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Distributed ethernet switch for embedded systems
Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesO uso de sistemas embutidos está cada vez mais generalizado em diversas
áreas nomeadamente na automação industrial, aviónica, automóvel e
produção de energia. Estes sistemas são utilizados para controlo de
processos e gestão de aplicações, como na segurança das pessoas e bens
materiais, que frequentemente apresentam requisitos temporais estritos
no que envolve a execução das tarefas para as quais estão destinados.
É usual que muitos dos sistemas embutidos estejam inseridos numa
rede distribuída, constituída assim por vários subsistemas inteligentes e
autónomos que cooperam entre si e partilham uma linha de comunicação
que garante a conclusão dos objectivos especificados. Vários protocolos
de comunicação foram desenvolvidos de modo a proporcionarem ás redes
distribuídas garantias em termos de determinismo, latência e previsibilidade.
O propósito inicial da Ethernet era a sua utilização em redes de dados
em sistemas domésticos e empresariais onde os requisitos temporais
não são críticos. Actualmente esta tecnologia tem vindo a ser utilizada
como uma solução em sistemas embutidos distribuídos, nomeadamente
através da utilização de redes comutadas - Switched Ethernet Networks.
De facto, a flexibilidade e velocidade desta tecnologia foram fortes
motivações para que na última década tivessem sido desenvolvidos
vários protocolos que permitem a sua utilização em aplicações críticas
de tempo real. É no entanto necessário um ponto de equilíbrio entre
desempenho, custo e fiabilidade para aplicação da Ethernet nestes sistemas.
Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de uma infraestrutura que
permite a utilização da Ethernet em sistemas embutidos de tempo real
para tráfego periódico e esporádico suportado numa rede em anel. Os
nodos da rede foram desenvolvidos em módulos que são inseridos no kernel
de sistemas Linux. É especificada a rede desenvolvida, a estrutura interna
dos nodos presentes na mesma como também os mecanismos aplicados
para cumprimentos de tempo real periódico e utilização eficiente da largura
de banda. Com o objectivo de validar a implementação e avaliar o seu
desempenho, foram realizadas diversas experiências, cujos resultados se
encontram também presentes nesta dissertação.Nowadays, the use of embedded systems has become ubiquitous in various
industrial fields including automation, avionics, automotive and energy
production industries. These systems are commonly used for process
control and application management that need strict time requirements in
order to execute properly and ensure people's and material safety. Usually
due to structural constraints and efficient resources management many
embedded systems are implemented in a distributed network composed by
several smart and autonomous subsystems with different functionalities
that cooperate together to achieve a common goal.
The Ethernet was initially developed to be used in household and business
data networks where the time constraint are not critical. Currently this
technology has been largely used as a solution in embebbed distributed
systems, namely by using Switched Ethernet. In fact communication speed
and technology flexibility motivated the development of several protocols
to be used in real time applications in the past decades. However the use
of Ethernet technology in these systems requires a compromise between
performance, cost and reliability.
This dissertation presents the development of a infrastructure that uses
Ethernet in real time embebbed systems to support periodic and sporadic
traffic in a ring topology based network. The network nodes were designed
in modules that are included in the kernel of the Linux system. It also
specie’s the network developed, the internal structure of the nodes and all
the procedures used to assure the periodic real time communications and
the efficient use of the bandwidth. In order to validate and evaluate the
implementation several tests were conducted and are also presented in this
document