Phasing of Periodic Tasks Distributed over Real-time Fieldbus

In designing a distributed hard real-time system, it is important to reduce the end-to-end delay of each real-time message in order to ensure quick responses to external inputs and a high degree of synchronization among cooperating actuators. In order to provide a real-time guarantee for each message, the related literature has focused on the analysis of end-to-end delays based on worst-case task phasing. However, such analyses are too pessimistic because they do not assume a global clock. With the assumption that task phases can be managed by using a global clock provided by emerging real-time fieldbuses, such as EtherCAT, we can try to calculate the optimal task phasing that yields the minimal worst-case end-to-end delay. In this study, we propose a heuristic to manage the phase offsets in the distributed tasks to reduce the theoretical end-to-end delay bound. The proposed heuristic reduces the search time for a solution by identifying time intervals where actual communication occurs among inter-dependent tasks. Furthermore, to analyze the distribution of endto- end delays in different phases, we implemented a simulation tool. The simulation results showed that the proposed heuristic can reduce worst-case end-to-end delay as well as jitter in end-to-end delays

CSP channels for CAN-bus connected embedded control systems

Closed loop control system typically contains multitude of sensors and actuators operated simultaneously. So they are parallel and distributed in its essence. But when mapping this parallelism to software, lot of obstacles concerning multithreading communication and synchronization issues arise. To overcome this problem, the CT kernel/library based on CSP algebra has been developed. This project (TES.5410) is about developing communication extension to the CT library to make it applicable in distributed systems. Since the library is tailored for control systems, properties and requirements of control systems are taken into special consideration. Applicability of existing middleware solutions is examined. A comparison of applicable fieldbus protocols is done in order to determine most suitable ones and CAN fieldbus is chosen to be first fieldbus used. Brief overview of CSP and existing CSP based libraries is given. Middleware architecture is proposed along with few novel ideas

Ethernet-based systems: contributions to the holistic analysis

A number of characteristics are boosting the eagerness of extending Ethernet to also cover factory-floor distributed real-time applications. Full-duplex links, non-blocking and priority-based switching, bandwidth availability, just to mention a few, are characteristics upon which that eagerness is building up. But, will Ethernet technologies really manage to replace traditional Fieldbus networks? To this question, Fieldbus fundamentalists often argue that the two technologies are not comparable. In fact, Ethernet technology, by itself, does not include features above the lower layers of the OSI communication model. Where are the higher layers that permit building real industrial applications? And, taking for free that they are available, what is the impact of those protocols, mechanisms and application models on the overall performance of Ethernetbased distributed factory-floor applications? In this paper we provide some contributions that may pave the way towards providing some reasonable answers to these issues

FTT-Ethernet: A Flexible Real-Time Communication Protocol that Supports Dynamic QoS Management on Ethernet-based Systems

Ethernet was not originally developed to meet the requirements of real-time industrial automation systems and it was commonly considered unsuited for applications at the field level. Hence, several techniques were developed to make this protocol exhibit real-time behavior, some of them requiring specialized hardware, others providing soft-real-time guarantees only, or others achieving hard real-time guarantees with different levels of bandwidth efficiency. More recently, there has been an effort to support quality-of-service (QoS) negotiation and enforcement but there is not yet an Ethernet-based data link protocol capable of providing dynamic QoS management to further exploit the variable requirements of dynamic applications. This paper presents the FTT-Ethernet protocol, which efficiently supports hard-real-time operation in a flexible way, seamlessly over shared or switched Ethernet. The FTT-Ethernet protocol employs an efficient master/multislave transmission control technique and combines online scheduling with online admission control, to guarantee continued real-time operation under dynamic communication requirements, together with data structures and mechanisms that are tailored to support dynamic QoS management. The paper includes a sample application, aiming at the management of video streams, which highlights the protocol’s ability to support dynamic QoS management with real-time guarantees

A scheduling algorithm for CAN bus

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

From simulation to statistical analysis: timeliness assessment of ethernet/IP-based distributed systems

A number of characteristics are boosting the eagerness of extending Ethernet to also cover factory-floor distributed real-time applications. Full-duplex links, non-blocking and priority-based switching, bandwidth availability, just to mention a few, are characteristics upon which that eagerness is building up. But, will Ethernet technologies really manage to replace traditional Fieldbus networks? Ethernet technology, by itself, does not include features above the lower layers of the OSI communication model. In the past few years, it is particularly significant the considerable amount of work that has been devoted to the timing analysis of Ethernet-based technologies. It happens, however, that the majority of those works are restricted to the analysis of sub-sets of the overall computing and communication system, thus without addressing timeliness at a holistic level. To this end, we are addressing a few inter-linked research topics with the purpose of setting a framework for the development of tools suitable to extract temporal properties of Commercial-Off-The-Shelf (COTS) Ethernet-based factory-floor distributed systems. This framework is being applied to a specific COTS technology, Ethernet/IP. In this paper, we reason about the modelling and simulation of Ethernet/IP-based systems, and on the use of statistical analysis techniques to provide usable results. Discrete event simulation models of a distributed system can be a powerful tool for the timeliness evaluation of the overall system, but particular care must be taken with the results provided by traditional statistical analysis techniques

Tolerância a falhas em sistemas de comunicação de tempo-real flexíveis

Nas últimas décadas, os sistemas embutidos distribuídos, têm sido usados em variados domínios de aplicação, desde o controlo de processos industriais até ao controlo de aviões e automóveis, sendo expectável que esta tendência se mantenha e até se intensifique durante os próximos anos. Os requisitos de confiabilidade de algumas destas aplicações são extremamente importantes, visto que o não cumprimento de serviços de uma forma previsível e pontual pode causar graves danos económicos ou até pôr em risco vidas humanas. A adopção das melhores práticas de projecto no desenvolvimento destes sistemas não elimina, por si só, a ocorrência de falhas causadas pelo comportamento não determinístico do ambiente onde o sistema embutido distribuído operará. Desta forma, é necessário incluir mecanismos de tolerância a falhas que impeçam que eventuais falhas possam comprometer todo o sistema. Contudo, para serem eficazes, os mecanismos de tolerância a falhas necessitam ter conhecimento a priori do comportamento correcto do sistema de modo a poderem ser capazes de distinguir os modos correctos de funcionamento dos incorrectos. Tradicionalmente, quando se projectam mecanismos de tolerância a falhas, o conhecimento a priori significa que todos os possíveis modos de funcionamento são conhecidos na fase de projecto, não os podendo adaptar nem fazer evoluir durante a operação do sistema. Como consequência, os sistemas projectados de acordo com este princípio ou são completamente estáticos ou permitem apenas um pequeno número de modos de operação. Contudo, é desejável que os sistemas disponham de alguma flexibilidade de modo a suportarem a evolução dos requisitos durante a fase de operação, simplificar a manutenção e reparação, bem como melhorar a eficiência usando apenas os recursos do sistema que são efectivamente necessários em cada instante. Além disto, esta eficiência pode ter um impacto positivo no custo do sistema, em virtude deste poder disponibilizar mais funcionalidades com o mesmo custo ou a mesma funcionalidade a um menor custo. Porém, flexibilidade e confiabilidade têm sido encarados como conceitos conflituais. Isto deve-se ao facto de flexibilidade implicar a capacidade de permitir a evolução dos requisitos que, por sua vez, podem levar a cenários de operação imprevisíveis e possivelmente inseguros. Desta fora, é comummente aceite que apenas um sistema completamente estático pode ser tornado confiável, o que significa que todos os aspectos operacionais têm de ser completamente definidos durante a fase de projecto. Num sentido lato, esta constatação é verdadeira. Contudo, se os modos como o sistema se adapta a requisitos evolutivos puderem ser restringidos e controlados, então talvez seja possível garantir a confiabilidade permanente apesar das alterações aos requisitos durante a fase de operação. A tese suportada por esta dissertação defende que é possível flexibilizar um sistema, dentro de limites bem definidos, sem comprometer a sua confiabilidade e propõe alguns mecanismos que permitem a construção de sistemas de segurança crítica baseados no protocolo Controller Area Network (CAN). Mais concretamente, o foco principal deste trabalho incide sobre o protocolo Flexible Time-Triggered CAN (FTT-CAN), que foi especialmente desenvolvido para disponibilizar um grande nível de flexibilidade operacional combinando, não só as vantagens dos paradigmas de transmissão de mensagens baseados em eventos e em tempo, mas também a flexibilidade associada ao escalonamento dinâmico do tráfego cuja transmissão é despoletada apenas pela evolução do tempo. Este facto condiciona e torna mais complexo o desenvolvimento de mecanismos de tolerância a falhas para FTT-CAN do que para outros protocolos como por exemplo, TTCAN ou FlexRay, nos quais existe um conhecimento estático, antecipado e comum a todos os nodos, do escalonamento de mensagens cuja transmissão é despoletada pela evolução do tempo. Contudo, e apesar desta complexidade adicional, este trabalho demonstra que é possível construir mecanismos de tolerância a falhas para FTT-CAN preservando a sua flexibilidade operacional. É também defendido nesta dissertação que um sistema baseado no protocolo FTT-CAN e equipado com os mecanismos de tolerância a falhas propostos é passível de ser usado em aplicações de segurança crítica. Esta afirmação é suportada, no âmbito do protocolo FTT-CAN, através da definição de uma arquitectura tolerante a falhas integrando nodos com modos de falha tipo falha-silêncio e nodos mestre replicados. Os vários problemas resultantes da replicação dos nodos mestre são, também eles, analisados e várias soluções são propostas para os obviar. Concretamente, é proposto um protocolo que garante a consistência das estruturas de dados replicadas a quando da sua actualização e um outro protocolo que permite a transferência dessas estruturas de dados para um nodo mestre que se encontre não sincronizado com os restantes depois de inicializado ou reinicializado de modo assíncrono. Além disto, esta dissertação também discute o projecto de nodos FTT-CAN que exibam um modo de falha do tipo falha-silêncio e propõe duas soluções baseadas em componentes de hardware localizados no interface de rede de cada nodo, para resolver este problema. Uma das soluções propostas baseiase em bus guardians que permitem a imposição de comportamento falhasilêncio nos nodos escravos e suportam o escalonamento dinâmico de tráfego na rede. A outra solução baseia-se num interface de rede que arbitra o acesso de dois microprocessadores ao barramento. Este interface permite que a replicação interna de um nodo seja efectuada de forma transparente e assegura um comportamento falha-silêncio quer no domínio temporal quer no domínio do valor ao permitir transmissões do nodo apenas quando ambas as réplicas coincidam no conteúdo das mensagens e nos instantes de transmissão. Esta última solução está mais adaptada para ser usada nos nodos mestre, contudo também poderá ser usada nos nodos escravo, sempre que tal se revele fundamental.Distributed embedded systems (DES) have been widely used in the last few decades in several application fields, ranging from industrial process control to avionics and automotive systems. In fact, it is expectable that this trend will continue over the years to come. In some of these application domains the dependability requirements are of utmost importance since failing to provide services in a timely and predictable manner may cause important economic losses or even put human life in risk. The adoption of the best practices in the design of distributed embedded systems does not fully avoid the occurrence of faults, arising from the nondeterministic behavior of the environment where each particular DES operates. Thus, fault-tolerance mechanisms need to be included in the DES to prevent possible faults leading to system failure. To be effective, fault-tolerance mechanisms require an a priori knowledge of the correct system behavior to be capable of distinguishing them from the erroneous ones. Traditionally, when designing fault-tolerance mechanisms, the a priori knowledge means that all possible operational modes are known at system design time and cannot adapt nor evolve during runtime. As a consequence, systems designed according to this principle are either fully static or allow a small number of operational modes only. Flexibility, however, is a desired property in a system in order to support evolving requirements, simplify maintenance and repair, and improve the efficiency in using system resources by using only the resources that are effectively required at each instant. This efficiency might impact positively on the system cost because with the same resources one can add more functionality or one can offer the same functionality with fewer resources. However, flexibility and dependability are often regarded as conflicting concepts. This is so because flexibility implies the ability to deal with evolving requirements that, in turn, can lead to unpredictable and possibly unsafe operating scenarios. Therefore, it is commonly accepted that only a fully static system can be made dependable, meaning that all operating conditions are completely defined at pre-runtime. In the broad sense and assuming unbounded flexibility this assessment is true, but if one restricts and controls the ways the system could adapt to evolving requirements, then it might be possible to enforce continuous dependability. This thesis claims that it is possible to provide a bounded degree of flexibility without compromising dependability and proposes some mechanisms to build safety-critical systems based on the Controller Area Network (CAN). In particular, the main focus of this work is the Flexible Time-Triggered CAN protocol (FTT-CAN), which was specifically developed to provide such high level of operational flexibility, not only combining the advantages of time- and event-triggered paradigms but also providing flexibility to the time-triggered traffic. This fact makes the development of fault-tolerant mechanisms more complex in FTT-CAN than in other protocols, such as TTCAN or FlexRay, in which there is a priori static common knowledge of the time-triggered message schedule shared by all nodes. Nevertheless, as it is demonstrated in this work, it is possible to build fault-tolerant mechanisms for FTT-CAN that preserve its high level of operational flexibility, particularly concerning the time-triggered traffic. With such mechanisms it is argued that FTT-CAN is suitable for safetycritical applications, too. This claim was validated in the scope of the FTT-CAN protocol by presenting a fault-tolerant system architecture with replicated masters and fail-silent nodes. The specific problems and mechanisms related with master replication, particularly a protocol to enforce consistency during updates of replicated data structures and another protocol to transfer these data structures to an unsynchronized node upon asynchronous startup or restart, are also addressed. Moreover, this thesis also discusses the implementations of fail-silence in FTTCAN nodes and proposes two solutions, both based on hardware components that are attached to the node network interface. One solution relies on bus guardians that allow enforcing fail-silence in the time domain. These bus guardians are adapted to support dynamic traffic scheduling and are fit for use in FTT-CAN slave nodes, only. The other solution relies on a special network interface, with duplicated microprocessor interface, that supports internal replication of the node, transparently. In this case, fail-silence can be assured both in the time and value domain since transmissions are carried out only if both internal nodes agree on the transmission instant and message contents. This solution is well adapted for use in the masters but it can also be used, if desired, in slave nodes

Real-Time Sensor Networks and Systems for the Industrial IoT

The Industrial Internet of Things (Industrial IoT—IIoT) has emerged as the core construct behind the various cyber-physical systems constituting a principal dimension of the fourth Industrial Revolution. While initially born as the concept behind specific industrial applications of generic IoT technologies, for the optimization of operational efficiency in automation and control, it quickly enabled the achievement of the total convergence of Operational (OT) and Information Technologies (IT). The IIoT has now surpassed the traditional borders of automation and control functions in the process and manufacturing industry, shifting towards a wider domain of functions and industries, embraced under the dominant global initiatives and architectural frameworks of Industry 4.0 (or Industrie 4.0) in Germany, Industrial Internet in the US, Society 5.0 in Japan, and Made-in-China 2025 in China. As real-time embedded systems are quickly achieving ubiquity in everyday life and in industrial environments, and many processes already depend on real-time cyber-physical systems and embedded sensors, the integration of IoT with cognitive computing and real-time data exchange is essential for real-time analytics and realization of digital twins in smart environments and services under the various frameworks’ provisions. In this context, real-time sensor networks and systems for the Industrial IoT encompass multiple technologies and raise significant design, optimization, integration and exploitation challenges. The ten articles in this Special Issue describe advances in real-time sensor networks and systems that are significant enablers of the Industrial IoT paradigm. In the relevant landscape, the domain of wireless networking technologies is centrally positioned, as expected

Flexible management of bandwidth and redundancy in fieldbuses

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaOs sistemas distribuídos embarcados (Distributed Embedded Systems – DES) têm sido usados ao longo dos últimos anos em muitos domínios de aplicação, da robótica, ao controlo de processos industriais passando pela aviónica e pelas aplicações veiculares, esperando-se que esta tendência continue nos próximos anos. A confiança no funcionamento é uma propriedade importante nestes domínios de aplicação, visto que os serviços têm de ser executados em tempo útil e de forma previsível, caso contrário, podem ocorrer danos económicos ou a vida de seres humanos poderá ser posta em causa. Na fase de projecto destes sistemas é impossível prever todos os cenários de falhas devido ao não determinismo do ambiente envolvente, sendo necessária a inclusão de mecanismos de tolerância a falhas. Adicionalmente, algumas destas aplicações requerem muita largura de banda, que também poderá ser usada para a evolução dos sistemas, adicionandolhes novas funcionalidades. A flexibilidade de um sistema é uma propriedade importante, pois permite a sua adaptação às condições e requisitos envolventes, contribuindo também para a simplicidade de manutenção e reparação. Adicionalmente, nos sistemas embarcados, a flexibilidade também é importante por potenciar uma melhor utilização dos, muitas vezes escassos, recursos existentes. Uma forma evidente de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas dos sistemas embarcados distribuídos é a replicação dos barramentos do sistema. Algumas soluções existentes, quer comerciais quer académicas, propõem a replicação dos barramentos para aumento da largura de banda ou para aumento da tolerância a falhas. No entanto e quase invariavelmente, o propósito é apenas um, sendo raras as soluções que disponibilizam uma maior largura de banda e um aumento da tolerância a falhas. Um destes raros exemplos é o FlexRay, com a limitação de apenas ser permitido o uso de dois barramentos. Esta tese apresentada e discute uma proposta para usar a replicação de barramentos de uma forma flexível com o objectivo duplo de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas. A flexibilidade dos protocolos propostos também permite a gestão dinâmica da topologia da rede, sendo o número de barramentos apenas limitado pelo hardware/software. As propostas desta tese foram validadas recorrendo ao barramento de campo CAN – Controller Area Network, escolhido devido à sua grande implantação no mercado. Mais especificamente, as soluções propostas foram implementadas e validadas usando um paradigma que combina flexibilidade com comunicações event-triggered e time-triggered: o FTT – Flexible Time- Triggered. No entanto, uma generalização para CAN nativo é também apresentada e discutida. A inclusão de mecanismos de replicação do barramento impõe a alteração dos antigos protocolos de replicação e substituição do nó mestre, bem como a definição de novos protocolos para esta finalidade. Este trabalho tira partido da arquitectura centralizada e da replicação do nó mestre para suportar de forma eficiente e flexível a replicação de barramentos. Em caso de ocorrência de uma falta num barramento (ou barramentos) que poderia provocar uma falha no sistema, os protocolos e componentes propostos nesta tese fazem com que o sistema reaja, mudando para um modo de funcionamento degradado. As mensagens que estavam a ser transmitidas nos barramentos onde ocorreu a falta são reencaminhadas para os outros barramentos. A replicação do nó mestre baseia-se numa estratégia líder-seguidores (leaderfollowers), onde o líder (leader) controla todo o sistema enquanto os seguidores (followers) servem como nós de reserva. Se um erro ocorrer no nó líder, um dos nós seguidores passará a controlar o sistema de uma forma transparente e mantendo as mesmas funcionalidades. As propostas desta tese foram também generalizadas para CAN nativo, tendo sido para tal propostos dois componentes adicionais. É, desta forma possível ter as mesmas capacidades de tolerância a falhas ao nível dos barramentos juntamente com a gestão dinâmica da topologia de rede. Todas as propostas desta tese foram implementadas e avaliadas. Uma implementação inicial, apenas com um barramento foi avaliada recorrendo a uma aplicação real, uma equipa de futebol robótico onde o protocolo FTT-CAN foi usado no controlo de movimento e da odometria. A avaliação do sistema com múltiplos barramentos foi feita numa plataforma de teste em laboratório. Para tal foi desenvolvido um sistema de injecção de faltas que permite impor faltas nos barramentos e nos nós mestre, e um sistema de medida de atrasos destinado a medir o tempo de resposta após a ocorrência de uma falta.Distributed embedded systems (DES) have been widely used in the last few decades in several application domains, from robotics, industrial process control, avionics and automotive. In fact, it is expectable that this trend will continue in the next years. In some of these application fields the dependability requirements are very important since the fail to provide services in a timely and predictable manner may cause important economic losses or even put humans in risk. In the design phase it is impossible to predict all the possible scenarios of faults, due to the non deterministic behaviour of the surrounding environment. In that way, the fault tolerance mechanisms must be included in the distributed embedded system to prevent failures occurrence. Also, many application domains require a high available bandwidth to perform the desired functions, or to turn possible the scaling with the addition of new features. The flexibility of a system also plays an important role, since it improves the capability to adapt to the surrounding world, and to the simplicity of the repair and maintenance. The flexibility improves the efficiency of all the system by providing a way to efficiently manage the available resources. This is very important in embedded systems due to the limited resources often available. A natural way to improve the bandwidth and the fault tolerance in distributed systems is to use replicated buses. Commercial and academic solutions propose the use of replicated fieldbuses for a single purpose only, either to improve the fault tolerance or to improve the available bandwidth, being the first the most common. One illustrative exception is FlexRay where the bus replica can be used to improve the bandwidth of the overall system, besides enabling redundant communications. However, only one bus replica can be used. In this thesis, a flexible bus replication scheme to improve both the dependability and the throughput of fieldbuses is presented and studied. It can be applied to any number of replicated buses, provided the required hardware support is available. The flexible use of the replicated buses can achieve an also flexible management of the network topology. This claim has been validated using the Controller Area Network (CAN) fieldbus, which has been chosen because it is widely spread in millions of systems. In fact, the proposed solution uses a paradigm that combines flexibility, time and event triggered communication, that is the Flexible Time- Triggered over CAN network (FTT-CAN). However, a generalization to native CAN is also presented and studied. The inclusion of bus replication in FTT-CAN imposes not only new mechanisms but also changes of the mechanisms associated with the master replication, which has been already studied in previous research work. In this work, these mechanisms were combined and take advantage of the centralized architecture and of the redundant masters to support an efficient and flexible bus replication. When considering the system operation, if a fault in the bus (or buses) occurs, and the consequent error leads to a system failure, the system reacts, switching to a degraded mode, where the message flows that were transmitted in the faulty bus (or buses) change to the non-faulty ones. The central node replication uses a leader-follower strategy, where the leader controls the system while the followers serve as backups. If an error occurs in the leader, a backup will take the system control maintaining the system with the same functionalities. The system has been generalized for native CAN, using two additional components that provide the same fault tolerance capabilities at the bus level, and also enable the dynamic management of the network topology. All the referred proposals were implemented and assessed in the scope of this work. The single bus version of FTT-CAN was assessed using a real application, a robotic soccer team, which has obtained excellent results in international competitions. There, the FTT-CAN based embedded system has been applied in the low level control, where, mainly it is responsible for the motion control and odometry. For the case of the multiple buses system, the assessment was performed in a laboratory test bed. For this, a fault injector was developed in order to impose faults in the buses and in the central nodes. To measure the time reaction of the system, a special hardware has been developed: a delay measurement system. It is able to measure delays between two important time marks for posterior offline analysis of the obtained values

Using the ethernet protocol for real-time communications in embedded systems

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaOs Sistemas Computacionais de Controlo Distribuído (SCCD) estão muito disseminados em aplicações que vão desde o controlo de processos e manufactura a automóveis, aviões e robôs. Muitas aplicações são de natureza tempo-real, ou seja, impõem fortes restrições às propriedades subjacentes aos sistemas de controlo, gerando a necessidade de fornecer um comportamento temporal previsível durante períodos alargados de tempo. Em particular, dependendo da aplicação, uma falha em garantir as restrições pode causar importantes perdas económicas ou mesmo pôr vidas humanas em risco. Actualmente, a quantidade e funcionalidade dos modernos SCCD têm crescido firmemente. Esta evolução é motivada por uma nova classe de aplicações que requer maior demanda de recursos tais como aplicações de multimedia (por exemplo visão), bem como pela tendência em usar grande número de processadres simples e interconectados, em vez de poucos e poderosos processadores, encapsulando cada funcionalidade num único processador. Consequentemente, a quantidade de informação que deve ser trocada entre os nós da rede também cresceu drasticamente nos últimos anos e está agora atingindo os limites que podem ser obtidos por tradicionais barramentos de campo, como por exempo CAN, WorldFIP, PROFIBUS. Outras alternativas são pois requeridas para suportar a necessidade de largura de banda e a manutenção de exigências dos sistemas de comunicação tempo-real: previsibilidade, pontualidade, atraso e variação de período limitados. Uma das linhas de trabalho tem apostado na Ethernet, tirando vantagem dos baixos custos dos circuitos, da elevada largura de banda, da fácil integração com a Internet, e da simplicidade em promover expansões e compatibilidade com redes usadas na estrutura administrativa das empresas industriais. Porém, o mecanismo padronizado de acesso ao meio da Ethernet (CSMA/CD) é destrutivo e não determinístico, o que impede seu uso directo ao nível de campo ou pelo menos em aplicações de comunicação tempo-real. Apesar disso, muitas abordagens diferentes têm sido propostas e usadas para obter comportamento tempo-real em Ethernet. As abordagens actuais para dotar de comportamento tempo-real Ethernet partilhada apresentam desvantagens tais como: exigência de hardware especializado, fornecimento de garantias temporais estatísticas, ineficiência na utilização da largura de banda ou na reposta tempo-real. São ainda por vezes inflexíveis com respeito às propriedades de tráfego bem como com as políticas de escalonamento. Podem exigir processadores com elevado poder de cálculo. Finalmente não permitem que estações tempo-real possam coexistir com estações Ethernet standard no mesmo segmento. Uma proposta recente, o algoritmo hBEB, permite a coexistência de estações tempo-real e standard no mesmo segmento. Contudo, apenas uma estação tempo-real pode estar activa, o que é inaceitável para aplicações de automação e controlo. Esta tese discute uma nova solução para promover tempo-real em Ethernet partilhada, baseando-se na passagem implícita de testemunho de forma similar à usada pelo protocolo P-NET. Esta técnica é um mecanismo de acesso ao meio físico pouco exigente em termos de processamento, sendo portanto adequada para implementar uma rede de dispositivos baseados em processadores de baixo poder de cálculo e controladores Ethernet standard. Esta tese apresenta ainda uma proposta de implementação do VTPE em IP core para superar algumas dificuldades derivadas de funcionalidades que não são suportadas por controladores standard, nomeadamente a arbitragem do meio físico durante a transmissão de uma trama. Esta nova proposta pode aumentar muito a eficiência do VTPE no uso da largura de banda. O VTPE, assim como P-NET ou protocolos similares, permite a uma estação apenas comunicar uma vez por cada circulação do testemunho. Esta imposição pode causar bloqueios de comunicação por períodos inaceitáveis em aplicações com tráfego isócrono, por exemplo multimedia. Uma solução proposta permite que uma estação possa aceder ao meio físico mais de uma vez por cada circulação do token. Os resultados experimentais a as análises desenvolvidas mostram que o bloqueio pode ser drasticamente reduzido. Por último esta tese discute uma variante do protocolo VTPE, o VTPE/h- BEB, que permite que mais de uma estação hBEB possa coexistir com diversas estações Ethernet standard num mesmo segmento partilhado. Um demonstrador para prova de conceito bem como uma aplicação foram também implementados.Distributed Computer-Control Systems (DCCS) are widely disseminated in applications ranging from automation and control to automotive, avionics and robotics. Many of these applications are real-time, posing stringent constraints to the properties of underlying control systems, which arise from the need to provide predictable behaviour during extended time periods. Depending on the particular type of application, a failure to meet these constraints can cause important economic losses or can even put human life in risk. Currently the number and functionality of modern DCCSs have been increasing steadily. This evolution has been motivated for a new class of applications of more resource demanding applications, such as multimedia (e.g. machine vision), as well as by the trend to use large numbers of simple interconnected processors, instead of a few powerful ones, encapsulating each functionality in one single processor. Consequently, the amount of information that must be exchanged among the network nodes has also increased dramatically and is now reaching the limits achievable by traditional fieldbuses. Therefore, other alternatives are required to support higher bandwidth demands while keeping the main requirements of a real-time communication system: predictability, timeliness, bounded delays and jitter. Efforts have been made with Ethernet to take advantage of the low cost of the silicon, high bandwidth, easy integration with the Internet, easy expansion and compatibility with the networks used at higher layers in the factory structure. However its standardized media access control (CSMA/CD) is destructive and not deterministic, impairing its direct use at field level at least for real-time communication. Despite this, many solutions have been proposed to achieve real-time behavior in Ethernet. However they present several disadvantages: requiring specialized hardware, providing statistical timeliness guarantees only, being bandwidth or response-time inefficient, being inflexible concerning traffic properties and/or scheduling policy, or finally not allowing real-time stations to coexist with standard Ethernet stations in the same segment. A recent proposal, the hBEB algorithm, allows the coexistence of real-time and standard Ethernet stations in the same shared segment. However hBEB limits at most one real-time station per segment which is unacceptable for applications in industrial automation and process control. This thesis discusses a new real-time shared Ethernet solution based on the virtual token passing technique similarly to the one used by the P-NET protocol. This technique is a medium access control mechanism that requires small processing power, being suitable to implement devices based on processors with small processing power. The solution is called Virtual Token Passing Ethernet or VTPE. This proposal discusses the modifications required in the Ethernet frame format, the temporal analysis to guarantee real-time communication and the implementation of two demonstrators based on microcontrollers and standard Ethernet controllers. This thesis also presents a proposal to implement VTPE in an IP Core to overcome some difficulties derived from limitations of standard Ethernet controllers, namely to allow medium access control during a frame transmission. This proposal can increase the bandwidth efficiency of VTPE. VTPE, as well as P-NET or any other protocol based on circular token rotation technique, only allows a station to communicate once for each token round. This design imposition can cause unacceptable communication blocking in applications with isochronous traffic such as multimedia. An improvement in the VTPE proposal enables a station to access the medium more than once per token round. The experimental results as well as the temporal analysis show that the blocking can be drastically reduced. This improvement can also be used in the P-NET protocol. Finally this thesis proposes a variant of VTPE, named VTPE/hBEB, to be implemented in Ethernet controllers that are able to support the hBEB algorithm. The VTPE/hBEB allows more than one hBEB station to coexist with several standard Ethernet stations in the same shared Ethernet segment. A demonstrator for the VTPE/hBEB validation, as well as an application, are also presented and discussed