【コラム】

セカンド・オピニオン

151 バスのアーキテクチャ - 過去から未来へ(112)

 

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フィールドバスの色々(その13)FlexRay(その5)

フレームのHeader Segmentの内容は前回紹介した通りである。で、これに続くPayload Segmentと、後に続くTrailer SegmentはそれぞれデータとCRCだから、ここは別に面白味は無い。とはいえ、このフレームのシンプルさは、HyperTransport Linkに通じるものがある。余分なヘッダやフッタを最小限にすることで、転送効率を上げようという仕組みだ。ただHyperTransport Linkは(一応コネクタ仕様とかはあるものの)あくまでオンボードの配線がメインだから、エラー訂正などは最小限(というか、事実上無いも同然)なのに対し、ノイズなどの要因で通信エラーが多発すると予想されるFlexRayではCRCがダブルで入っているあたりは、やはりこの辺りが問題になると予想されているのだろう。ちなみにFlexRayはWire(つまり銅配線)のみならず、将来的にはオプティカルファイバーを使った接続も予定しており、こうなると少なくともノイズに起因する通信エラーは激減する(皆無にならないのは、振動などの要因で光カプラーなどでたまにはエラーが出るだろうと想像されるから)筈だが、それを見越してCRCをオプションにするのは流石にリスクが高いと判断したのだろうか?

それはともかく、面白いのはこのフレームの上位構造である。FlexRayにおける、データの転送の一番大きな枠組みはCommunication Cycleと呼ばれている。このCommunication Cycleは、内部でStatic SegmentとDynamic Segmentに分割され、更に必要に応じてその中をslot/macrotick/microtickと細かく分割し(Photo01)て管理する。このうちmacrotick/microtickは、タイミング調整や同期を取るために利用するものなのでとりあえず措いて置くとして、問題はslotである。フレームは、このslotに1個づつ収まる形になる。

Photo01:FlexRay Protocol Specification FlexRay Protocol Specification Figure 5-1より抜粋

Photo01を、ちょっと違う形で書き直したのが図1である。Symbol WindowsとかNetwork Idle Timeを無視すると、1つのCommunication Cycleは大きくStatic SegmentとDynamic Segmentで構成される形になる。Static Segmentにおいては、全てのフレームに与えられるサイズは一定になっており、対してDynamic Segmentにおいては、フレームサイズは不定(というと語弊がある。変更可能、というのが正確だろう)になっている。前回、Frame IDとフィールドがあることを説明したが、Frame IDはこの場合Communication Cycleにおいて何番目のSlotで送信を行うか、を示すものになる。各ノードにはユニークなFrame IDが振られる(*1)ことになっており、従ってあるスロットの占有を複数のノードで争うといった事は原理的に発生しない。またStatic Segmentにおいては、仮にそのノードが送信を行うか否かに関係なく、一定のSlotが与えられる事になっている。

図1

図2

これは、XBWの利用においては重要なファクターである。109回目でも触れた通り、XBWに関しては一定の転送レートを確実に保証する必要がある。こうした目的では、Static Segmentを割り当てることで他の通信状態と無関係に一定のトラフィックを常に利用することが出来る。

その一方、こうした方式ではバスの利用効率は必ずしも高くない。毎回データ送信の必要性が無いデバイスも多いわけで、こうしたものにフルにSlotを充てるのは無駄である。またデータサイズも、必ずしも規格化されているとは限らない。Static Segmentでは、全てのSlotサイズは一定となっており、普通に設計する場合は最大Payload(254Bytes)がカバーできる事を念頭に置く。つまりHeader 5Bytes + Payload 254Bytes + Trailer 3Bytesで262Bytesが1slotに収まる様にサイズが決められる。が、もっと少ないデータ量で済むデバイスにこれだけのサイズを充てるのは無駄だ。

そこでDynamic Segmentでは、このあたりが変更出来る様になっている。例えば図2では、Frame ID #1/#3/#5/#6/#8#12の6デバイスが通信しようとしているわけだが、Static Segmentでは送信がない#2/#4のスロットはそのまま空く形になる。対してDynamic Segmentにおいては、Frame #7/#9/#10/#11にあたる部分は最小におさえられ、開いた時間が#12に割り当てられる。これにより、#12が効率よく通信が出来る様になるというわけだ。

この構図は、USBの転送に似た構成である。USBの場合、データそのものの転送にはIsochronous Data TransfersとBulk Data Transfers(*2)があり、前者が一定時間あたりの転送量を保証したもの、後者が転送量保証のないもので、USB AudioなどはIsochronous Data Transfersを使うことで切れ目無くサウンド再生を可能にし、一方ファイル転送などはBulk Data Transfersを使って効率を上げる事に良く似ているが、構図としてはこれに良く似ている。

(*1) 厳密に言えば、1つのノードに複数のチャネルがぶら下がる形なので、ノード毎といううよりはチャネル毎という方が正確である。ただあるノードが同じデータを複数のチャネルに対して出すケースで、各々Frame IDを変えるというケースはあまり考えにくいのも事実で、その意味ではノード毎と言っても大きく間違いではない。ただ、例えばこの構成で、Node BとDが同じFrame IDを持つことは可能である。つまりチャネルが異なっていればIDは重複しても良い訳で、こういうケースを考えるとノード毎というよりは「チャネルごとにノード毎」という変な日本語が一番適切ではある。
(*2) ほかにControl TransfersとInterrupt Data Transfersがあるが、これは厳密にはデータ転送とはいえないのでここでは省く

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インデックス

連載目次
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第420回 MCUで遊ぼう Part2 (11)
第419回 MCUで遊ぼう Part2 (10)
第418回 MCUで遊ぼう Part2 (9)
第417回 MCUで遊ぼう Part2 (8)
第416回 MCUで遊ぼう Part2 (7)
第415回 MCUで遊ぼう Part2 (6)
第414回 MCUで遊ぼう Part2 (5)
第413回 MCUで遊ぼう Part2 (4)
第412回 MCUで遊ぼう Part2 (3)
第411回 MCUで遊ぼう Part2 (2)
第410回 MCUで遊ぼう Part2 (1)
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第30回 64bit Rhapsody 新しい地平を切り開くItanium(10)
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