В системах управления технологическими процессами, использующих аналого-цифровую вычислительную и телекоммуникационную технику, передача сигналов осуществляется либо по непосредственным связям, либо с помощью программно-управляемых коммутаторов. При этом могут применяться неординарные коммутаторы, допускающие передачу сигналов от одного входа (i -го блока) к нескольким выходам коммутатора (i ¹ j). Схематически простейшую коммутационную структуру можно представить в виде прямоугольной решетки, составленной из точек коммутации, как показано на рис. 106.
Эта коммутационная схема может быть использована для соединения любого из N входов с любым из М выходов через одну точку коммутации. Такие коммутационные структуры получили название однозвенных. Однозвенные коммутационные схемы характеризуются тем, что каждая отдельная точка коммутации может быть использована для соединения определенной пары вход-выход. Так как число пар вход-выход равно NxN, то число точек коммутации для коммутационных схем большой емкости становится недопустимо большим. Кроме того, большое число точек коммутации, приходящееся на каждую линию, подключенную к входу или выходу, создает дополнительно большую емкостную нагрузку на тракт передачи информации. Другой серьезный недостаток однозвенных коммутационных схем состоит в том, что для каждого определенного соединения требуется включение вполне определенной точки коммутации. Если такая точка коммутации выходит из строя, то оказывается, что соответствующее соединение установить нельзя. Анализ однозвенных коммутационных схем большой емкости показывает, что точки коммутации в таких схемах используются весьма неэффективно. В каждом ряду и в каждом столбце коммутационной схемы может работать только одна точка коммутации, даже при условии, что по всем линиям поступили требования на установление соединения. Чтобы повысить эффективность использования точек коммутации и тем самым уменьшить их число, необходимо сделать так, чтобы любую точку коммутации можно было использовать при установлении нескольких потенциальных соединений. Однако при этом для исключения возможности возникновения блокировок необходимо обеспечить для любого потенциального соединения нескольких соединительных путей. Такие условия выполняются в структуре многозвенных коммутаторов. Обходные соединительные пути служат для исключения или уменьшения блокировки, а также для защиты от возможных повреждений. Многозвенные коммутационные схемы позволяют использовать совокупность точек коммутации для образования нескольких соединительных путей через коммутационную схему.
|
|
Структура трехзвенной коммутационной схемы показана на рис. 107, входы и выходы в ней разделены на подгруппы из n входов и n выходов каждая. Входы каждой группы обслуживаются отдельной прямоугольной коммутационной схемой – коммутатором. Входные коммутаторы (первое звено) – это коммутаторы n x k, где каждый из k выходов соединяется со входом одного из к коммутаторов второго (центрального) звена. Межзвеньевые соединительные линии часто называют промежуточными соединительными линиями (ПЛ). Третье звено состоит из коммутаторов k х n, которые обеспечивают соединение каждого коммутатора центрального звена с группой n выходов. Все коммутаторы второго звена имеют параметры (N/ n) x (N/ n), что позволяет обеспечить соединение любого коммутатора первого звена с любым коммутатором третьего звена. Если все коммутаторы являются полнодоступными коммутационными схемами, то любое конкретное соединение входа с выходом схемы может быть установлено различными путями. Каждый из путей проходит через отдельный коммутатор центрального звена. Именно благодаря этому многозвенная структура позволяет обеспечить обходные пути через коммутационную схему в тех случаях, когда надо обойти возникающие повреждения.
|
|
Рис. 106. Полнодоступная коммутационная схема
Рис. 107. Трехзвенная коммутационная схема.
Общее число точек коммутации Nx, требуемое для построения трехзвенной коммутационной схемы, показанной на рис. 107, составляет
Nx = 2N k + k (N/ n)2,
где N – число входов (выходов), n – размер каждой группы входов (выходов); k –число коммутаторов второго звена.
Коммутационная схема будет неблокирующейся, если каждый отдельный коммутатор является неблокируемым и при этом число коммутаторов центрального звена k = 2n – 1 [16].
Для неординарных коммутаторов, соединяющих один вход с несколькими выходами, должно быть увеличено число коммутаторов второго звена и соответственно усложнена процедура управления коммутационной структурой [50]. Попытка реализации устройства управления таких коммутаторов чисто программным путем на микропроцессоре или типовым микропрограммным автоматом приводит к медленнодействующим и громоздким решениям. Для проектирования таких устройств управления автором предложен системный подход к анализу коммутационной схемы в целом и рассмотрение ее в виде обобщенной специализированной модели, состоящей из пяти взаимосвязанных подсистем. Система управления коммутатором в виде подсистем Ф, И, Л, А, У позволяет создать декомпозированную структуру в виде специального операционного устройства (рис. 108) и автомата управления им. При выборе операционного устройства предполагается, что трехзвенная коммутационная схема (рис. 109) должна быть неблокируемой. Условие неблокируемости [16]:
k > r 1 + r (r 2 – l),
где r 1, – количество входов в каждый коммутатор первого звена; k – количество коммутаторов второго звена; r 2 – количество выходов от каждого коммутатора третьего звена; r – максимальное число выходов, соединяемых одновременно с заданным входом. Вся система управления может рассматриваться как специализированный контроллер установления соединений по заданному списку соединений. В табл. 48 приведен пример матрицы требований на соединение. Во втором столбце указаны номера коммутаторов, принадлежащих i- му входу, в четвертом столбце – номера коммутаторов, принадлежащих j -му выходу.
В работе [50] структура системы управления получена чисто инженерным путем с ориентацией на логику малой интеграции. Тем не менее, использование для управления стековой памяти и таблицы (матрицы) требований на соединение является оригинальным направлением декомпозиции структуры устройства управления.
|
|
С учетом возможности БИС определим новую структуру системы управления коммутационным полем. В этом случае в соответствии с моделью Ю.Ф. Мухопада функции каждого из блоков могут быть определены следующим образом:
- Адресная подсистема состоит из стековой памяти (рис. 108). В стековой памяти записываются номера входов, подлежащих коммутации. Число регистров в стеке равно числу входов (i = 1, 2,..., N). Счетчик стека (Сч. ст.) формирует сигнал окончания списка на установление соединений а3 (i > N). Введение в адресный блок стековой памяти упрощает процедуру управления им, так как для сдвига массива информации в стеке требуется единственная микрокоманда.
- Функциональная подсистема – коммутационное трехзвенное поле (рис. 109).
- Информационная подсистема состоит из ПЗУ (рис. 108), в которой размещается таблица требований на соединение (табл. 48).
- Логическая подсистема служит для проверки занятости промежуточных линий в коммутационном трехзвенном поле, блокировании их при занятости (рис. 108) и состоит из счетчиков, регистра, декодеров.
Первый счетчик 1Сч считает номера 2ПЛ, где 2ПЛ – промежуточные линии от 2-го звена к 3-му. Число счетчиков равно числу коммутаторов 3-го звена S2. (1Сч1, 1Сч2,...1Сч S2).
Второй счетчик 2Сч считает номера 1ПЛ, где 1ПЛ – промежуточные линии от 1-го звена ко 2-му. Число 1ПЛ равно числу коммутаторов 2-го звена и равно k. Число счетчиков равно числу коммутаторов 1-го звена – S1 (2Сч1, 2Сч2,...2Сч S1).
Декодер DC1 определяет номер коммутатора третьего звена; DC2 – номер выхода; DC3 – номер коммутатора первого звена; DC4 – номер входа; DC5 – номер 2ПЛ; DC6 – номер 1 ПЛ.
Рис. 108. Операционное устройство системы управления трехзвенным
коммутатором:
Cг Cm – счетчик стековой памяти; 1Сг-1...2Cг-Sl – счетчики для проверки занятости промежуточных линий; DC1, DC2, DC3, DC4 – декодеры; PгY – регистр управления; П1, П2, ПЗ, П4 – поля регистра управления, где [ ] – признак параллельного выполнения операторов.
Рис. 109. Неблокируемая трехзвенная коммутационная схема:
|
|
N – число входов = r1·S1; r 1 – число входов в каждый коммутатор 1-го звена; S1 – число коммутаторов 1-го звена; М – число выходов = r2 ; r 2 – число выходов из каждого коммутатора 3-го звена; S2 – число коммутаторов 3-го звена; k – число коммутаторов 2-го звена.
Таблица 48
Список соединений
№ входа | № коммутатора 1-го звена | № выхода | № коммутатора 3-го звена |
I | 2, 5 | I, III | |
II | 8, 11 | IV, VI | |
I | 1, 3 | I, II | |
III | 10, 12 | V, VI | |
II | 4, 6 | II, III | |
III | 7, 9 | IV, V |
Таблица 49