Konyukhova_arhitektura

выполнения программы МК выполняет команду за командой, пока не дойдёт до команды останова.

2.Память МК. Согласно Гарвардской структуре ВМ, память МК физически, а часто и логически, разделена на память команд (программ) и память данных.

Объём памяти IROM может варьироваться от 1 до 32 Кбайт,

ав некоторых моделях МК вообще может отсутствовать. Такие МК используются в МКС с внешней программной памятью, которые в большинстве случаев применяются на ранних этапах разработки и отладки новых систем. В современных МК в качестве IROM могут использоваться различные ПЗУ (однократно и многократно программируемые).

Регистровый файл данных RRAM в большинстве случаев состоит из ОП общего назначения и области регистров специальных функций

SFR (Special Functions Registers). Набор SFR определён для каждого типа МК. Регистры SFR управляют внутренними ПУ МК, фиксируют их состояние и выполняют некоторые другие функции.

Некоторые МК, помимо RRAM, содержат дополнительно небольшую внутреннюю память IRAM (128 – 512 байт), в которой могут храниться как данные, так и команды. При этом появляется возможность модификации программы в процессе её выполнения.

3.Параллельные порты ввода – вывода используются для связи МК с ОУ. Они позволяют непосредственно вводить в МК и выводить из него данные в виде параллельного цифрового кода. Важной особенностью параллельных портов является возможность программирования отдельных разрядов (линий порта) для выполнения альтернативных функций.

В современных МК в дополнение к стандартному вводу – выводу, реализуемому параллельными портами, обработка дискретных сигналов осуществляется с помощью блоков быстрого ввода – вывода. Они осуществляют ввод –- вывод дискретных сигналов без непосредственного участия ЦПУ.

4.Последовательные порты. Обмен данными между МК и удалёнными датчиками и ИУ, как правило, осуществляется по последовательному каналу с последовательных портов. Обычно в структуру МК обязательно встраивается универсальный асинхронный приёмопередатчик, поддерживающий протокол стандарта RS-232C. Важным назначением последовательного порта является организации связи

170

с другими локальными регуляторами и ВМ верхнего уровня управления в многоуровневых системах управления.

5.Встроенные средства ввода – вывода аналоговых сигналов

обеспечивают связь МК с аналоговыми датчиками и ИУ ОУ. С их помощью входные аналоговые сигналы от датчиков преобразуются

вцифровой код для последующей обработки ЦПУ, а также проводится формирование аналоговых управляющих воздействий. Для преобразования аналоговых сигналов в цифровой код используются анало- го-цифровые преобразователи (АЦП). Обратное преобразование может выполняться с помощью внешних цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).

6.Блок таймеров, как правило, содержит несколько таймеров общего назначения, сторожевой таймер, а также блоки быстрого ввода – вывода.

Таймеры общего назначения используются для отсчёта интервалов реального времени и привязки к нему отдельных программных событий.

Блок быстрого ввода – вывода HSIO (High Speed Input-Output)

предназначен для регистрации входных и генерации выходных событий в реальном времени. Здесь событие – изменение входного или выходного сигнала на внешнем выводе МК.

Сторожевой таймер WDT (Watchdog Timer) используется для контроля длительности τ между некоторыми событиями. Если ожидаемое событие не наступит в пределах интервала τ, то таймер вызывает прерывание программы, при этом формируется внутренний сигнал сброса МК и осуществляется перезапуск управляющей программы.

7.Встроенная система прерываний позволяет отказаться от не-

прерывного контроля состояния большого количеств датчиков. Она обеспечивает автоматический запуск различных процедур обслуживания от внешних и внутренних устройств МКС. Система прерываний МК реализуется с помощью размещённого на кристалле контроллера прерываний.

Следует отметить, что несмотря на непрерывное развитие и появление большого количества новых МК, функциональная организация МК практически не меняется.

171

11.3. Области применения и тенденции развития МК

Производители МК предлагают широкий спектр их модификаций, отличающихся друг от друга пользовательскими требованиями, ценой и требованиями к ресурсам кристалла.

Можно выделить два больших класса задач, которые решают встраиваемые системы [2]:

1)управление событиями в реальном времени;

2)управление потоками данных.

К первому классу относятся задачи, требующие быстрой реакции МКС на изменение внешних условий (сигналы датчиков, изменение параметров и пр.), что требует применения МК со встроенными памятью программ и памятью данных, большим объёмом внутренних ПУ, портов ввода – вывода, системой команд, включающей битовые операции. К системам управления первого класса относятся системы управления технологическим оборудованием, системы управления устройствами промышленной автоматики, распределённые системы и т.п.

Ко второму задач относятся задачи, требующие быстрой обработки значительных объёмов информации, например, задачи, характерные для систем управления бортовым оборудованием, систем обработки видеоизображений и др. В таких системах, как правило, используются 16или 32-разрядные МК семейств 80C186, 386EX и пр.

В настоящее время в дополнение к МК общего назначения активно развиваются два направления в развитии элементной базы МК. Первое направление характеризуется развитием МК для сложных встраиваемых систем управления, в которых функциональная сложность решаемых задач сопоставима с возможностями ПК. Это направление связано с применением 16- и 32-разрядных МК, их усложнением. Второе направление, напротив, связано с некоторым «упрощением» функциональных возможностей МК. Подобные МК используются в тех случаях, когда требуется обеспечить небольшие габариты и низкую стоимость встраиваемых систем управления несложными объектами.

МК широко применяются в таких областях массового производства, как бытовая аппаратура, станкостроение, автомобильная промышленность, военное оборудование и т.д.

172

Более полно с характеристиками и особенностями работы МК можно познакомиться в специальной литературе и фирменных описаниях разработчиков МК.

Вопросы для самопроверки

1.Что представляет собой типовая система управления? Какие основные блоки входят в её состав?

2.Опишите модель протекания дискретного процесса.

3.Дайте определение встраиваемой системы управления, микроконтроллера. Назовите особенности встраиваемых средств на базе МК.

4.Что представляет собой МКС? Перечислите основные типы МКС, дайте характеристику каждому типу МКС.

5.Приведите функциональную схему МК, назовите его основные функциональные блоки, дайте краткую характеристику каждому блоку. Какие функциональные блоки МК отвечают за связь с ОУ, а какие осуществляют поддержку систем реального времени?

6.Для каких целей и в каких областях применяются МК? Какие существуют направления развития МК?

173

МОДУЛЬ 3. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СЕТИ

12. ОРГАНИЗАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Телекоммуникации (от греч. tele – вдаль, далеко и лат. communication – общение) – это передача и приём любой информации (звука, изображения, текста) на расстояние по проводным и беспроводным каналам связи [27].

Телекоммуникационная сеть – это система технических средств, посредством которой осуществляются телекоммуникации.

К телекоммуникационным сетям относятся [27]:

1)компьютерные сети;

2)телефонные сети, радиосети, телевизионные сети.

12.1. Обобщённая структура компьютерных сетей

Согласно [25, 28], компьютерная сеть (КС) – это система распределённой обработки информации, состоящая из территориально рассредоточенных компьютеров и телекоммуникационного оборудования, взаимодействующих между собой с помощью средств связи.

Основным назначением КС является предоставление большому числу пользователей доступа к её вычислительным ресурсам.

В соответствии с [28], все компьютеры КС по функциональному назначению можно разделить на три группы:

1.Абонентские системы – компьютеры, ориентированные на работу в сети и обеспечивающие конечным пользователям доступ

кеё вычислительным ресурсам (файлам, дискам, ПУ и т.п.), а также программный (ПО, реализующее сетевые функции в абонентской системе) и аппаратный (сетевой адаптер) интерфейсы.

2.Коммутационные системы (узлы коммутации – УК) – спе-

циализированные компьютеры или устройства, обеспечивающие организацию составных каналов передачи данных между абонентскими системами. УК во многом определяют архитектуру КС и характер её функционирования.

3.Главные системы (серверы) – специальные компьютеры, выполняющие основные сервисные функции в сети: управление сетью, сбор, хранение, обработку и предоставление информации абонентам КС. В свою очередь, в зависимости от выполняемых функций также можно выделить несколько видов серверов. Например, файл-сервер – это сетевой компьютер, осуществляющий операции по хранению, об-

174

работке и предоставлению файлов информации абонентам сети по их запросам. Компьютер, обеспечивающий абонентским системам эффективный доступ к КС, называется сервером доступа. Управление КС (контроль доступа в сеть, проверка оборудования, управление передачей данных и т.п.) осуществляет сервер сети.

На основе вышесказанного, обобщённую структуру КС можно представить следующим образом (рис. 64) [28]:

Сервер сети

УК

УК

Сеть передачи

УК данных

УК

Рис. 64. Обобщённая структура КС

Совокупность узлов коммутации и каналов передачи данных об-

разует сеть передачи данных (коммуникационную сеть). Каналы передачи данных состоят, в свою очередь, из линий связи и аппаратуры передачи данных, которая территориально, как правило, располагается в УК, абонентских системах или серверах. Абонентские системы могут подключаться к сети либо непосредственно в УК, либо через сервер доступа в сеть. В случае непосредственного подключения абонентских систем к КС функции сопряжения реализуются самими абонентскими системами. Сервер доступа целесообразно использовать для коллективного подключения абонентов к сети.

Управление КС может осуществляться как децентрализовано, когда управляющие функции распределяются между несколькими серверами, так и централизованно, когда работой сети управляет специально выделенной для этого сервер – сервер сети (см. рис. 64).

Кроме того, отдельные сети могут объединяться между собой в более крупные сети – сети сетей. В этом случае для обеспечения

175

соединения и согласованной работы отдельных подсетей между собой используются специальные межсетевые устройства – шлюзы.

Использование ВМ (компьютеров) в составе сети обеспечивает дополнительные возможности информационного обслуживания пользователей и позволяет наиболее дорогие ресурсы использовать коллективно [2]. КС очень разнообразны по своим функциональным возможностям, назначению, составу оборудования, ПО, вследствие чего их целесообразно классифицировать по ряду признаков.

12.2. Классификация компьютерных сетей

На основании [2,4, 25 – 30], КС можно классифицировать по приведённым ниже признакам.

1.По территориальному охвату выделяют следующие группы

сетей:

1.1.Глобальные сети (Wide Area Network – WAN) – сети, объе-

диняющие тысячи узлов, удалённых друг от друга на значительное расстояние, часто находящихся в различных странах или на разных континентах. В связи с большой сложностью такие сети имеют иерархическую структуру. Взаимодействие между абонентами глобальной сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, систем радиосвязи и спутниковой связи.

1.2.Региональные (городские) сети (Metropolitan Area Network

–MAN) – сети, объединяющие абонентов района, города, области или небольшой страны. Обычно удалённость абонентов составляет десятки – сотни километров.

1.3.Локальные сети (Local Area Network – LAN) – сети, объе-

диняющие до нескольких сотен узлов, удалённых друг от друга на небольшие (10 – 15 км) расстояния.

2.По функциональному назначению выделяют:

2.1.Вычислительные сети – предназначены, главным образом, для решения задач пользователей с обменом данными между абонентами сети.

2.2.Информационные сети – ориентированы в основном на предоставление информационного обслуживания по запросам пользователей.

2.3.Инфрмационно-вычислительные сети – объединяют в себе функции и вычислительных, и информационных сетей. В настоящее время к этой категории относятся большинство современных КС.

176

3. По типу используемого оборудования различают:

3.1.Однородные (гомогенные) сети – содержат программно-

совместимое оборудование. Как правило, сюда относятся локальные сети.

3.2.Неоднородные (гетерогенные) сети – содержат программ-

но-несовместимое оборудование. Чаще всего в эту группу входят глобальные сети.

4. По степени доступности к ресурсам сети выделяют:

4.1.Сети общего пользования (универсальные) сети – обслу-

живают круг разнообразных пользователей, имеющих доступ в эти сети.

4.2.Корпоративные (частные) сети – сети отдельных компа-

ний, фирм, частных лиц, доступ к ресурсам которых имеет строго ограниченный круг пользователей (сотрудники компаний, фирм и т.п.).

5. По принципу организации передачи данных выделяют:

5.1.Последовательные сети – передача данных выполняется последовательно от одного узла к другому, и каждый узел ретранслирует принятые данные дальше. Подавляющее большинство сетей относятся к этому типу.

5.2.Широковещательные сети – в каждый момент времени передачу может вести только один узел, остальные узлы могут только принимать информацию. К такому типу относятся локальные сети, использующие один общий канал связи (моноканал).

6. По типу среды передачи КС бывают:

6.1.Проводные – каналы связи построены с использованием медных или оптических кабелей.

6.2.Беспроводные – для связи используются беспроводные каналы, например, радио, инфракрасные или лазерные каналы.

КС, состоящая из двух компьютеров, называется вырожденной, из большего числа компьютеров – невырожденной. В последнем случае имеет место классификация КС по топологии, под которой

понимается конфигурация физических связей сетевых узлов (ВМ и других коммуникационных устройств) друг с другом.

7. По виду топологии различают следующие виды КС:

7.1. Сети с полносвязной топологией (рис. 65) – каждый компь-

ютер сети соединён со всеми остальными непосредственно отдельной линией связи. В качестве положительных характеристик такой сети можно выделить максимальную надёжность (при выходе узла или линии связи из строя остальной сегмент сети может по-прежнему

177

функционировать) и высокую скорость доставки данных (при наличии качественных каналов связи). Однако, несмотря на указанные преимущества и логическую простоту, такая топология является громоздкой и экономически неэффективной из-за большого числа коммутационного оборудования. Кроме того, полносвязные сети могут содержать только ограниченное число узлов, поскольку количество коммуникационных портов каждого компьютера ограничено. Такой вид топологии используется в многомашинных комплексах или в сетях с небольшим числом узлов.

В неполносвязных топологиях (будут рассмотрены ниже) для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться транзитная передача данных через промежуточные узлы.

7.2. Ячеистая топология (рис. 66) получается из полносвязной путём удаления некоторых связей. В КС с ячеистой топологией снижаются как недостатки полносвязной топологии, так и ёё преимущества. Такая топология допускает соединение большого числа компьютеров и, как правило, характерна для крупных сетей.

7.3. В сетях с кольцевой топологией (рис. 67) все компьютеры соединены таким образом, что образуется замкнутое кольцо, по которому передаются данные от одного компьютера к другому, причём только в одном направлении. Данные передаются последовательно между компьютерами до тех пор, пока не будут приняты получателем, а затем удалены из сети. Обычно за удаление информации из канала отвечает её отправитель. Поскольку кольцо формирует бесконечный цикл, заглушки не требуются.

Управление работой кольцевой сети может осуществляться централизованно, с помощью специальной станции (сервера), или децентрализовано, за счёт распределения функций управления между всеми абонентами сети.

Последовательность передачи информации осуществляется с помощью маркерного метода доступа. Специальный логический знак (маркер или токен) передаётся по кольцу между станциями, давая

178

возможность передать информацию, если нужно, поскольку право на передачу данных имеет узел, владеющий на данный момент маркером. Это даёт каждому компьютеру в сети равную возможность получить доступ к каналу и передать по нему данные.

Кольцевая топология относительно легка для установки и настройки, требует минимального программного обеспечения. Кроме того, кольцо представляет удобную конфигурацию для организации обратной связи – данные, сделав полный оборот, возвращаются к уз- лу-отправителю, который может контролировать процесс доставки данных адресату.

Одним из существенных недостатков кольцевой сети является выход её из строя при разрыве кольца. Кроме того, в случае необходимости настройки или переконфигурации любой части сети требуется временно отключить всю сеть. Всё это требует принятия специальных мер для поддержания работы кольца [25 – 30].

Типичным представителем сети с кольцевой топологией является сеть TokenRing.

7.4. В сетях со звездообразной топологией (рис. 68) все компью-

теры в сети подключаются непосредственно к общему центральному устройству – концентратору. Концентратором может быть как отдельный компьютер (сетевой сервер с функциями коммутации и управления работой сети), так и специальное устройство, способное передавать информацию с одного компьютера на любой другой или на все компьютеры сразу. В первом случае образуется «звезда» с активным центром, а во втором – «звезда» с пассивным центром.

Все данные, которые передаёт абонентская станция, посылаются на концентратор, который затем пересылает их в направлении получателя (получателей).

Для управления передачей информации используется конкурентная схема «захвата» центрального узла. Если два компьютера посылают сигналы на концентратор в одно и тоже время, то обе посылки окажутся неудачными и каждому из них придётся подождать случайный период времени, чтобы возобновить попытку. Таким образом, реально только один компьютер может производить посылку данных.

Преимущества такой топологии заключаются в том, что в ней проще находить обрывы кабеля и прочие неисправности; достаточно просто осуществить добавление нового компьютера в сеть; используются простые алгоритмы маршрутизации, поскольку все передачи ведутся через центральный узел.

179