ЦСРС_1 / Grebeshkov_Tehnika_mikroproz_sistem_v_kommutazii_uchebnik_dlya_vuzov_2011

Техника микропроцессорных систем в коммутации

ванные микропроцессорные системы и специализированные микропроцессоры. По сравнению с микропроцессорными системами общего назначения, специализированные системы имеют более узкую функциональность, они предназначены для решения ограниченного набора задач обработки данных. Это объясняется тем, что как и в случае с единственным микропроцессором узла коммутации, в некоторых случаях нерационально и неэкономично использовать МПр общего назначения для решения частных, локальных задач, не требующих большой вычислительной производительности и выполняемых по фиксированным, сравнительно несложным, алгоритмам. Кроме того, существенным является фактор времени обработки данных. Чем скорее данные поступят на обработку и чем больше стандартных операций МПр будет выполнено на аппаратном уровне (т.е. не с помощью загружаемой программы), тем меньше будет задержка обслуживания вызова узлом коммутации. Все перечисленные особенности в полной мере реализованы при создании таких специализированных процессоров как процессоры цифровой обработки сигналов, сетевые процессоры, процессоры ввода-вывода. Эти микропроцессоры предназначены для выполнения ограниченного набора вычислительных операций, но за счѐт, того, что эти операции поддерживаются аппаратными средствами, выполнение идѐт с высокой скоростью и минимальной задержкой по времени. Необходимость в таком решении возникает при обработке «на лету», в реальном времени акустических и видео-сигналов, при обработке зашумленных сигналов, в ходе кодирования/декодирования различной информации.

Следует отметить, что специальные МПр зачастую непосредственно подключены к физическим интерфейсам линий и каналов связи, к интерфейсам трактов систем передачи, к аппаратуре преобразования сигналов, к различным датчикам, антеннам излучения, коммутационным приборам. Это позволяет уменьшить время передачи информации в специализированный МПр для последующей обработки и, соответственно, сократить время реакции на событие. В результате специальные МПр монтируются непосредственно в линейные или абонентские модули, в абонентские или воспроизводящие устройства и подключаются к интерфейсам средств связи с

61

Техника микропроцессорных систем в коммутации

внешней средой. Специальные МПр также могут реализовываться в виде микроконтроллеров – программируемых однокристальных вычислительных устройств (микро–ЭВМ) с встроенной памятью команд и данных, набором средств для ввода-вывода данных [34]. Микроконтроллеры применяются для решения задач оперативного управления аппаратурой узлов коммутации, они могут обрабатывать первичную информацию, поступающую непосредственно с датчиков, сенсоров, точек сканирования и выводов аварийной сигнализации и по результатам обработки вырабатывать необходимые сигналы управления.

С учѐтом специфики решаемых задач управления, особенностей архитектуры и характера обрабатываемых данных среди специализированных процессоров можно выделить несколько типов. Сетевые (коммуникационные) процессоры реализуют аппаратную поддержку и управление интерфейсами и коммуникационными протоколами, такими как Ethernet, HDLC, X.25. ATM, IP, а также аппаратную поддержку протоколов шифрования. Примерами таких МПр яв-

ляются Мotorola MC683xx, MPC8xx, AMD Am186CC, Intel IXA IXP 2XXX, Intel IXP 4XXX. Cуществуют специальные модемные процессоры для поддержки стандартов V.3x, V.9x.

Цифровые сигнальные процессоры, ЦСП или ПЦОС (digital signal processor, DSP) являются специализированными микропроцессорами, предназначенными для обработки сигналов, представленных в цифровой форме. С помощью аппаратно-программными средствами ПЦОС реализуют различные методы цифровой обработки сигналов такие как фильтрация, спектральный анализ, смешение сигналов, масштабирование [6,7,90]. Отличительной особенностью ПЦОС является обработка групп (блоков) данных в реальном времени и с ограниченным набором операций такой обработки. Процессор цифровой обработки сигналов выполняют четко алгоритмизированные задачи кодирования, декодирования, ЦАП/АЦП. Примерами ПЦОС являются МПр типа Texas Instruments TMS 320, Analog Devices ADSP 21xxx, Motorola DSP56xxx, Motorola DSP96xxx. Различ-

ные типы ПЦОС выполняют вычислительные операции (как правило, сложение и умножение) в системах анализа сигналов, при реализации кодеков или кодеров различного назначения. Эти процессоры

62

Техника микропроцессорных систем в коммутации

широко применяются в системах сотовой связи стандартов GSM, CDMA для осуществления кодирования и сжатия исходного аналогового речевого сигнала. Аппаратная часть ПЦОС оптимизирована для выполнения операций с плавающей точкой или с целыми числами. Это позволяет за счет точности и скорости вычислений максимально точно кодировать, а затем воспроизводить переданный сигнала, особенно в условия зашумления.

Перечисленные процессоры также иногда относятся к встраиваемым (управляющим) процессорам, embedded processor [36]. Термин «встраиваемый» означает, что специализированные МПр или микроконтроллеры конструктивно размещены непосредственно в/на управляемых модулях, в отличие от «невстраиваемых» МПр, которые расположены вне модулей и подключаются к модулям по высокоскоростным каналам или шинам обмена данными.

Общее назначение встраиваемых микропроцессоров или микроконтроллеров – автоматическая реализация функций управления, для чего этот класс устройств обладает следующими основными свойствами:

полная автоматизация, т.е. работа без вмешательства человека в порядок управления;

непосредственное подключение к объекту управления, в том числе с помощью встроенных преобразователей сигналов, сенсоров и датчиков;

работа в реальном времени;

относительно несложные алгоритмы вычислений;

наличие автоматических алгоритмов регулирования и адаптации при изменении характеристик входных данных.

Соответственно, различают универсальные встроенные процессоры, процессоры с расширенными коммуникационными возможностями, процеcсоры с расширенными возможностями дискретного ввода/вывода. Общая иерархия процессоров, согласно направлению их использованию в современных узлах коммутации, с учѐтом данных Wolf, Tomas (США, 2003) представлена на рис. 1.21. Рассматривая в целом схему на рис. 1.21 можно отметить, что производительность, сложность архитектуры, стоимость микропроцессорных

63

Техника микропроцессорных систем в коммутации

вентильной матрицы, FPGA представляет собой матрицу логических генераторов т.е. цифровых устройств, реализующих логические функции И–НЕ, ИЛИ–НЕ и т.п. Логический генератор представляет собой блок статической памяти, в котором логические функции задаются с помощью таблицы преобразований с 4,5 или 6 входами. Таблица преобразований по своим функциям соответствует таблице истинности. В результате с помощью соответствующей комбинации входных и выходных значений можно имитировать действие логической схемы. При этом логика работы генератора и состояние входов– выходов может быть задано программным образом. Выходы логических генераторов доступны непосредственно, либо подключаются через мультиплексоры и триггеры на выходе, в результате чего создается логическая ячейка или блок. Мультиплексоры применяются для увеличения числа булевых переменных в выполняемых логических функциях.

Таким образом, отличительной чертой ПЛИС является наличие архитектуры, допускающей реконфигурирование цифровых цепей и базирующейся на массиве программно–конфигурируемых логических секций, окруженных блоками ввода/вывода. Блоки вводавывода представляют собой высокоскоростные последовательные приемо–передатчики, в составе которых, помимо дискретных, применяются и налоговые компоненты, что обеспечивает скорость передачи до 3,125 Гбит/с на вывод. Микросхема ПЛИС может содержать по крайней мере от 150 тысяч до 750 тысяч логических ячеек, общее количество триггеров для 150 тысяч ячеек составляет 184 тысячи, количество приемо-передатчиков от 2 до 8, время затрачиваемое на переключение вентилей – по крайней мере 25 нс, изготавливаются по технологической норме 40…45 нм. Микросхема изготавливается по К–МОП технологии в различных типах корпусов размером до 31x31 мм, с количеством выводов до 570 и с напряжением электропитания от 1,2В до 3,3В. [24]. В современных решениях на ПЛИС применяются не только логические генераторы, но и непрограммируемые компоненты, выполняющие например такие широко используемые функции, как умножение с накоплением. В результате микросхема FPGA может быть реконфигурирована и перепрограммирована в соответствии с нуждами конкретной задачи, в результате чего

65

Техника микропроцессорных систем в коммутации

не затрачиваются ресурсы на дорогостоящее производство заказных микросхем.

Чаще всего микросхемы FPGA используется для реализации цифровых фильтров высоких порядков, для быстрого преобразования Фурье, для вейвлет–преобразования, где необходимо проводить большое число вычислительных операций над сравнительно небольшим, но постоянно меняющимся набором исходных данных (отсчетов). Разработчики средств связи используют FPGA в основном из-за их малых размеров, высокой скорости работы, малого энергопотребления и возможности программного обновления логики работы. К недостаткам решения FPGA относится дороговизна таких микросхем, сравнительно низкие тактовые частоты и меньшая универсальность по сравнению с «традиционными» специализированными МПр. Еще одним решением для производства специализированных МПр является решение с использованием матриц не вентилей, а макроячеек. Макроячейка состоит из нескольких вентилей, в результате чего может выполнять функции триггера, АЛУ, регистра. Макроячейки соединяются с портами ввода/вывода и с шинами микропроцессорной системы. Управляются макроячейки с помощью программного обеспечения в энергонезависимом ПЗУ. Наконец, в рамках решения по реконфигурации матрицы информационных каналов, rDPA в составе микросхемы ПЛИС применяются программируемые переключатели, осуществляющие программно–управляемую перестройку информационных магистралей между логическими блоками. В результате маршруты распределения сигналов между логическими блоками в ПЛИС изменяются любым, наперед заданным образом. В результате изменяется связность между логическим блоками, что обеспечивает выполнение требуемых логических функций. В рамках настоящего учебника будут подробнее рассматриваться более универсальные решения – специализированные процессоры в частности сетевые процессоры, процессоры цифровой обработки сигналов, процессоры ввода-вывода. Процессоры общего назначения детально рассматриваться не будут. Это объясняется существованием многочисленных источников информации по процессорам общего назначения [4,43, 47,48,70,91], повторять содержание которых нецелесообразно.

66

Техника микропроцессорных систем в коммутации

1.7Интерфейсы и устройства сопряжения

1.7.1 Интерфейсы, адаптеры и мультиплексоры

Вузлах коммутации интерфейсы соответствуют стандартам и требованиям международных организаций, таких как ISO/IEC, МСЭ–

Ти IEEE, а также национальным требованиям России. Как уже отмечалось выше, интерфейс есть граница и способ адаптации между двумя взаимодействующими устройствами, определенный общими функциональными, конструктивными характеристиками и требованиями к протоколу обмена. В узлах коммутации интерфейс также определяется как стык, через который проходит взаимодействие между блоками узла коммутации [19] по обе стороны стыка или взаимодействие узла коммутации с внешней средой. Стыки классифицируются в зависимости от типа оборудования средства связи, взаимодействующего с узлом коммутации через данный стык.

Вузлах коммутации в качестве средства реализации интерфейса выделяют порт физический и порт эквивалентный. Порт физический – аппаратное средство для реализации интерфейса (стыка), в том числе с внешней средой, на физическом уровне. Физический порт также реализует интерфейс со средой распространение сигнала электросвязи. Порт эквивалентный – условная единица, соответствующая физическому порту с нормализованной скоростью передачи (200 бит/с, 64 кбит/с, 1 Мбит/с). Основные интерфейсы узлов коммутации приведены в таблице 1.3.

Интерфейсы (стыки) [38,53] классифицируются по нескольким признакам, в первую очередь, по способу передачи сигналов – аналоговые или цифровые стыки. Стыки различаются по использованию в узлах коммутации – в направлении пользователей, в направлении других узлов коммутации, в направлении внешних систем управления и технической эксплуатации, в направлении сети синхронизации и сетей различного назначения. Стыки могут конструктивно располагаться и в иных блоках узла коммутации, нежели названные в табли-

це 1.3.

67

Техника микропроцессорных систем в коммутации

Таблица 1.3 – Виды интерфейсов (стыков) узлов коммутации

Стыки различаются по таким группам параметров, как:

виды каналов, распределение каналов;

синхронизация (для цифровых стыков); проверка (контроль);

68

Техника микропроцессорных систем в коммутации

электрические параметры стыков.

Параметр виды каналов и распределение каналов указывает на число канальных временных интервалов, назначение канального временного интервала и номер временного интервала. Параметр синхронизации указывает на способ организации цикловой синхронизации и источники хронирования. Параметр контроля указывает на способ проверки синхронизации, в том числе с помощью проверочной циклической последовательности. Электрические параметры стыка содержат значения номинальных значений электрических импульсов в вольтах и длительность импульсов сигналов электросвязи в наносекундах Рассмотренные параметры для различных стыков приведены в рекомендациях МСЭ–Т серии G, а именно рекоменда-

ции серии G.703, G.704, G706, G.708, G.960, G.962, G.964, G.965,G.968, G.982. Распределение каналов описывается в реко-

мендациях МСЭ–Т Q.511, Q.512, Q.513.

Помимо рассмотренных интерфейсов, на узле коммутации применяются специальные интерфейсы (стыки) для организации связи между функциональными блоками, цифровым коммутационным полем и управляющими устройствами. Здесь могут использоваться как международно признанные стандарты стыков, так и специфические решения данного производителя, например шина IX Bus компании Intel для связи между специализированными процессорами управляющего комплекса. Наконец, для организации интерфейса управляющего комплекса с компьютерами технической эксплуатации используются стандартные интерфейсы средств вычислительной техники, такие как RS232, USB. Для подключения к управляющему комплексу запоминающих устройств используются стандартные интерфейсы такие как SCSI, SATA и IDE, Интерфейсы (стыки) создаются специальными устройствами сопряжения.

Под устройством сопряжения понимается специализированный микропроцессор, микроконтроллер или микросхема, выполняющая функцию сопряжения внешней среды – физической среды распространения сигнала электросвязи – с вышестоящими уровнями согласно модели взаимосвязи открытых систем. Устройство сопряжения фактически формирует стык между каналами, трактами физическими линиями и оборудованием узла коммутации. Устройство со-

69

Техника микропроцессорных систем в коммутации

пряжения может реализовывать функции физического, канального и частично – сетевого уровня модели ВОС. В целом устройство сопряжения выполняет ввод–вывод данных в канал связи, проверяет данные на наличие ошибок, осуществляет перезапрос в случае обнаружения ошибок, проводит самоконтроль работоспособности, контроль функционирования аппаратуры каналов связи, портов и интерфейсов. В качестве устройств сопряжения на узлах коммутации применяются сетевые адаптеры, мультиплексоры, сетевые процессоры и коммуникационные процессоры/контроллеры. Рассмотрим их последовательно.

Сетевой адаптер или контроллер сетевого интерфейса, NIC – периферийное оборудования выполняющее функции вводавывода узла коммутации согласно ГОСТ 25868–91. Сетевой адаптер реализует интерфейс (стык) физического и канального уровня узла коммутации с физической средой передачи сигнала электросвязи. Сетевой адаптер решает задачи надежного и устойчивого обмена электрическими или оптическими сигналами по линиям связи. Сетевой адаптер работает под управлением загружаемого драйвера устройств ввода-вывода операционной системы или может быть выполнен в виде заказной микросхемы. Драйвер – программа, предназначенная для управления работой периферийных, по отношению к МПр, устройств. Сетевой адаптер обычно выполняет несколько функций.

Сетевой адаптер формирует передаваемую информацию в виде кадра, формат которого соответствует используемому телекоммуникационному протоколу. Кадр включает несколько служебных полей, среди которых имеется адрес узла коммутации назначения, контрольная сумма кадра. Контрольная сумма на приѐме кадра вычисляется заново, сравнивается с полученной и сетевой адаптер узла коммутации назначения делает вывод о корректности доставленной по сети информации.

Сетевой адаптер обеспечивает доступ к каналам и к среде распространения сигнала электросвязи, устанавливает требуемый тип мультиплексирования. При обеспечении доступа предусматривается поддержка таких технологий как разделяемый доступ к общему каналу (шине), метод случайного доступа, метод с передачей

70