JPH06508460A - 分散コンピューティング・ユニットを備えたシステム用の共通時間基準を生成する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 分散コンピユーテイング・ユニットを備えたシステム用の共通時間基準を生成す る方法 本願発明は、データ・バスを介する直列データ転送によって相互に通信し、各々 がそれ自体のクロック生成システムを有し、データ・バスを介して相互にタイミ ング情報を交換する、コンピユーテイング・ユニットを動作させる方法に関する 。

分散コンピユーテイング・ノードまたはコンピユーテイング・ユニットが直列デ ータ・バスを介して接続されたデータ処理構成は、主として、産業および自動車 用のローカル・ネットワークに使用されている。コンピユーテイング・ノードは 、特定の適用業務向けのデータ処理装置または信号処理装置から構成されている 。また、制御装置、センサおよび調整装置の間のデータ転送も含まれる。そのよ うなローカル・ネットワークは通常、リアルタイム条件のもとで動作する。すな わち、コンピュータ操作および制御介入を、特定のタイム・ウィンドウ内でプロ セスに伴って実行して、データがタイムリーに利用できるようにしなければなら ない。そうすることによって、関連プロセス・パラメータを個々のコンピユーテ イング・ノードに時間通りに転送し、最適なプロセス動作が保証されるようにす る必要がある。ローカル・ネットワークの場合、これは、コンピュータ・ノード が十分な処理容量を提供することを意味する。

データ転送においては、原則的にいわゆる「同報通信」システムと「２地点間」 システムが区別される。「同報通信」システムでは、あるノードがデータをバス に供給し、他のすべてのノードは受信を待つことができる。「２地点間」接続で は、それぞれの場合に定義された方法で２つのノードだけを相互に接続すること が可能であり、この一方のノードを被呼ノードと呼ぶ。

上記で定義したデータ処理システムの１例は、事実上の標準プロトコルを表すコ ントローラ・エリア・ネットワーク（ＣＡＮ）である。ＣＡＭは、参加ノードま たはコンピユーテイング・ノードを追加するときにいつでも拡張できる開放型シ ステムとして推奨されている、開放型システム相互接続（ＯＳＩ）基準モデルに 基づいている。ＣＡＮでは、物理レベル、転送レベル、オブジェクト・レベルな どの様々なレベルが区別される。

物理レベルは実質的に、信号の転送方法を定義する。関与するパラメータは、転 送媒体、信号のレベルおよびタイミング、転送速度、ならびにビット表現である 。転送レベルは、ＣＡＮプロトコルのカーネルを含む。転送レベルは、オブジェ クト・レベルと物理レベルの間の接続リンクを形成し、ビット・タイミング、オ ブジェクトまたはメツセージ・フレームの定義、転送肯定応答、エラー認識およ びエラー処理、ならびに調停、すなわち複数のコンピュータ・ノードが同時にバ スにアクセスしたときの衝突の解決の責任を負う。最後に、オブジェクト・レベ ルは、オブジェクトまたはメツセージのフィルタリング、および上位のアプリケ ーション・レベルに関連するオブジェクトの処理の責任を負う。これによって、 オブジェクトまたはメツセージは、バスと中間の当該の物理レベル、転送レベル 、およびオブジェクト・レベルとを介して、複数のアプリケーション・レベルと の間で両方向に伝送される。物理レベルおよびオブジェクト・レベルは、それぞ れのインプリメンテーシヨンに応じて変わることができる。しかし、転送レベル は、プロトコルによって定義される。

ＣＡＭの基本概念は、上記で定義したデータ処理構成のすべてのノード用の共通 の仮想データ・メモリという概念に基づいており、ネットワークは、その構造を 通じて、この共通仮想メモリのデータを現実化する仕事を引き受ける。プロトコ ルに従って、ネットワークを介してコンピユーテイング・ノードから送られるデ ータが組み立てられて、データ・フレームに対応するメツセージまたはオブジェ クトを形成する。データ・フレーム内では、たとえば、フレームの始めおよび終 りを示し、実データ・フィールドを定義する、様々なフィールドが定義される。

データ・フレームによって定義される各オブジェクトは、フレーム開始ビットの 後に、優性または劣性であり、データ名とオブジェクトの優先順位を定義する、 ヘッダ（識別子）を含む。オブジェクトの優先順位によってバスへのアクセスが 決定される。したがって、ヘッダの値は、ネットワークにおける衝突のない調停 にとって決定的な影響を持つ。つまり、他のメツセージよりも優先度の高いメツ セージがある。ＣＡＮプロトコルによれば、ヘッダの長さは１１ビツトである。

バスを介して伝送されるメンセージまたはオブジェクトは、コンピュータ・ノー ド内で管理される。伝送自体は広帯域伝送である。すなわち、特定の受信側ノー ドがアドレス指定されることはない。したがって、バスを介して伝送されるオブ ジェクトはまず、すべての潜在的受信先に到着する。次に、受信先は情報の流れ からどのメツセージまたはオブジェクトを受信すべきかを判断しなければならな い。情報の流れからの重要なオブジェクトのフィルタリングは、オブジェクトの ヘッダに基づいて行われる。

オブジェクト・レベルで行われ、複数の最適化手順に従って動作する、オブジェ クトの受入れに関するフィルタリングと、優先度の評価のための制御構成は既知 である。いわゆる完全ＣＡＭインプリメンテーションの例は、ドイツ特許明細書 第３５０６１１８号から知られる。同特許で実施されるオブジェクト・レベルは 、コンピユーテイング・ノードの接続された中央処理装置（ＣＰ　Ｕ）とは独立 に、ネットワークにおける全データまたはオブジェクトの管理を実行する。基本 ＣＡＮインプリメンテーションでは、オブジェクト管理全体が、電子制御装置に 含まれる中央処理装置によって扱われる。

分散コンピユーテイング・ノードを備えたそのようなデータ処理構成は、たとえ ば制御システムや調整システムなどのリアルタイム・システムで使用される。

目標値提供機構、実値提供機構、調整機構、制御メンバなど調整回路の諸要素が 、データ処理構成の分散構成要素または分散コンピユーテイング・ノードを形成 する。実値提供装置の例にはセンサがあり、制御メンバの例には被制御システム に作用するアクチュエータがある。制御回路を転送される必須データは、データ ・バスを介してデータ処理構成に転送される。それによって、各コンピユーテイ ング・ノードはそれに割り当てられた受信情報を記憶する。たとえば、制御回路 の動的挙動は、たとえば、サンプリング率と、センサ信号およびアクチュエータ 信号の遅延時間との影響を受ける。センサ信号またはアクチュエータ信号の遅延 は、動的挙動においては無駄時間として表れるが、これは制御回路では原則的に 好ましくない。無駄時間の結果、たとえば、制御プロセス全体が不安定になり、 あるいは少なくともその制御性能が損なわれる。しかし、そのような動的制御挙 動の損傷は、多くの場合、発生する無駄時間を考慮に入れることにより制御パラ メータの適合化によって、補償できる。

集中システムでは、制御回路構成要素が１つのユニットに集中され、処理コンピ ユーテイング・ユニットは単一の時間基準によって動作する。したがって、遅延 時間および無駄時間を、制御アルゴリズムを処理する際に決定し考慮することが できる。しかし、冒頭で述べた種類の分散システムを有するデータ処理構成では 、個々の構成要素が一般にそれ自体のクロック供給機構を有する。各クロック供 給機構は、通常、他の構成要素またはコンピユーテイング・ノードに対して非同 期的に動作する発振器を含む。たとえば、集中式クロック構成によって提供さ高 周波数クロック信号を用いると周囲への電磁放出が生じるので十分な電磁許容性 を確保するために、あるいはケーブル配線の費用を抑えるために排除される。

したがって、分散データ処理構成では、個々のコンピユーテイング・ノードのロ ーカル時間基準が異なるので、受信側ノードが、たとえばセンサ信号が生成され てから処理されるまでの時間を決定できないという問題がある。この問題は、信 号を生成するコンピユーテイング・ノードが信号値だけではなく、信号生成の時 間値を伝送する場合でも発生する。なぜなら、受信側ノードは、伝送される時間 値の時間基準を知らないからである。

ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ、 Ｃ−３６、Ｎｏ、　８．１９８７年８月発行、９３３〜９４０ページには、時間 エラーの５つの異なる原因が記載されている。これらの原因は次のとおりである 。

ａ）送信側ノードで個々のクロックが読み取られてから同期情報が送信されるま での時間経過 ｂ）ノードからバスへのアクセス時間（調停時間）が不確定なことＣ）送信側ノ ードでの転送時間、バスへの転送時間、および受信側ノードでの転送時間 ｄ）同期情報が受信されてから、受信の瞬間が記録すなわち記憶されるまでの時 間経過 ｅ）グラニュレーション時間。すなわち、ラスタによる時間情報の解決に必要な 時間。

上記論文は、１つのノードからバスを介して他のノードまで同期情報を転送する 方法と、該情報を記録する方法については述べていない。しかし、上述のエラー を想定した場合に大域時間システムが達成できる精度が検討されている。その結 果、計算すべき補正値に基づいて各ノードにおけるローカル時間がただちに補正 でき、あるいは次の同期期間中に連続補正が実行できることが確認されている。

すなわち、時間に対するカウント値の依存性を表す線形増加曲線は、計算でめら れるマスク時間を考慮すると、急激に上昇するか、あるいは傾斜部分がよじれて おり、マスク時間とローカル時間の曲線があとになって一致する。

すべてのノードに共通の時間基準を確立する方法を考えることができる。第１の 可能な方法は、送信側ノードのクロック読取りを、同期呼出しとすることができ るメツセージと同時に他のノードに伝送することである。この方法は非常に複雑 である。開始パルスの後、まず待機して、伝送が可能かどうか調べる必要がある 。可能な場合でも、得られた時間値を補正しなければならない。第２の可能な方 法は、送信側ノードにおけるクロックをゼロにセットし、このことを他のノード に同時に通知することである。この第２の方法は、送信側ノードの内部クロック を設定する時間にバスが解放されているかどうかが不確かなので問題がある。

この問題を解決するには、タイミング・メツセージに最高の優先順位を与えなけ ればならない。

一般に、バス上を伝送される共通時間信号によって個々のコンピユーテイング・ ノードを同期化する方法は可能ではない。なぜなら、この方法は、バス上の外乱 をコンピユーテイング・ノードが同期信号とみなす可能性があるという問題を伴 うからである。

したがって、冒頭で述べた種類の分散データ処理構成では、時間同期化機能は提 供されない。たとえば、既知のＣＡＭネットワークにおいて、ＣＡＮコントロー ラのインプリメンテーションは転送レベルから外に時間情報を転送しない。

コンピユーテイング・ノード、すなわち本質的には中央処理装置（ＣＰ　Ｕ）は 、該ノードから送信されるメツセージの場合、オブジェクト・レベルに伝送コマ ンドだけを与える。オブジェクト・レベルは、メツセージに与えられた優先順位 に従って自律的に伝送を実行する。この際、メツセージが伝送されるちょうどそ の瞬間にコンピユーテイング・ユニットに情報か提供されることはない。すなわ ち、コンピユーテイング・ユニットは、メツセージをいつ送出できるかを事前に 知っていない。ＣＡＮバスからメツセージを受信する際にも同じことが当てはま る。

この場合は、ＣＡＮコントローラが、提供されたフィルタリングに従って受信プ ロセス全体を自律的に実行し、関連するコンピユーテイング・ノードの中央コン ピユーテイング・ユニットには正確な受信時間に関する情報を与えない。したが って、そのようなコンピユーテイング・ノードの中央処理装置は、時間情報を、 出力信号を介してＣＡＮコントローラから直接受信することも、オブジェクト・ レベルを介して受信することもない。

したがって、本願発明の目的は、データ・バスを介する直列データ転送によって 相互に通信し、各々がそれ自体のクロック生成システムを育し、システム用の正 確な時間基準を生成するためのタイミング情報をデータ・バスを介して交換する 、コンピユーテイング・ユニットを動作させる方法を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の特徴によって達成される。

本願発明は、分散データ処理構成に大域時間基準を導入できるようにするという 利点を育する。本願発明では、オブジェクトの交換用に提供されたプロトコルを 使用し、したがって中央クロック供給機構は不！である。大域時間システムの支 援により、データ信号が生成されてから処理されるまでの時間遅延を考慮に入れ ることが可能となる。したがって、無駄時間を考慮に入れることができ、たとえ ば、制御回路の動的挙動を改善することができる。大域時間基準の支援により、 信号を生成するコンピユーテイング・ノードは、時間値を情報値または信号値と 共に転送することができる。この時間値は、ローカル時間基準から大域時間基準 に変換される。情報信号を処理する受信側コンピユーテイング・ノードは、転送 された時間値を該ノードのローカル時間基準に変換し、それによって、信号が生 成されてから処理されるまでの全遅延を決定することができる。分散データ処理 構成をほぼどんな程度にも拡張できるという利点は、多大な費用を要せずに維持 される。本願発明による方法は、「同報通信」システムと「２地点間」システム の両方に使用できるので好都合である。

本願発明の主要な利点は、個々のノードのクロックが、たとえばカウンタ値の調 整によっであるノードのクロックに同期化されることがない点である。しかし、 その代わりに、各ノードは変換によって別のノードにおける時間を計算すること ができる。本願発明では、ローカル時間を連続してまたは不連続に補正する必要 がなくなり、各ノードが、別のノードの実時間を計算できる。したがって、複数 の／−ドがあり、その内部クロックの安定性がそれぞれ異なる場合、時間変化率 が異なるときでも、線形またはほぼ線形の時間変化、広範囲の同期化を有するよ り安定したクロックが提供される。時間変化の違いによって生じるクロック・カ ウンタ値の差は、変換によって簡単に解消することができる。

本願発明の実施例は、従属請求項で特徴付けられる。

次に、図面を参照して本発明について説明する。

図１は、本願発明に従ったデータ処理構成の原理を示す回路図である。

図２は、タイミング関係を説明する助けとなる図である。

図３は、変換方程式を説明する助けとなる図である。

図１に示すように、データ処理構成は、ＣＡＮユニットＣＥＲと、ＣＥＩないし ＣＲ２を含む。各ＣＡＮユニットは、例示的構成を表すものにすぎないが、いわ ゆる基本ＣＡＮユニットとして実施される。すなわち、コンピユーテイング・ノ ードＣＮＲおよびＣＮＩないしＣＮ４と共に、ＣＡＮコントローラＣＡＮＲおよ びＣ，”、Ｎ１ないしＣＡＮ４が提供されている。ＣＡＭコントローラは受入れ フィルタリングおよび入力バッファリングを扱う。オブジェクト管理およびアプ リケ−／ヨンは、コンピユーテイング・ノードによって実行される。個々のＣＡ Ｎユニットは、データ・バスＢによって相互に接続されている。個々のＣＡＭユ ニット間で交換されるメツセージまたはオブジェクトは、コンピユーテイング・ ノードか呟それと関連するオブジェクト・レベルおよび転送レベルを介してデー タ・バスＢに到着する。これとは逆に、オブジェクトは、データ・バスから、転 送レベルおよびオブジェクト・レベルを介してコンピユーテイング・ノードに到 着する。ＣＡＮ構造によれば、転送レベルとデータ・バスＢの間に物理レベルも 挿入されている。

ここで考慮しているＣＡＮシステムは、「同報通信」方式に従って動作する。

しかし、以下で述べる本願発明は、「２地点間」システムにおいても実施可能で ある。

本願発明によれば、各ノードがそれ自体のクロック時間を他のノードのクロック 時間と比較することができる。この目的で、１つのノードがバスに同期メツセー ジを供給する。この同期メツセージは、他のメツセージと同様にビット・フレー ムから構成される。ビットは、そのメツセージが同期メツセージであるという指 示を含む。

優先順位つきでまたはなしでノードから送られた同期メツセージがバスに到着す ると、他のすべてのノードがこの同期メツセージを受信する。他のすべてのノー ドは、このメツセージを受信した時点で、その瞬間カウンタ値を記録する。ノー ドから送られる同期メツセージは、送信側ノードのカウンタ値を含むことができ るが、必ずしもそうする必要はない。このメツセージは、時間の記録をめる要求 であればよい。

同期メツセージ、すなわち、時間の読取りをめる要求が供給された時点で、送信 側ノードを含む各ノードで、できるだけ同時にかつ確実に時間の読取りを行わな ければならない。

最大限に正確な同時性を確保するための１つの可能な方法は、受信されたメゾセ ージの開始エツジの瞬間におけるそのカウンタ値を記録することである。この瞬 間には、どの受信側ノードも、受信したメツセージが同期化要求であるかどうか 知っていない。そのことは、メツセージ全体が届いたときに初めて決定できる。

すなわち、メツセージ全体から、それが同期化要求だったかどうかを確認するこ とができる。受信したメツセージは同期化要求と関係がないことが該メツセージ の評価で示された場合、記録されたカウンタ値は再び削除される。しかし、同期 化要求であることか示された場合は、記録されたカウンタ値は保持され、受信側 ノードが後でこの値をバスに供給することができる。

記憶プロセスの後、個々のノードは、記録されたカウンタ値をバスに伝送し、各 ノードが他のノードの内部クロックについて知っているようになる。

最大限に正確な同時性を得るにあたっては、必ずしもビット・フレームの開始エ ツジで同期化する必要はない。ノードの内部クロックのカウンタ値を記録するこ とができる、フレーム内の他の時点も考えられ、それを使用することも可能であ る。

長いフレームの場合、ＣＡＮプロトコルでは、フレームの開始エツジの後、伝送 マスクで、すなわちハードウェア手段によるトリガを通じて同期化を繰り返すこ とができる。すなわち、フレーム内の所定のビットのエツジで、受信側コンピユ ーテイング・ノードの走査ラスタが受信中のフレームのマスクに適合される。

これを「ハード同期化」と称する。このハード同期化が必要なのは、送信側クロ ックと受信側クロックの動作の違いによって、走査マスクが、受信中のフレーム のマスクから大きく逸脱して、ビットの識別、すなわちフレームの評価が不可能 になるのを避けるためである。したがって、受信側ノードのローカル・ビット時 間カウンタが、受信したメツセージの開始エツジとハード同期化点とで新たにカ ウントを開始する。これとは別に、各ノードの内部クロックは引き続き動作し、 停止しない。ただし、ノードの内部クロックのカウンタ値は、受信したフレーム の開始エツジの瞬間、またはハード同期化の瞬間に記録される。

それぞれの場合に、所定の瞬間におけるノードの内部クロックのカウンタ値が記 録される。特に、ＣＡＮの場合、その後に初めてメツセージ全体が評価され、エ ラーが訂正される。その後に初めて、メツセージが同期化要求であるかどうか確 認することができる。

内部クロックの動作が一様であることが保証されるときは、内部クロックの動作 は一様にならないが、単一の時点における時間比較で十分である。個々のノード の内部クロックを表すカウンタのカウンタ速度が異なるが、一様すなわち線形で ある場合は、２つの連続する時点でのカウンタ値の伝送で十分である。カウンタ 値が時間に線形で依存しない場合は、検証に３つ以上の時点が必要となる。

本願発明によれば、各ノードが他のノードの実時間を計算することができる。

したがって、ローカル時間の連続的補正も不連続的補正も行う必要はない。この ため、複数のノードがあり、その内部クロックの安定性がそれぞれ異なる場合、 線形またはほぼ線形の時間変化を有するより安定したクロックで程度の高い同期 化が提供される。異なる時間変化率が存在するときでも、時間変化の違い、すな わち非線形特性によって生じるクロック・カウンタ値の差は、変換によって簡単 に解消することができる。

複数のノードがある場合は、１つまたは少なくとも数個のノードをマスタ・ノー ド、すなわち最も安定したクロックを有するノードとして宣言しようと努める。

こうすれば、すべてのノードが同期化要求に応じてバスにカウンタ値を通知する 必要がなくなり、かつバスに情報が過剰にロードされることが避けられる。たと えば、同期化コマンドに応じて１つのノードをマスタ・ノードとして選択した場 合、同期化要求に応じてこのマスク・ノードだけがバスを介して他のノードにこ のカウンタ値を通知すればよく、その後に他のノードはその時間をマスク時間と 関連付けることができる。他のノードは、マスク時間を適切に変換した後、相互 に通信できるようになる。

しかし、同期化要求に応じて、すべてのノードが最初にそのカウンタ読取り値を バスに通知し、それによって他のノードに通知すべき場合、この通知は、適切に 提供されたプロトコルを用いて、どのノードが最も安定したクロックを有するか を決定するために行われる。その後、各ノードが、どのノードをマスタ・ノード として選択するかについて合意することができる。その後、本願発明に従ったタ イミング情報の相対化が行える。

本願発明によれば、前述のＩ　ＥＥＥ刊行物に列挙されたエラーａ）、ｂ）、Ｃ ）を避けることができる。このため、時間を、したがって大域時間基準を測定す る際の精度が大幅に向上する。

このように、本願発明では、同期化要求の直後に、すなわち同一フレーム内で、 ノードがそれ自体の時間を通知する必要も、ローカル・クロックを停止または調 整する必要もない。本願発明によれば、まず時間の測定をめる要求だけが出され 、その後、その要求が実際に時間の測定をめるものかどうかが判断される。

時間の測定をめるものでなかった場合、測定された時間は再び削除される。測定 をめるものであった場合は、測定された時間がさらに記憶され、後の情報ギャッ プに他のノードに送信される。

図１に従って共通大域時間基準を生成するには、１つのコンピユーテイング・ノ ードとそのローカル時間基準を、参照コンピユーテイング・ノードＣＮＲおよマ スク・コンピユーテイングＣＮＲは、そのＣＡＮコントローラＣＡＮＲを介して バスにアクセスする。参照コンピユーテイング・ノードから送信された時間同期 化情報は、該タイミング情報が伝送プロトコルに含まれる場合、受信側ノードに よって認識される。伝送プロトコルを識別できるかどうかに基づいて、バスを介 して伝送されるオブジェクトが有効かどうかを認識することができる。受信側ノ ードは、まず転送プレインにおける着信オブジェクトを調べて、オブジェクトが 有効かどうかを決定する。次に、オブジェクト・レベルで、このオブジェクトが タイミング情報を含むかどうかが確認される。

オブジェクトが送信または受信される厳密な瞬間に関する情報は、転送レベル外 から、接続されたコンピユーテイング・ノードに供給されるものとする。インプ リメンテーションはＣＡＮコントローラ内で行われる。転送レベルの送信情報ま たは受信情報は、オブジェクト・レベルを介して、またはＣＡＮコントローラの 出力信号を介してコンピユーテイング・ノードに供給される。

大域時間基準の生成、すなわちコンピユーテイング・ノードの同期化については 、あるコンピユーテイング・ノードをマスク・コンピユーテイング・ノードまた は参照コンピユーテイング・ノードとして選択した後に、この参照コンピユーテ イング・ノードＣＮＲが同期化オブジェクトを送信し、その同期化オブジェクト が他のすべてのコンピユーテイング・ノードでほぼ同時に受信されるものとする 。すなわち、オブジェクトの受信は、すべてのネットワーク・ノードにおいて十 分な精度で同時であるとみなすことができる。同期化オブジェクトの送信は、参 照コンピユーテイング・ノードの転送レベルで決定され、同期化オブジェクトの 受信は他のコンピユーテイング・ノードの転送レベルで決定される。すべての転 送レベルは、その関連するコンピユーテイング・ノードにメツセージを供給する 。各フンピユーティング・ノードは、転送レベルからメ・クセージを受信すると 、そのローカル時間を記憶する。すなわち、参照コンピユーテイング・ノードも そのローカル時間を記憶する。その後、参照コンピユーテイング・ノードで、同 期化オブジェクトが実際にいつ送信されたかが決定される。他のすべてのコンピ ユーテイング・ノードは、同期化オブジェクトか到着した時間を記録する。参照 コンピユーテイング・ノードは、後で、それか記憶している参照時間を他のコン ピユーテイング・ノードに通知する。この参照時間は、同期化オブジェクトが送 信された時間である。他のコンピユーテイング・ノードは同様に、それが記憶し ている時間を他のノードに通知する。したがって、各コンピユーテイング・ユニ ットは参照時間または他のノードの時間を参照しながら、それ自体の時間を計算 することができる。

オブジェクト・レベルからの情報によって転送レベルからのタイミング情報か修 飾できるものとする。すなわち、転送レベルからのタイミング情報を、同期化オ ブジェクトまたは時間比較メツセージとして特徴付けられる特定のオブジェクト とリンクすることができる。たとえば、タイミング情報が、ＣＡＮコントローラ の出力信号を介して転送レベルからコンピユーテイング・ノードに直接送信され る場合、ＣＡＭコントローラは、バス上を通過する各オブジェクトで修飾されず に生成される同期化信号、またはオブジェクト・レベルからの情報で修飾され、 たとえばヘッダまたは識別子によって特徴付けられた特定のオブジェクトによっ てのみ生成される同期化信号を生成する。ＣＡＮコントローラのこれらのメツセ ージまたは同期化情報が、関連するコンピユーテイング・ノードに発行される瞬 間は、オブジェクト・フレームの開始ビットに対して所定のタイミング関係を有 する。したがって、参照コンピユーテイング・ノードのオブジェクトまたは同期 化オブジェクトの開始ビットが、プロトコルに従ってオブジェクト・フレームに 含まれるすべてのビットが同期化される基準となるビットであることが考慮に入 れられる。すなわち、開始ビットのビット・エツジがオブジェクト・フレームの 最も正確なエツジである。したがって、オブジェクト・フレームの開始ビットは まず、オブジェクトの内容によってその修飾が可能な、未修飾の時間信号を供給 する。したがって、転送レベルで、メツセージが有効であることが確認され、オ ブジェクト・レベルでは、それが時間オブジェクトであることが確認される。し たがって、受信側コンピユーテイング・ノードは、オブジェクトが到着するたび に、ローカル時間を決定しそれを記憶することができる。

オブジェクトの識別後、オブジェクトが参照コンピユーテイング・ノードから供 給されるタイミング情報を含まないことが確認された場合、受信側ノードの記憶 されているローカル時間が削除される。しかし、タイミング情報が含まれている ことが確認された場合は、削除機構は動作せず、ローカル時間を記憶されたまま にすることができる。参照時間または他のノードの時間を通知することにより、 ローカル時間の時間関係が確立される。

原則的に、クロックが安定している場合、各コンピユーテイング・ノードに必要 なのは、それ自体の時間と、参照時間またはその他の時間を認識することだけで ある。各コンピユーテイング・ノードは、これらの時間に関する知識から、参照 時間に対する将来のローカル時間を外挿することができる。この特徴はどのノー ドにも当てはまる。したがって、各コンピユーテイング・ノードは、バスに伝送 すべきオブジェクトを、参照時間に基づいて計算されたタイミング情報と共に提 供することができる。したがって、送信側ノードも接続された受信側ノードも、 このタイミング情報を同一のイベント、すなわち参照コンピユーテイング・ノー ドの参照時間と関連付けることができる。前提条件は、すべてのメツセージまた はオブジェクトがすべてのネットワーク・ノードでほぼ同時に現れることである 。

ＣＡＮコンピユーテイング・ノードの時間基準は一般に、一定の周波数で発振す る発振器とカウンタとを備える。個々の発振器の周波数は通常互いに異なるので 、コンピュータの時間基準も異なる。同期化オブジェクトとメツセージまたは同 期化信号が転送レベルからコンピユーテイング・ノードに送信された後、同期化 点が確立されると、各コンピユーテイング・ノードは、将来に備えて、他のカウ ンタの周波数に関する知識を使って、参照時間に基づき、それ自体の時間、およ び他のノードのローカル時間との関係を計算する。他のコンピユーテイング・ノ ードの時間基準の周波数が分からない場合、それぞれのコンピユーテイング・ノ ードのローカル時間基準を決定できるようにするために、２つの同期化プロセス を連続して実行しなければならない。それによって、最初の概算で、コンピユー テイング・ノードの時間基準によるカウンタ値が、時間の一次関数を形成すると 想定される。個々のコンピユーテイング・ノードの時間基準の非線形特性は、同 期化プロセスを定期的に繰り返すことによって考慮に入れられる。

図１に示すコンピユーテイング・ノードの好ましい構成では、各ノードが、クロ ック生成機構ＴＲおよびＴ１ないしＴ４と、キャプチャ・レジスタＣＲＲおよび ＣＲＩないしＣＲ４を備えている。記号で示したように、ＣＡＮコントローラは 、バスＢからオブジェクトを受信すると、関連するキャプチャ・レジスタＣＲｉ に、関連するクロック生成機構Ｔｉの瞬間時間を保持することをめるコマンドを 供給する。保持動作は、受信されたオブジェクト・フレームの開始パルスによっ て行われる。オブジェクト・フレームの評価後、このフレームがタイミング情報 を含んでいると決定された場合、クロック生成機構Ｔｉの決定されたローカル時 間は記憶されたままになり、そうでない場合は、ローカル時間が削除される。

バス稼働時間は何の役割も果たさないとみなされ、すべてのネットワーク・ノー ドでバス上のオブジェクトがほぼ同時に存在するので、各コンピユーテイング・ ノードのＣＡＮコントローラによる時間の記録をめるコマンドの発行、または転 送レベルからコンピユーテイング・ノードへの適切なメツセージの送信、および それに続くすべてのコンピユーテイング・ノードでのローカル時間の記憶が、は ぼ同時に発生する。

図２は、コンピユーテイング・ノードＣＮＨの大域時間基準を考慮に入れて、コ ンピユーテイング・ノードＣＡＮ１からコンピユーテイング・ノードＣＡＮ２に オブジェクトを送信する際の時間関係について説明している。時間基準ＴＲとの 差が△Ｔ１である時間基準ＴＩを有するコンピユーテイング・ノードＣＡＮＩは 、時点Ａにセンサの走査信号を生成する。この走査信号は、優先順位を考慮に入 れて、時点Ｓにバスに供給され、時点ＥにＣＡＮユニツ１−ＣＦ２に受信される 。

ＣＡＭユニットＣＥ２は、参照時間ＴＲとの差が△Ｔ２である時間基準Ｔ２を有 する。時点Ｅに受信されたオブジェクトは、時点Ｖに処理される。したがって、 時点Ａにおける信号の生成と、時点Ｖにおける信号情報の処理との時間差はＤに なる。本願発明により、受信側コンピユーテイング・ノードが、共通時間基準に 基づいて、オブジェクトの受信時間とその処理だけでなく、このコンピユーテイ ング・ノードが、共通時間基準に対する送信の時点Ａを受信側ノードに通知した 場合には、コンピユーテイング・ノードにおけるオブジェクトの送信の時点も確 認することが可能となる。したがって、たとえば定期的プロセスで、全遅延時間 りを考慮に入れることができる。

図３は、２つのコンピユーテイング・ユニットに２つの線形時間従属クロックが ある場合の変換方程式の例を示している。ノードＭおよびノードにのクロック時 間Ｕをめる。クロック時間は、修正なしの方程式で記述することができる。

ただし、△は傾き、ｔは時間、０は開始値またはオフセットである。

ＵＭ　（ｔ）　＝ΔＭ　−ｔ　＋ＯＭ ＵＫ　（Ｄ　＝ΔＫ　−ｔ　＋ＯＫ コンピユーテイング・ノードには、仮定した時点ｔ、および１＋−一こおける２ つの時間読取り値を選択した後、ノードＭの記憶されているクロック値ＵＫ（ｔ 。

）およびＵＫ（ｔ＋−＋　）と伝送されたクロック値ＵＭ（ｔ＋）およびＵＭ（ ｔ、−＋）を使って、次の変換方程式を計算することができる。

ＵＭ　（ｔ＋　）　−ＵＭ　（ｔ＋−＋　）ＯＫ、Ｍ　＝ＵＫ　（Ｌ−＋　）　 ＡＫ、Ｍ　（ｔ＋−＋　−ｔ。）コンピユーテイング・ノードＭに、対応する方 程式を適用する。この方程式では、ノードにの記憶されている時点および伝送さ れた時点を使って、次式を計算することができる。

ＵＫ　（ｔ＋　）　ＵＫ　（ｔ＋−＋　）ＯＭ、Ｋ　＝ＵＭ　（ｔ、、　）−Δ Ｍ、Ｋ　（ｔ＋−＋　ｔｏ）以上の方程式および図３から、各々の関与するコン ピユーテイング・ノードが時間読取り時に時間値を記憶する必要があることは明 白である。

実際に大域時間基準を生成する手順について、修飾付きタイミング情報を参照し ながら説明する。伝送されるオブジェクトにおける参照コンピユーテイング・ノ ードのタイミング情報には、オブジェクト・フレーム内のヘッダ（ｗＸＸ壬子が ある。ヘッダには所定の番号が割り当てられる。ヘッダは、時間比較メツセージ が含まれていることを受信側ノードに知らせる。メツセージの優先順位付けが可 能である。この構成は、すべてのコンピユーテイング・ノードに共通に適用され る。参照コンピユーテイング・ノードからの第１のオブジェクトによって、接続 されたコンピユーテイング・ノードの同期化機構を起動すると好都合である。各 コンピユーテイング・ノードは、第１の時間オブジェクトを受信した後、その同 期化機構によって、受信されたオブジェクトの各開始パルスに反応する。各コン ピユーテイング・ノードは、第２のオブジェクトを受信すると、開始パルスが同 期化が行われる時点であることを知る。それによって、たとえばキャプチャ・レ ジスタ内の削除機構が動作不能になり、したがって新しいローカル時間値は記録 されない。参照コンピユーテイング・ノードがらの第３のオブジェクトによって 、このノードの送信側参照時間が通信される。

本願発明の支援により、オブジェクトに関するタイミング情報をすべてのノード に拡張する形で処理するための大域時間基準を、分散データ処理構成に導入する ことが可能となる。そのために必要な同期化機構は、データ転送プロトコルによ って決定される。この種のインプリメンテ−シランにより、利用可能になったタ イミング情報を、中央クロッキング機構を必要とせずに直列データ・バスを介し て直接獲得することができる。分散データ処理構成を問題なく拡張できるという 利点は維持される。

ＳＡ　’１８５ フロントページの続き （５１）　Ｉｎｔ、　Ｃ１，５識別記号　庁内整理番号ＨＯ４Ｌ　１２／４０ Ｉ

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．データ・バスを介する直列データ転送によって相互に通信し、各々がそれ自 体のクロック生成システムを有し、データ・バスを介してタイミング情報を交換 する、コンピューティング・ユニットを動作させる方法であって、ａ）時間合せ 開始信号がデータ・バスに供給され、ｂ）各コンピューティング・ユニットが、 時間合せ開始信号を識別した時、それ自体の時間値を記憶し、 ｃ）各コンピューティング・ユニットが次に、後のある時点で、記憶しているそ れ自体の時間値を他のコンピューティング・ユニットに転送し、ｄ）各コンピュ ーティング・ユニットが、他のコンピューティング・ユニットから受信した時間 値を記憶し、 ｅ）各コンピューティング・ユニットが、記憶しているそれ自体の時間値を、記 憶している他のコンピューティング・ユニットの時間値と比較し、それ自体の現 在値を考慮に入れて他のコンピューティング・ユニットの現在時間値を計算する ことを特徴とする方法。
2. ２．ａ）２つ以上の時間合せ開始信号が、連続した時点にデータ・バスに供給さ れ、 ｂ）各コンピューティング・ユニットが、時間合せ開始信号を識別した時、対応 するそれ自体の時間値を記憶し、 ｃ）各コンピューティング・ユニットが次に、後のある時点で、記憶しているそ れ自体の時間値を他のコンピューティング・ユニットに転送し、ｄ）各コンピュ ーティング・ユニットが、他のコンピューティング・ユニットから受信した時間 値を記憶し、 ｅ）各コンピューティング・ユニットが、記憶しているそれ自体の時間値を、記 憶している他のコンピューティング・ユニットの時間値と比較し、それ自体の現 在時間値を考慮して他のコンピューティング・ユニットの現在時間値を計算する ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. ３．１つまたは複数の時間合せ開始信号が１つのコンピューティング・ユニット によってデータ・バスに供給されることを特徴とする、請求項１または請求項２ に記載の方法。
4. ４．データ・シリーズの特性部分を時間合せ開始信号として使用することを特徴 とする、請求項２または請求項３に記載の方法。
5. ５．時間合せ開始信号に関する検証データが、時間合せ開始信号を含むデータ・ シリーズと共に提供されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. ６．コンピューティング・ユニットが、時間合せ開始信号に属する検証データを 認識できない場合に、各コンピューティング・ユニットが、データ・バス上に時 間合せ開始信号が出現したときに記憶したそれ自体の時間値を再び削除すること を特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. ７．データ・シリーズの第１のパルス・エッジを時間合せ開始信号として使用す ることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
8. ８．データ・シリーズが長いとき、受信したデータのビット識別用に、データ・ シリーズに含まれる同期化信号を使って受信側コンピューティング・ユニットが 生成するパルス・ラスタのハードウェア同期化が提供されている場合に、同期化 信号を時間合せ開始信号として使用することを特徴とする、請求項４に記載の方 法。
9. ９．直列データ・バスを介して相互に通信し、それ自体のローカル時間基準を有 し、オブジェクト・レベルおよび転送レベルを介してデータ・バスに到着するオ ブジェクトを、またその逆にデータ・バスから到着するオブジェクトを相互間で 交換する、分散コンピューティング・ユニットを備えたデータ処理構成であって 、オブジェクトの受信後に、転送レベルから、関連するコンピューティング・ノ ードにメッセージを転送するための手段が設けられており、このコンピューティ ング・ノードがローカル時間基準と同期化させるための同期化機構を含むことを 特徴とするデータ処理構成。
10. １０．同期化機構が、ローカル時間（ＴＲ、Ｔ１ないしＴ４）を記憶するための 記憶機構（ＣＲＲ、ＣＲ１ないしＣＲ４）を有することを特徴とする、請求項９ に記載のデータ処理構成。
11. １１．同期化構成がキャブチャ・レジスタ（ＣＲＲ、ＣＲ１ないしＣＲ４）を含 むことを特徴とする、請求項９または請求項１０に記載のデータ処理構成。
12. １２．各コンピューティング・ノードが、ローカル時間基準としてのカウンタを 備えた発振器を含むことを特徴とする、請求項９ないし請求項１１のいずれかに 記載のデータ処理構成。
13. １３．メッセージ転送手段が、転送レベルを、直接にまたはオブジェクト・レベ ルを介して、関連するコンピューティング・ノードに接続することを特徴とする 、請求項９ないし請求項１２のいずれかに記載のデータ処理構成。