られる。
【００３８】
すなわち、ノード１におけるＣＰＵ１２のソフトウェアドライバは、１００μ秒の１周期中に１２２６バイトの中断時間を含めて全体の長さが同じである、１つまたは複数のメッセージを送ることができる。例えば、２つのメッセージが送信される場合、メッセージ毎のビット長は、中断時間を含めて６１３バイトである。それゆえ、１周期中に発生するメッセージ長がイーサネットメッセージの最大長さである１５００バイトより大きい場合には、複数のメッセージに分割することが必要となる。これにより、周期時間を十分に利用するために、常に複数のイーサネットメッセージを送信しなければならない。周期時間が５００μ秒と予め決められていれば、それぞれ１２２６バイト（１００μ秒）のメッセージを５つ送ることができる。
【００３９】
周期時間を予め決める代わりに、送信されるイーサネットメッセージの長さを予め決めて、イーサネットメッセージを連続的に送信することもでき、そこから必要な周期時間を算出することができる。この場合、ＣＰＵのソフトウェアドライバは、イーサネットメッセージの所定の長さと最大限許容される制御周期の長さとからイーサネットメッセージを確実に連続的に送信するための最適な周期時間を計算する。そして、実時間処理（例えば、機械制御）をイーサネットネットワークを用いて実行可能にする。ソフトウェアドライバは、ここでも、イーサネット伝送規格に応じて、送信するデータをスタート識別子５１とプリアンブル５２と検査合計５４とを含んだ相当の長さのイーサネットメッセージにまとめる。そして、このメッセージをノード１の物理的なメモリ１１に格納する。続いて、イーサネットコントローラ３の送信シフトレジスタ３３は、イーサネットメッセージ５にアクセスし、これをバッファ格納する。送信シフトレジスタ３３が、ある充填レベルに達した時点で送信処理が開始され、イーサネットメッセージが、計算された周期時間内に所定の中断時間を取って連続的に送信される。
【００４０】
ほぼ連続的に送信が行なわれる本発明の送信処理では、さらに、送信路中での衝突を防止しなければならない。これは、衝突が生じるとイーサネットコントローラが伝送を中断し、後に再開しなければならないからである。この場合、衝突のない送信処理が可能なイーサネットネットワークに適したトポロジは、ノード間においてピアツーピアの接続である。また、衝突を回避するスイッチを用いることによって、複数の関係する部分を駆動することも可能である。また、複数のノードをリング型のネットワークトポロジとすることも可能である。この場合、イーサネットメッセージは、遅延を小さくして、ノードからノードへ送信され最後に元の送信ノードに戻される。
【００４１】
通常、実時間処理は、駆動された関係する部分から帰還通知（Rueckmeldung）を必要とする。この場合、イーサネット伝送路２は、送信路と受信路とに分けて、完全な二重伝送路として形成される。これにより、送信されるイーサネットメッセージは、帰還通知を有する受信メッセージによって影響されない。この場合、送信された元のデータ量は最大伝送能力に相当するので、帰還するデータの量は送信された元のデータの量を超えてはならない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１Ａ】イーサネットネットワークを示す図である。
【図１Ｂ】イーサネットネットワーク中での、本発明のノード接続の設計を示す図である。
【図２Ａ】イーサネットメッセージを示す図である。
【図２Ｂ】本発明の送信プロセスを示す図である。
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【図２Ｂ】
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【国際調査報告】
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