Структура ЭУМ

2.1. Структура ЭУМ Общие сведения. Программное УУ является основным структурным элементом ЭУС и представляет собой одну или несколько электронных управляющих машин, специализированных на решение задач управления работой узлов коммутации. Рисунок 1. Структура ЭУМ Программные УУ децентрализованных ЭУС и периферийные УУ иерархических ЭУС состоят, как правило, из одной ЭУМ, построенной с использованием стандартных микропроцессорных наборов (комплектов) и больших интегральных схем. Центральные УУ иерархических и централизованных ЭУС с целью обеспечения требуемой надежности состоят обычно из двух ЭУМ, построенных на базе интегральных схем с высокой БИС и средней СИС степенью интеграции. Несмотря на имеющиеся различия в используемой элементной базе и технических решениях по построению отдельных устройств, ЭУМ, предназначенные для применения в качестве УУ в составе ЭУС, имеют аналогичную структуру. В общем случае ЭУМ состоит из следующих функциональных устройств (рис. 1): основного запоминающего устройства ЗУ центрального процессора ЦПр, каналов ввода-вывода КВВ, устройств сопряжения с управляемыми объектами исполнительной системы (УС ИС) и общей шиной сообщений (сетевого адаптера - СА), внешних устройств ВУ и инженерного пульта управления ИПУ. Взаимосвязь основных устройств ЭУМ осуществляется через ее внутренний интерфейс, взаимосвязь КВВ с ВУ - через интерфейс ввода-вывода. Основное запоминающее устройство. Это устройство предназначено для приема, хранения и выдачи информации. В качестве информации, хранимой в основном ЗУ, могут служить как данные, так и команды. При этом доступ к командам и данным, хранимым в основном ЗУ, со стороны остальных устройств ЭУМ может быть осуществлен в произвольный момент и время обращения за необходимыми командами и данными не зависит от их расположения в ЗУ, поэтому основное ЗУ часто называют также ЗУ с произвольным доступом. Основное ЗУ состоит в общем случае из оперативного и постоянного ЗУ. Оперативное ЗУ (ОЗУ) служит для приема, хранения и выдачи, наиболее часто используемой другими устройствами ЭУМ и изменяющейся в процессе ее работы информации (например, информации о состоянии промежуточных линий коммутационного поля, информации о набираемом номере вызываемого абонента и др.).   При работе с ОЗУ другие устройства ЭУМ могут, как записывать в него информацию, так и считывать ее.     Постоянное ЗУ (ПЗУ) применяется для хранения и выдачи постоянной или редко изменяемой информации (например, программ, таблиц пересчета кода станции в номер направления, информации о категориях абонентов и др.).   При работе с ПЗУ другие устройства ЭУМ могут только считывать из него информацию.     Центральный процессор. Центральный процессор осуществляет в процессе обслуживания вызовов прием через УС ИС входных сигналов от управляемых объектов исполнительной системы (периферийных устройств, комплектов), их анализ, арифметико-логическую обработку информации для перевода вызовов, устройств и приборов узла коммутации в новое состояние, формирование и выдачу команд через УС ИС в управляемые объекты ИС. Центральный процессор осуществляет также прием через сетевой адаптер сообщений от других УУ, их обработку, формирование и выдачу через СА сообщений в другие УУ.   В качестве центрального устройства ЭУМ центральный процессор координирует работу всех остальных устройств: все обращения к ЗУ, операции обмена информацией с ВУ, объектами ИС и другими УУ выполняются при его непосредственном участии или же им запускаются, поэтому ЦПр имеет информационные и функциональные связи (через внутренний интерфейс ЭУМ) со всеми остальными устройствами: ЗУ, КВВ, ИПУ и устройствами сопряжения.     Работа процессора определяется программой, записанной в ЗУ, которая задает ему последовательность и содержание действий по обработке данных. Процессор может работать только с командами программы и данными, хранимыми в основной памяти; команды и данные, хранимые во внешних устройствах, должны быть до начала выполнения соответствующей программы записаны в основное ЗУ. Внешние устройства. Внешние устройства расширяют функциональные возможности ЭУМ. В зависимости от выполняемых функций ВУ можно подразделить на три группы: внешние запоминающие устройства ВЗУ, устройства ввода-вывода УВВ и аппаратура передачи данных АПД. Функциональные возможности ЭУМ узла коммутации в значительной степени определяются хранимым в памяти ЭУМ объемам программ и данных. В современных квазиэлектронных и электронных узлах коммутации средней и большой емкости и объем программ и данных велик и хранение значительной их части в основном ЗУ становится неэкономичным, поэтому информация, используемая наиболее часто, хранится в основном ЗУ, а используемая редко (диагностические программы, статистические данные и др.) - в более дешевых ВЗУ. В качестве ВЗУ в ЭУМ узлов коммутации используются различные виды накопителей на магнитных дисках НМД и лентах НМЛ. Устройства ввода-вывода предназначены для обеспечения обмена информацией между обслуживающим персоналом (человеком) и ЭУМ в процессе наладки оборудования и программ узла коммутации, его эксплуатации и технического обслуживания. В качестве основного средства оперативной связи обслуживающего персонала с ЭУМ в настоящее время наиболее часто используется алфавитно-цифровой дисплей. Для документирования действий обслуживающего персонала и сообщений о неисправностях оборудования узла коммутации применяются обычно телетайпы или электроуправляемые пишущие машины (ЭПМ), а для документирования больших объемов информации на этапе наладки оборудования и программ узла коммутации - алфавитно-цифровые печатающие устройства. Аппаратура передачи данных служит для приема и передачи сигналов взаимодействия и управления между узлами коммутации или между узлом и подстанцией по выделенному каналу передачи данных, называемому общим каналом сигнализации, а также для приема и передачи сообщений по каналу передачи данных между узлом и центром технической эксплуатации. Необходимо отметить, что перечисленные ВУ входят в состав только ЭУМ центрального УУ или специального УУ в децентрализованных ЭУС (УУ технической эксплуатации, УУ машинной периферии и связи с оператором и т. п.). Для остальных видов УУ в ЭУМ предусматривается только возможность подключения при необходимости средств оперативной связи обслуживающего персонала с ЭУМ (дисплея, телетайпа или ЭПМ). Внешние устройства ЭУМ не связаны непосредственно с центральным процессором. Информация между ВУ и ОЗУ передается через каналы ввода-вывода. Внешние устройства подключаются к КВВ с помощью унифицированной системы шин связи, которая совместно с составом сигналов, передаваемых между ВУ и КВВ, и алгоритмами обмена этими сигналами образует так называемый интерфейс ввода-вывода. Каналы ввода-вывода. Выделение КВВ как самостоятельного структурного элемента ЭУМ связано с тем, что по сравнению с ЦПр и ОЗУ внешние устройства имеют низкое быстродействие. Во избежание возможных простоев ЦПр при выполнении операций ввода-вывода и для достижения высокой производительности ЭУМ стремятся совместить во времени работу ВУ с работой ЦПр. С этой целью аппаратурно обеспечивается возможность передачи информации между ВУ и ОЗУ без использования вычислительных ресурсов ЦПр. Процессор в данном случае необходим только для запуска операций ввода-вывода. Он освобождается от управления работой ВУ в процессе выполнения операций ввода-вывода. Все действия по управлению передачей информации между ВУ и ОЗУ при выполнении операций ввода-вывода возлагаются на КВВ. Каналы ввода-вывода представляют собой специализированные устройства обработки информации, работающие автономно под управлением записанных в основной памяти ЭУМ программ канала. Выбор той или иной программы канала осуществляется КВВ по командам программы, выполняемой ЦПр (программы ЦПр). Каждая программа канала реализует определенную операцию ввода-вывода для конкретного типа ВУ. Управляющая информация, получаемая КВВ от программы канала, преобразуется аппаратурой КВВ в последовательность сигналов, поступающих к ВУ, которое начинает выполнять чтение (вывод) или запись (ввод) информации. В дальнейшем работа КВВ протекает совместно с работой ВУ в темпе, определяемом скоростью передачи информации ВУ. К электронным управляющим машинам, используемым в децентрализованных ЭУС в качестве УУ технической эксплуатации или УУ машинной периферии и связи с оператором, не предъявляются, как правило, требования высокой производительности, поэтому в таких ЭУМ описанные выше функции КВВ выполняет сам ЦПр. Каналы ввода-вывода превращаются в достаточно простые устройства сопряжения интерфейсов конкретных ВУ с внутренним интерфейсом ЭУМ (контроллеры ВУ). Устройство сопряжения с объектами ИС предназначено для соединения ЭУМ с управляемыми объектами, электрического, логического и временного согласования интерфейсов этих объектов с внутренним интерфейсом ЭУМ. При этом функции электрического согласования заключаются в преобразовании электрических параметров сигналов, передаваемых между ЭУМ и объектами ИС; функции логического согласования - в преобразовании форматов и кодов передаваемых управляющих сообщений (команд), а функции временного согласования-в преобразовании временных параметров сигналов и синхронизации совместной работы ЭУМ и объектов ИС. В электронных управляющих машинах, построенных на базе специализированного ЦПр, УС ИС часто входит в состав последнего как один из функциональных блоков. Естественно, что в ЭУМ, не связанной непосредственно с объектами ИС, УС ИС отсутствует. Структура и алгоритм работы УС ИС в значительной мере зависят от состава и принципов построения управляемых объектов ИС, поэтому применение ЭУМ в качестве УУ в узлах коммутации различных типов и назначения может потребовать использования специфических УС ИС. Так, УС ИС в ЭУМ квазиэлектронных узлов коммутации служит для сопряжения ЭУМ с периферийным интерфейсом в виде набора периферийных шин и устройств, адресующих периферийные устройства ИС. В этом случае УС ИС принимает из ЦПр и выдает в периферийные устройства два вида периферийных команд: 1) сканирования заданной группы контрольных точек комплектов, 2) включения - выключения заданных точек коммутации в КП и реле в комплектах. При выдаче команды сканирования УС ИС дополнительно принимает ответную информацию о состоянии опрашиваемой группы контрольных точек от определителей и передает ее в ЦПр. В электронных цифровых УК, с подключением УУ к ЦКП с помощью внутренней ИКМ-линии устройство сопряжения с объектами ИС, входящее в состав ЭУМ соответствующего УУ, формирует цифровой поток для исходящей ИКМ-линии, несущий сообщения от данной ЭУМ к ЭУМ других УУ, принимает и преобразует поступающий по входящей ИКМ-линии цифровой поток в сообщения для данной ЭУМ. Устройство сопряжения с объектами рассматриваемого типа работает параллельно с ЦПр и выполняет указанные функции автономно, т. е. взаимодействие УС ИС с ЦПр сводится только к записи центральным процессором передаваемых сообщений в ОЗУ передачи УС ИС и чтению из ОЗУ приема поступивших сообщений. Для повышения производительности и гибкости ЭУМ в состав УС ИС часто включают специализированный процессор ввода-вывода, называемый периферийным процессором ППр, на который возлагаются простые, но часто выполняемые ЦПр и УС ИС функции, связанные с организацией приема и передачи и предварительной обработкой сообщений. В электронных управляющих системах, использующих построение системного интерфейса в виде общей шины сообщений (ОШС), ЭУМ управляющих устройств, подключенных к этой шине, содержат специальное устройство сопряжения - сетевой адаптер, работающий автономно и параллельно с ЦПр. Сетевой адаптер обеспечивает сопряжение ЭУМ с ОШС и реализует протоколы управления физическим каналом, доступом к каналу и информационным каналам. Структурная схема сетевого адаптера представлена на рис.2. Рисунок 2. Общая структура сетевого адаптера   Приемопередатчики выполняют функции управления физическим каналом, а именно согласуют логические сигналы, формируемые в СА, с физическими сигналами в ОШС (уровнями сигналов в витых парах проводов шины, биполярными сигналами в коаксиальном кабеле или световыми сигналами в волоконно-оптической линии) и осуществляют развязку ЭУМ, подключенных к ОШС, по питанию.     Блок управления доступом реализует принятый протокол доступа к ОШС. В частности, при использовании протокола синхронного доступа с неявной передачей эстафеты этот блок считает интервалы, сравнивает номер очередного интервала с номером СА (ЭУМ), формирует сигналы занятия и освобождения ОШС. Блоки управления приемом и передачей сообщений реализуют функции, связанные с управлением информационным каналом. Эти блоки имеют простейшую структуру при использовании параллельного побайтного способа передачи данных по ОШС. В этом случае блок управления приемом распознает адрес УУ-приемника (1 байт сообщения), контролирует по признаку четности принимаемые байты сообщения, подсчитывает и контролирует число принятых байтов данных и записывает принимаемые байты в буферное ЗУ приема данного блока. При успешном приеме каждого байта блок выдает сигнал подтверждения, по которому УУ-источник передает следующий байт сообщения. По окончании приема всего сообщения блок выдает сигнал об окончании приема в блок сопряжения с внутренним интерфейсом ЭУМ. Блок управления передачей считывает побайтно из буферного ЗУ передачи данного блока сообщение, формирует для каждого байта контрольный бит, подсчитывает и контролирует число переданных байтов данных. Если после выдачи очередного байта блок не получает в течение определенного времени сигнал подтверждения от УУ-приемника, то этот байт передается повторно. По окончании передачи всего сообщения блок выдает сигнал об окончании передачи в блок сопряжения с внутренним интерфейсом ЭУМ, который информирует ЦПр о возможности записи в буферное ЗУ передачи следующего сообщения. Блок сопряжения с внутренним интерфейсом ЭУМ обеспечивает передачу данных и управляющих сигналов между ЦПр и СА. В частности, по окончании передачи и приема сообщения этот блок передает в ЦПр слово состояния адаптера, содержащего необходимую информацию о ходе и результатах передачи или приема сообщения. Инженерный пульт управления ЭУМ. Этот пульт позволяет обслуживающему персоналу осуществить: • приведение ЭУМ в исходное состояние; • задание режима работы ЭУМ в составе управляющего комплекса; • занесение информации в ОЗУ, ЦПр и КВВ с клавиатуры пульта; • чтение и индикацию на пульте информации из заданного места основной памяти или с заданных элементов памяти ЦПр и КВВ; • первоначальный ввод программы и данных в основную память; • запуск программы с заданного места. Для выполнения этих функций ИПУ имеет необходимые аппаратные средства, информационные и управляющие связи с соответствующими ЭУМ. Внутренний интерфейс ЭУМ представляет собой набор общих шин, к которым параллельно подключены все устройства ЭУМ. Этот набор содержит, как правило, адресную АШ, информационную ИШ шины и шину управления ШУ. Адресная шина является однонаправленной и предназначена для передачи от ЦПр в остальные устройства адреса объекта (ВУ, ячейки памяти и т.п.), от которого центральным процессором запрашивается информация или которому центральным процессором передается информация. Информационная шина является двунаправленной и служит для передачи данных между ЦПр и остальными устройствами ЭУМ, а также для передачи в ЦПр команд программы из основного ЗУ. Шина управления используется для передачи управляющих сигналов между ЦПр и остальными устройствами ЭУМ (сигналов чтения-записи в ЗУ, сигналов запуска-останова операций ввода-вывода в КВВ, сигналов готовности от устройств и др.).  2.2. Основные характеристики ЭУМ Эффективность применения ЭУМ в составе ЭУС узла коммутации зависит от ее технических, эксплуатационных и экономических характеристик. В качестве основных технических характеристик используются быстродействие, разрядность и емкость ЗУ. Быстродействие ЭУМ определяет скорость обработки информации и характеризуется числом v операций, выполняемых ЭУМ за секунду. Обычно ЭУМ может выполнять достаточно широкий набор (более 100 видов) различных операций, имеющих разное время выполнения, поэтому для оценки ее быстродействия скалярной величиной используются такие характеристики, как среднее и номинальное быстродействие. Среднее быстродействие v ЭУМ определяется как величина, обратная математическому ожиданию длительности операции, т.е.  где m - число видов операций; ti - среднее время выполнения операции i-го вида; pi - вероятность выполнения операции i-гo вида: p1+ ...+рm=1. Вероятности р1,...,рm характеризуют долю операций каждого вида, выполняемых ЭУМ при решении заданной ей задачи или набора задач, поэтому среднее быстродействие ЭУМ, определенное для одного набора функций, может отличаться от среднего быстродействия той же ЭУМ для другого набора. Для сравнения различных ЭУМ по быстродействию независимо от набора выполняемых ими функций используется оценка их номинального быстродействия, которое определяется числом эталонных операций, выполняемых ЭУМ за секунду, т. е.  где  - время выполнения эталонной операции. В качестве эталонной операции ЭУМ обычно выбирается операция сложения двух чисел, хранящихся в регистровой памяти ЦПр, или операция сложения числа из регистровой памяти ЦПр и числа из ОЗУ. Применяющиеся в настоящее время в узлах коммутации ЭУМ имеют v=105...106 оп/с. Основное ЗУ состоит из ячеек памяти, каждая из которых представляет собой набор двоичных элементов памяти. Двоичный элемент памяти хранит один разряд (бит) слова информации, записанного в ячейке. Число г разрядов в слове информации (длина слова), которое может быть записано или считано из ЗУ при одном обращении к нему ЦПр, называется разрядностью основного ЗУ.   Разрядность основного ЗУ существенно влияет на объем оборудования ЗУ и внутреннего интерфейса ЭУМ, а также на ее производительность. Разрядность ЗУ в современных ЭУМ обычно кратна 23 и равна 8, 16 или 32 разрядам.     Емкость Е основного ЗУ определяет число двоичных единиц информации (бит), которые одновременно могут храниться в ЗУ: E=Nn, где N-число ячеек памяти; n - разрядность ячейки памяти. Емкость основного ЗУ чаще всего измеряется в следующих единицах: Кбит, Кбайт, Мбит, Мбайт (1 байт = 8 бит, К = 1024; М = 1024 К). В современных ЭУМ емкость основного ЗУ составляет 128 Кбайт ... 8 Мбайт. Эксплуатационные характеристики ЭУМ оценивают в основном ее надежность, т. е. свойство ЭУМ выполнять возложенные на нее функции, сохраняя при определенных условиях эксплуатации в установленных пределах свои технические характеристики. Работоспособность ЭУМ нарушается в результате отказов оборудования, возникающих из-за неисправности элементов и соединений. Основной характеристикой надежности ЭУМ является интенсивность отказов ?отк , равная среднему числу отказов за единицу времени (обычно за один час). На основе интенсивности отказов определяется ряд других характеристик. Наработка на отказ Тбр равна среднему значению промежутка времени между двумя последовательными отказами, т. е.  Вероятность безотказной работы ЭУМ в течение интервала t времени:  После возникновения отказа ЭУМ ремонтируют с целью восстановления ее работоспособности. Затраты времени на восстановление складываются из времени поиска неисправности с точностью до типового элемента замены (съемной платы) и времени его замены и характеризуются средним временем ТВ восстановления. Комплексной характеристикой надежности ЭУМ является коэффициент готовности Кг = Тбр/(Тбр+Тв), определяющий долю времени, в течение которого ЭУМ работоспособна, или вероятность того, что в произвольный момент ЭУМ находится в работоспособном состоянии.   Важнейшей экономической характеристикой ЭУМ является ее стоимость С, естественно, зависящая от основных технических характеристик.     Простейшим соотношением, связывающим между собой стоимость и быстродействие ЭУМ, является эмпирически установленный закон Гроша, в соответствии с которым: С = к1v a1ном Более полно влияние основных технических характеристик ЭУМ на ее стоимость отражает соотношение: C = к2(vномЕ)a2 r a3 , где 0