6.2. Разработка волновых каскадных коммутирующих сред для интегрирующих вычислительных структур

С ростом числа решающих блоков в ИВС существенно увеличивается количество коммутирующих элементов. Поэтому при большом N становится технически нецелесообразным централизованное управление каждым элементом коммутирующей среды, которое имеет место при использовании коммутационных линеек, координатной и шинной коммутации.

Разработаны принципы построения таких коммутирующих сред, управление в которых ведется обращением только к крайним элементам или всей среде в целом, обеспечивая при этом установление каналов связи с минимальными задержками сигналов и обходом неисправных элементов. Такие коммутирующие среды названы волновыми, так как они являются физической моделью волнового алгоритма ЛИ [117]. Существенное улучшение технических характеристик КС дают также построенные каскадные волновые коммутирующие среды.

Рассмотрим принципы построения волновых коммутирующих сред. В однородной КС выделим подмножество узлов-источников и подмножество узлов-приемников сигналов, где у – множество всех узлов среды. Поставим задачу установления кратчайшего канала связи между узлом-источником и узлом-приемником сигнала. Поскольку в однородной КС все узлы и звенья конструктивно идентичны, то в качестве весов узлов и звеньев [117] используем их естественные временные задержки распространяющихся сигналов.

Установление канала связи в волновой КС осуществляется в два этапа. В течение первого этапа между узлом p и всеми незанятыми узлами среды, в том числе и узлом q, устанавливаются кратчайшие по задержке сигналов каналы связи, образуя их прадерево. В течение второго этапа выделяется нужный канал связи.

Для образования прадерева узел p подключается к источнику потенциала поиска. В среду по прилежащим звеньям распространяется волна этого потенциала. На узлы среды наложены ограничения, обеспечивающие подключение каждого из них к звену, на котором раньше всех появился потенциал поиска. В случае одновременного прихода названного потенциала по нескольким звеньям узел равновероятно подключается лишь к одному из них. Это достигается подключением на каждый вход узла запрещающих связей с остальных его выходов.

По окончании переходных процессов узел q подключатся к источнику потенциала выделения канала связи. В результате по данному каналу-стволу прадерева формируется запрет изменения состояний узлов. Ветви прадерева разрушаются. Разработаны КС с четырьмя способами выделения канала связи: испытание среды на проводимость, токовый, логический и время - импульсный.

Исследования показали, что наиболее перспективными являются среды с логическим выделением каналов связи и с так называемыми секторными узлами. В этом случае каждый узел состоит из нескольких независимых секторов, образованных разделением его входов на группы по признаку включения запрещающих связей. Такие среды позволяют устанавливать дуплексные каналы связи по одним и тем же узлам.

Для построения волновой КС необходимо синтезировать элементарную коммутирующую ячейку, функционирование которой можно описать в составе коммутирующей среды, образованной множеством ячеек y, соединенных между собой в соответствии с графом коммутации звеньями, образующими множество звеньев Ζ, множеством вершин-источников Ρ, соединенных со входами ячеек, и множеством вершин-приемников Q, соединенных с выходами ячеек. Вершины- источники и вершины-приемники являются информационными входами и выходами среды. Как отмечено выше, алгоритм функционирования рассматриваемой волновой КС содержит два основных момента: построение дерева каналов и выделение нужных ветвей. Первая часть алгоритма реализуется ориентацией включения каждой ячейкой среды, вторая часть – фиксацией состояний ячеек, принадлежащих устанавливаемым каналам.

Структурная схема ячеек коммутации в общем случае содержит автомат ориентации включения, комбинационную часть и узел памяти (рис. 6.5). Автомат ориентации включения выполняет функции выработки обобщенного решения ячейки R(y). Если ячейка предназначена для построения КС с неуправляемым процессом построения дерева каналов, то функция R(y) реализуется вероятностным автоматом, в противном случае управление чувствительностью входных полюсов ведется со стороны центрального блока управления КС.

На рис. 6.6 представлена функциональная схема униполярной ячейки для построения волновых КС.

Рис. 6.5 Обобщённая структурная схема ячейки коммутации

Для построения решетчатых сред со свойством автоматического спрямления каналов связи разработана секторная коммутирующая ячейка. Отличительной особенностью ее является независимость секторов, что позволяет по одним и тем же звеньям устанавливать встречные независимые каналы.

Рис. 6.6 Функциональная схема униполярной ячейки коммутации

Рассмотрим принципы построения каскадных волновых коммутирующих сред. Более экономичными при большом числе коммутационных точек являются каскадные коммутирующие среды, в основу которых можно положить принципы построения телефонных каскадных систем. В силу специфики ИВС на каскадные КС накладываются дополнительные ограничения, что приводит к возможности большей экономии оборудования по сравнению с обычными каскадными КС.

Пусть число входов в каскадную КС равно N, а число выходов из среды - СN, где С - число входов одного РБ. Число элементарных коммутаторов (ключей) в трехкаскадной неблокируемой КС , где n - число входов в один блок первого каскада и число выходов из одного блока третьего каскада. Неблокируемость среды не изменяется при разделении второго и третьего каскадов на независимых частей, связанных с выходами первого каскада при их -кратном разветвлении. Число ключей при этом не изменяется, но появляется возможность доращивания среды однотипными частями при росте числа входовС.

При построении ИВС по принципу блискодействия или по модульному принципу, когда несколько УРБ объединяются в группу, выделим в каскадной КС в группу выходов. Назовем ее центральной и построим эту часть среды по условию неблокируемости, т.е. предполагаем, что УРБ, входящие в группу, коммутируются по принципу полного графа. Для коммутации остальных выходов КС выведем из первого каскада число выходов. Такое ограничение оправдано там, поэтому что в структуре выход одного УРБ на вход другого лишь в редких случаях может подсоединяться дважды. Число ключей в этом случае равно, где _.

Для построения каскадных КС описанные ячейки плохо приспособлены, так как они являются униполярными. В коммутирующих ячейках каскадных КС входные и выходные полюсы должны быть разделены в пространстве, а их числа различны. На рис. 6.7 приведена разработанная функциональная схема ячейки каскадной КС с неуправляемым процессом построения дерева каналов.

Функционирование ячейки аналогично работе описанной выше униполярной ячейке. Положительным качеством ячеек каскадной КС является пространственная независимость выходных полюсов от входных, что можно использовать не только для построения расширяющихся сред, но и для уменьшения числа физических входов при её микроэлектронном исполнении. Достигается это выносом в последующие блоки ячеек элементов И-18, И-HE-10 и И-HE-15·

Рассмотренная ячейка (рис. 6.7) в связи с неуправляемостью ориентации включения не позволяет строить волновые условно неблокируемые КС, в которых управлением входами ячеек достигается уплотнение каналов связи.

Рис. 6.7 Функциональная схема ячейки каскадной коммутирующей среды

Для устранения этого недостатка разработана коммутирующая ячейка с управляемой ориентацией включения (рис. 6.8). В этой ячейке однозначность подключения достигается раздельной подачей управляющих команд, длительность которых должна быть достаточна для окончания переходных процессов в среде по цепям распространения сигналов поиска и выделения. Эта ячейка наиболее экономична по затратам оборудования, приходящегося на один полюс, поэтому она нашла наибольшее практическое применение.

Рис. 6.8 Функциональная схема ячейки каскадной КС с управляемой ориентацией включения