5.5. Система управления коммутаций сигналов

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  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 = 2Nk + 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 > r₁ + (r₂ – l),

где r₁, – количество входов в каждый коммутатор первого звена; k – количество коммутаторов второго звена; r₂ – количество выходов от каждого коммутатора третьего звена;  – 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; r1 – число входов в каждый коммутатор 1-го звена; S1 – число коммутаторов 1-го звена; М – число выходов = r2 ; r2 – 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
2	I	2, 5	I, III
3	II	8, 11	IV, VI
1	I	1, 3	I, II
6	III	10, 12	V, VI
4	II	4, 6	II, III
5	III	7, 9	IV, V

Таблица 49

Список микрокоманд и логических условий

Аi	Микрокоманды
А1	Установка нулевого состояния всех счетчиков
А2	Запись в стек исходной информации
А3	Считывание в ПЗУ i-гo входа, подлежащего коммутации
А4	«+1» к Сч. ст.
А5	Запись в РгУ i-й строки матрицы ||А||
А6	Опрос декодера ДСЗ
А7	«+1» к 2 Сч.
А8	Опрос декодера ДС4
А9	Опрос декодера ДС6
А10	Замыкание ЭК в коммутаторе I звена
А11	«+1» к 1 Сч.
А12	Опрос декодера ДС1
А13	Опрос декодера ДС5
А14	Опрос декодера ДС2
А15	Замыкание ЭК в коммутаторах II и III звена
А16	Индикация о невозможности установления соединения
	Проверяется содержимое 2 Сч.
	Проверяется содержимое 1 Сч.
	Проверяется содержимое Сч. ст.

В регистр управления РгУ по заданному адресу считывается из ПЗУ i-я строка матрицы требований на соединение ||А||. Регистр управле­ния разделен на части – поля. Каждое поле содержит: П1 – код комму­татора третьего звена; П2 – код выхода; ПЗ – код коммутатора первого звена; П4 – код входа.

Рис. 110. Алгоритм управления многокаскадным коммутатором

Управляющая подсистема – микропрограммный автомат для управления блоками И, Л, Ф, А по реализации алгоритма установления соединений.

В табл. 49 приведен список микрокоманд и логических условий. Очевидно, что в этой классификации указаны основные функции пяти подсистем. Для логической подсистемы требуется введение еще ряда до­полнительных логических условий, таких как: весь ли список на соедине­ние исчерпан, заняты ли промежуточные линии в коммутационном поле и др. Предложенная система управления коммутатором многофункциональ­на, т.к. позволяет осуществить управление трехкаскадными схемами, как с ординарной, так и с неординарной коммутацией. Алгоритм управления операционным устройством многозвенного коммутатора в форме ЛСА имеет вид:

А₀А₁А₂ [А₃А₄]А₅[А₆А₇] ₁[А₈А₉А₁₀][А₁₁А₁₂] [А₁₃А₁₄А₁₅] А_к; ( v ) .

При переходе к неординарной коммутации изменяются адресные поля в РгУ и увеличивается количество счетчиков, регистров и декодеров, определяющих 2ПЛ. Сам алгоритм управления (110) практически не изменяет­ся. Быстродействие установления соединений за счет использования спе­циальной операционной структуры (рис. 108) и автомата Мура, соответст­вующего алгоритму управления (110) почти на два порядка выше, чем при программной реализации на микроконтроллере на одной и той же эле­ментной базе.

Реализация системы управления на быстродействую­щей логике, например ЭСЛ, позволит строить многозвенные коммутаторы СВЧ диапазона на базе арсенид-галлиевого матричного кристалла (БМК). БМК может использоваться как однозвенный коммутатор размерностью 4x4 [14]. На основе нескольких БМК по трехкаскадной схеме может быть построен многовходовый коммутатор, как для ординарной, так и для неординарной коммутации. Это может быть принципиально новым решением для СВЧ диапазона, устраняющим необходимость последовательной обработки списков через буфер с одним коммутатором 4x4 или с помощью коммутационных схем на основе числовых матриц ПЗУ. Аналогично может быть решен вопрос многозвенной коммутации в пневмоавтоматике на базе схем [24].

Таким образом, структурная реализация системы управления коммутаторами по декомпозиционной схеме в виде специального (Ф, И, А, Л) операционного устройства и автомата управления им позволяет достичь нового качества в задачах пространственной коммутации сигналов.