Многопроцессорные системы с общей шиной, с коммутационным полем; матрицы процессоров.

Различают три классических варианта архитектуры систем управления:

· централизованное управление;

· децентрализованное или иерархическое управление;

· распределенное управление.

При централизованном управлении в составе оборудования станции имеется одно центральное управляющее устройство (ЦУУ), обслуживающее все объекты управления. Системы управления этого типа применялись в квазиэлектронных АТС, в первых моделях цифровой коммутационной аппаратуры. В то время еще не выпускались микропроцессоры, а стоимость вычислительных машин, построенных на дискретных компонентах или микросхемах малой степени интеграции, была слишком высокой для того, чтобы оборудовать одну телефонную станцию несколькими программными управляющими устройствами. В настоящее время подобный способ управления находит применение только в устройствах с ограниченным набором функций, таких, как модемы, факсимильные аппараты и т. п. Централизованное управление имеет ряд недостатков, главным из которых является неудобство масштабирования: независимо от количества объектов управления оборудование должно иметь одно и то же дорогое ЦУУ. Поскольку от работоспособности единственного управляющего устройства зависит работа аппаратуры в целом, ЦУУ ответственного оборудования обычно дублируется, что повышает стоимость системы. Другой недостаток заключается в неэффективном использовании ресурсов самого ЦУУ, которое в процессе работы должно часто переключаться от выполнения одной программы к выполнению другой. Это вызвано необходимостью параллельного исполнения управляющим устройством разнообразных функций, связанных с многочисленными объектами.

Децентрализованная система управления, справедливо называемая также иерархической, характеризуется наличием одного центрального и нескольких, подчиненных ему, периферийных управляющих устройств (ПУУ). В сложных иерархических системах среди ПУУ также могут устанавливаться отношения подчинения одних устройств другим. ЦУУ выполняет действия, реализующие основные алгоритмы и координирует работу периферийных управляющих устройств, между которыми распределены вспомогательные функции. Децентрализованная система не требует полного дублирования всех узлов. Обычно резервируется только центральное управляющее устройство, так как отказы ПУУ приводят к прекращению обслуживания небольших групп объектов. Создание таких систем стало возможным именно благодаря появлению микропроцессоров, использование которых существенно снизило стоимость аппаратных средств систем управления. ПУУ, от которых не требуется высокая производительность, обычно строятся на базе микроконтроллеров. В ПУУ, обеспечивающих обработку информации, поступающей по высокоскоростным каналам, широко применяются цифровые сигнальные процессоры.

Система с распределенным управлением содержит набор управляющих устройств (УУ), способных равноправно обмениваться информацией друг с другом и в более или менее равной мере участвующих в реализации алгоритмов управления объектами. Существуют две разновидности распределенного управления: с разделением функций и с разделением нагрузки. Первая из них предусматривает закрепление за отдельными УУ различных функций. Например, одно из УУ автоматической телефонной станции может обрабатывать сообщения общеканальной сигнализации, другое – формировать команды включения и выключения трактов в коммутационном поле, третье – выполнять функции тарификации и т. д. Система с разделением нагрузки представляет собой совокупность однотипных управляющих устройств, каждое из которых способно самостоятельно выполнить все действия, реализующие процесс управления. При этом либо УУ закрепляются за определенными группами интерфейсов, либо общий поток заявок на обслуживание равномерно распределяется между имеющимися УУ. Использование принципа распределенного управления позволяет применять способ резервирования по схеме N+1. Несмотря на ряд важных достоинств распределенного управления, таких как меньшая чувствительность к отказам отдельных узлов и хорошая масштабируемость, его практическая реализация затруднена необходимостью создания сложного программного обеспечения для организации взаимодействия множества УУ друг с другом.

Децентрализованные и распределенные системы относятся к классу многопроцессорных, поскольку в составе каждого из множества управляющих устройств имеется свой микропроцессор или микроконтроллер, работающий по отдельной программе. Важной характеристикой многопроцессорной системы является способ организации каналов межпроцессорного обмена информацией.

Наиболее простую структуру связей между управляющими устройствами имеют иерархические (децентрализованные) системы управления. В оборудовании многих производителей ЦУУ соединяется со всеми ПУУ прямыми каналами, образуя тем самым сеть процессоров с радиальной (звездообразной) структурой. Примером подобной сети может служить система управления автоматической телефонной станции SI2000, представленная на рис. 2.10. Функции ЦУУ здесь выполняет управляющий процессор CVC, расположенный в блоке CCA модуля MCA. Периферийные управляющие устройства образуют два иерархических уровня. К первому относятся управляющие устройства в блоках CDB, установленных на платах CLC модулей MLC, а второй составляют микроконтроллеры (µC) на платах аналоговых (SAC) и цифровых (SBC) абонентских интерфейсов, а также цифровые сигнальные процессоры на дочерних платах DDA интерфейсов аналоговых соединительных линий (TAB). Связь между CVC и CDB организована посредством высокоскоростных каналов HSL в пределах MCA и далее по каналам E1 в направлении модуля MLC. В обмене информацией здесь принимают участие цифровые сигнальные процессоры коммуникационных контроллеров CDA, установленных на платах TPC. Эти процессоры обрабатывают сообщения протокола V5.2, используемого на участке между MCA и MLC. Взаимодействие CDB с микроконтроллерами и цифровыми сигнальными процессорами внутри модуля MLC осуществляется с помощью низкоскоростных последовательных каналов LSL. В децентрализованной системе управления с радиальной сетью процессоров количество портов ЦУУ должно соответствовать числу ПУУ, с которыми оно связано. В оборудовании SI2000 роль этих портов выполняют интерфейсы каналов HSL, число которых в случае необходимости может быть увеличено путем установки блоков IHA. Количество каналов E1 между MCA и MLC также может изменяться в зависимости от числа интерфейсов TPC и TPE.

Рис. 2.10

Другой способ организации межпроцессорного взаимодействия заключается в использовании общей шины. Общая шина представляет собой канал передачи информации, поочередно используемый управляющими устройствами (рис. 2.11). Этот способ, в отличие от предыдущего, пригоден для создания как децентрализованных, так и распределенных систем программного управления, поскольку он позволяет взаимодействовать любой паре УУ, подключенных к каналу. Пропускная способность совместно используемого канала накладывает ограничение на максимальное количество микропроцессоров, которые могут быть к нему подключены, так что возможности масштабирования системы с общей шиной можно оценить как весьма скромные. Чаще всего такой способ межпроцессорного взаимодействия организуется в пределах конструктивной единицы оборудования – одной печатной платы, модуля или шкафа, а пропускная способность канала рассчитывается исходя из максимального числа УУ, размещенных на плате, или устанавливаемых, соответственно, в модуль или шкаф. Применение общей шины в децентрализованных системах позволяет оборудовать ЦУУ только одним портом для связи с ПУУ, однако не следует забывать, что объем передаваемой через него информации растет пропорционально количеству подключенных устройств. Эффективность использования общей шины во многом зависит от алгоритма обеспечения доступа к ней со стороны управляющих устройств. Например, один из алгоритмов разрешает всем УУ начинать передачу информации в произвольные моменты времени. В таком случае, во избежание искажения информации предусматривается особый механизм разрешения коллизий при попытках одновременного доступа к шине двух и более устройств. Другим алгоритмом предусматривается возможность начала обмена только по команде одного из УУ, координирующего работу системы.

Рис. 2.11

Организация межпроцессорного взаимодействия с помощью коммутационного поля (рис. 2.12) позволяет избежать ограничений, свойственных общей шине. Здесь передача информации между двумя УУ происходит после установления соединения через коммутационное поле (КП). В цифровых АТС для этих целей обычно используется основное коммутационное поле, устанавливающее речевые соединения. Применение многопроцессорных систем с коммутационным полем характерно для систем распределенного управления, где периоды автономной работы отдельных УУ, как правило, более продолжительны, чем в децентрализованных системах.

Рис. 2.12

Еще одна структура межпроцессорных связей, встречающаяся при распределенном управлении, изображена на рис. 2.13. Здесь управляющие устройства образуют полносвязную сеть. Для ее создания каждое УУ должно иметь K-1 портов, где K – число устройств в сети.

Рис. 2.13

Структура систем управления реальной аппаратуры может отличаться от перечисленных классических моделей. Например, если рассматривать способ организации межпроцессорного взаимодействия в АТС DX500, имеющей распределенное управление, то можно заметить, что связи между процессорами внутри отдельного кластера скорее соответствуют децентрализованной системе. В то же время способ обслуживания вызовов, при прохождении соединения через два кластера, имеет черты, характерные как для распределенной системы с разделением нагрузки, так и для системы с разделением функций.

Принцип построения отдельных УУ, объединяемых в многопроцессорную систему, не отличается от традиционного. Управляющее устройство, построенное на микропроцессоре, содержит постоянное и оперативное ЗУ, а также интерфейсы ввода/вывода информации.

Еще одним специфическим видом многопроцессорных систем являются матрицы процессоров. Они отличаются тем, что позволяют выполнять решение одной задачи параллельно-последовательно на нескольких процессорах. Общий поток входных данных распределяется между несколькими процессорами первой ступени. Эти процессоры, выполнив несколько операций обработки данных, передают результаты своей работы процессорам второй ступени; те, в свою очередь, процессорам третьей ступени и так далее. Благодаря такому построению системы удается использовать достаточно простые (но быстродействующие!) процессоры. Матрицы процессоров способны обеспечить высокую производительность при обработке высокоскоростных информационных потоков. Однако они, как правило, создаются для решения конкретных специфических задач, поскольку требуют разработки сложного программного обеспечения.