Типовые структуры информационных связей.

Для объединения разнообразных средств сбора, обработки, хранения и представления измерительной информации в систему используются различные способы структурной организации. Основными из них являются последовательная, магистральная и радиальная структуры. Интерфейсы современных систем представляют собой, как правило, комбинацию этих структур. Каждый функциональный модуль системы содержит операционную часть, обеспечивающую выполнение заданной функции, и интерфейс (рис. 1). Через интерфейс осуществляется обмен сигналами с другими устройствами системы.

Последовательная структура показана на рис. 2. Её отличительной особенностью является возможность обмена информационными и управляющими сигналами только между соседними ФЭ. Однонаправленность связей полностью характеризует иерархию системы управления.

Рис. 2

Радиальная структура (рис. 3) предполагает наличие явно выраженного устройства управления (УУ), имеющего необходимое количество каналов обмена данными. Каждый ФЭ связан только с управляющим ядром системы, Запускается и выполняет программу только по его команде. Информационный обмен ФЭ между собой возможен только через УУ. Таким образом, централизация управления снижает быстродействие системы.

Рис. 3.

Для уменьшения числа параллельных линий связи используется соединение элементов системы общим проводным каналом связи с последовательным во времени подключением к нему. Совокупность объединяющих шин называется магистралью. К магистрали подключается тот ФЭ, адрес которого вызывается программой УУ.

Рис. 4.

Магистраль обычно состоит из нескольких шин, каждое из которых включает различное число линий связи. Шина данных объединяет линии передачи информационных сигналов, обеспечивающих принятый порядок работы на магистрали. По адресной шине осуществляется выбор устройства, подключаемого к магистрали. В ряде случаев для передачи адреса т некоторых управляющих сигналов используется шина данных. Таким образом, обращение к ФЭ происходит последовательно, передача информации – параллельно.

Магистраль содержит достаточно большое число соединительных проводов (несколько десятков), что несущественно при компактной организации системы, когда расстояние между элементами не превышает нескольких метров. При значительных удалениях используют двухпроводную магистраль с последовательной передачей информации.

Способы управления обменом данных на магистрали.

Магистральная структура накладывает определенные ограничения на организацию процесса функционирования системы. Кроме того, существенным фактором является распределение функций управления между элементами системы. В системах с централизованным управлением существует явно выраженное управляющее ядро – устройство управления, В виде ЭВМ или контроллера. Именно оно в соответствии с программой формирует сигналы на шинах адреса и управления, полностью определяя специфику отношений между ФЭ и процесс информационного обмена. В системах с децентрализованным управлением УУ отсутствует, а управляющие функции распределены между интерфейсными схемами модулей, входящих в систему. Однако при параллельном подключении к магистрали нескольких устройств и отсутствии УУ неизбежны конфликтные ситуации. Активный ФЭ – источник информации, может претендовать на занятие магистрали в тот момент, когда она занята другим, передающим информацию ФЭ – приемнику. Следовательно, все активные устройства должны иметь возможность в любой момент контролировать состояние магистрали и не подключаться к ней до освобождения. Для этого в шину управления вводится линия «Занято», к которой по «или» подключены все устройства. Но и в этом случае не исключено, что несколько ФЭ-источников будут пытаться занять освободившуюся магистраль. Поэтому должна быть предусмотрена процедура, обеспечивающая определенный порядок доступа к освободившейся магистрали при конечном времени ожидания и устранении взаимных блокировок. Обычно это реализуется через систему приоритетов.

1. централизованное детерминированное управление

В системе существует УУ, которое по программе формирует команды управления и осуществляет передачу и прием информации. На время, необходимое для завершения работы какого-либо устройства, делается выдержка. Ответные сигналы модулей системы не предусматривается.

2) централизованное управление с передачей сигналов запроса

После приема команды управления и выполнения своей программы ФЭ передают сигналы на линию запроса («Конец измерения», «Готовность данных»), смысл которых заключается в том, что устройство готово к выдачи измерительной информации. Определение адреса запроса и разрешения подключения к информационным шинам магистрали производится по инициативе УУ в соответствии с программой. Передача сигналов запроса возможна двумя способами: по индивидуальным для каждого устройства линиям или по общей линии, объединяющей восходы сигналов запроса по «ИЛИ» (рис. 5а, б). Во втором случае необходима дополнительная линия, по которой передается сигнал «ОТВЕТ» при определении адреса запроса.

Рис. 5а

Рис. 5б

При индивидуальных линиях запроса нет проблемы определения адреса источника запроса. При общей линии запроса используется процедура определения адреса запроса, заключающаяся в переборе адресов до появления ответного сигнала на специально выделенной линии при совпадении адреса с адресом источника запроса.

3) децентрализованное управление с приоритетом во времени

Простейший способ задания приоритетов заключается в установлении различных интервалов задержки τ_i между временем обнаружения свободного состояния магистрали началом подключения к ней. Когда магистраль свободна, на линии «Занято» высокий потенциал (рис. 6). Любой ФЭ, занимающий магистраль, информирует об этом, устанавливая на ней низкий потенциал. Претенденты на занятие магистрали постоянно анализируют состояние линии «Занято». Обнаружив, что магистраль освободилась, устройства претенденты ожидают определенное время и только после этого занимают магистраль (рис. 7). Приоритет будет у ФЭ с меньшим временем ожидания.

Рис. 6

Рис. 7

4) децентрализованное управление с арбитром

Роль арбитра в системе минимальна. Его функцией является задание и реализация системы приоритетов, что обеспечивает порядок доступа к шинам магистрали. При любом числе устройств, одновременно претендующих на занятие магистрали, арбитр разрешает сделать это только одному, старшему по приоритету. На рис. 8 в качестве примера показана структура системы, в которой используется приоритет по расположению. Управляющая шина, по которой взаимодействуют ФЭ и арбитр, включает три линии. Линия «Занято» используется для взаимного информирования о состоянии магистрали. Устройство, занимающее магистраль, поддерживает на линии низкий потенциал. На линии «Запрос» объединяются сигналы запроса всех ФЭ и передаются арбитру. По линии «Выборка» устройство, получившее разрешение на занятие магистрали, сообщает об этом арбитру.

Одно или несколько устройств, стремящихся занять магистраль, посылают сигнал арбитру, устанавливая на линии «Запрос» низкий потенциал. Обнаружив запрос, арбитр посылает сигнал «Разрешение», который доходит только до первого из устройств, посылавших запрос. Это устройство подтверждает получение разрешения по линии «Выборка» и снимает сигнал запроса, а после освобождения магистрали занимает её.