1. Введение.

Данное учебно-методическое пособие направлено на углублен-

ное изучение современных способов передачи информации и прак-

тическое ознакомление с аппаратурой реализующей их. В частнос-

ти рассматривается случай организации взаимодействия подсистем

в измерительно-вычислительном комплексе (локальной гомогенной

вычислительной сети), предназначенном для сбора, обработки,

хранения и представления измерительной информации при наблюде-

нии за сложным динамическим обьектом в реальном времени.

При решении задач наблюдения,контроля,оценки состояния и

управления сложными динамическими объектами в реальном времени

к измерительно-вычислительным комплексам предъявляются вполне

определенные требования:

- развитые пространственно-распределенные средства вво-

да-вывода измерительной информации и управляющих либо конт-

рольных сигналов;

- мощные средства обработки данных в темпе их поступления;

- средства для создания информационной копии объекта и

апостериорного анализа этой копии.

При сложном поведении объекта как в пространстве так и во

времени, к сожалению не удается создать устройство-наблюдатель

с фиксированными структурой и функциональными возможностями. В

таких случаях наиболее предпочтительным является путь исполь-

зования средств вычислительной техники.

Известно три варианта решения этой задачи:

- использование единой ЭВМ достаточной мощности;

- использование многопроцессорных систем;

- использование многомашинных систем; не считая комбинаций

названных выше вариантов.

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недос-

татки.

К преимуществам первого следует отнести то, что все ре-

зультаты измерений и вычислений находятся у одного "хозяина",

однако необходимость управления собственными достаточно слож-

ными ресурсами и устройствами ввода/вывода, синхронизации не-

зависимых процессов и установления приоритетов приводит к рез-

кому возрастанию "накладных" расходов вычислительных мощностей

и сложности прикладного и системного математического обеспече-

ния, что сводит на нет преимущества такой системы.

- 2 -

Многопроцессорные системы могут значительно больше, чем

первые, но основные недостатки к сожалению остаются, к тому же

на общие ресурсы, например ОЗУ, ложится дополнительная нагруз-

ка в виде промежуточных данных, необходимых для работы каждого

процессора, в результате разработка операционной системы тако-

го варианта вырастает в самостоятельную задачу сравнимую по

сложности с исходной, а зачастую даже превышающую ее.

От многих недостатков первых двух систем удается уйти в

многомашинных комплексах, в частности:

- возможно построение функционально-ориентированных под-

систем, которые позволяют распараллелить наиболее узкие места:

операции ввода-вывода, вычисление сложных функций и т.п.;

- удается выделить и разработать относительно простые фун-

кциональные узлы операционной системы.

Однако, повляется необходимость обмена данными между под-

системами и необходимость синхронизировать вычислительные про-

цессы в различных подсистемах. Несмотря на это, последний ва-

риант для многих задач является наиболее предпочтительным, а

зачастую и единственно возможным.

Обсуждать преимущества и недостатки различных способов ор-

ганизации взаимодействия подсистем не входит в наши планы, по-

этому назовем основные принципы построения системы:

- модульность;

- расширяемость;

- простота адаптации к различным объектам и задачам;

- возможность работы в реальном времени - динамические ха-

рактеристики ИВК существенно превышают динамику объекта.

2. Архитектура и организация работы ИВК.

2.1 Описание способа организации ИВК.

Эффективным способом организации многомашинной системы об-

работки данных в реальном времени с параллельными вычислитель-

ными процессами и произвольной маршрутизацией данных является

построение ее на базе магистрали открытого доступа (МОД). При

такой организации системы, в отличие от общепринятой, данные

не накапливаются в массивы (пакеты, файлы), которые по готов-

- 3 -

ности передаются от одного процесса другому специальной управ-

ляющей программой, организующей работу системы в целом, а об-

разуют поток, следующий по магистрали, из которого в каждый

процесс попадают необходимые ему данные, причем реализуется

принцип "данные сами ищут свою программу и запускают ее".

Обмен по МОД производится отдельными словами данных в соп-

ровождении адреса.

Пример: Шина данных - 1010101010101010

Шина адреса - 0000000000100000

т.е. в ЭВМ N40 (см. шина адреса - адрес получателя сообщения

передается число 125252 (восьмеричное). Такой режим адресации

используется, например, при загрузке. Возможен вариант, когда

указывается адрес источника.)

На рисунке 1 показана функциональная схема измеритель-

но-вычислительного комплекса (сети), реализующая описываемый

способ. Измерительно-вычислительный комплекс содержит подсис-

темы 2 и блоки сопряжения с общей шиной (МОД) 1, функциональ-

ная схема которых показана на рисунке 2.

Здесь и далее все адреса и значения указаны в восьмеричной

системе счисления.

 ш1

Д ════╦════════════╦══════════════════════════╦══════════

║ ║ ║

А ════║═╦══════════║═╦════════════════════════║═╦════════

║ ║ ║ ║ ║ ║

ЛСИ ────║─║─┬────────║─║─┬──────────────────────║─║─┬──────

┌───║─║─│────────║─║─│──────────────────────║─║─│──────┐

ЛР └──┐║ ║ │┌──────┐║ ║ │┌──── ─ ─ ─ ─ ───────┐║ ║ │┌─────┘

│║ ║ ││ │║ ║ ││ │║ ║ ││

┌┴────┴┴┐ ┌┴────┴┴┐ ┌┴────┴┴┐

│ │ │ │ │ │

│ 1 │ │ 1 │ │ 1 │

│ │ │ │ │ │

└───────┘ └───────┘ └───────┘

║ ║ ║

┌───────┐ ┌───────┐ ┌───────┐

│ │ │ │ │ │

│ 2 │ │ 2 │ │ 2 │

│ │ │ │ │ │

└───────┘ └───────┘ └───────┘

Рис.1

 ш0

.

- 4 -

 ш1

А ═══════════════╦════════════════════════════╦═══════

Д ═════╦═════════║══════════════════╦═════════║═══════

ЛСИ ─────║─────────║────────┬─────────║─────────║──────

ЛР ─────║─────────║──────┐ │ ┌───────║─────────║──────

┌──────┐ ┌─────┐ ┌┴─┴─┴┐ ┌──────┐ ┌──────┐

│РДМ вх│ │РАМвх│ │ САМ │ │РДМвых│ │РАМвых│

└──────┘ └─────┘ └─────┘ └──────┘ └──────┘

║ ╚════════╦════╗ ║ ║

┌──────┐ ┌─────┐ ┌──────┐║ ║ ║

│ │ │ │ │ │║ ║ ║

│БУФ Д │ │БУФ А│══│ ДШ │║ ║ ║

│ │ │ │ │ │║ ║ ║

└──────┘ └─────┘ └──────┘║ ║ ║

║ ║ ║ ║ ║ ║

┌──────┐ ┌─────┐ ║ ║ ┌──────┐ ┌──────┐

│РД вых│ │РАвых│ ║ ║ │ РД вх│ │ РА вх│

└──────┘ └─────┘ ║ ║ └──────┘ └──────┘

║ ║ ┌─────┐ ┌─────┐ ║ ║

║ ║ │РД ДШ│ │РА ДШ│ ║ ║

║ ║ └─────┘ └─────┘ ║ ║

║ ║ ║ ║ ║ ║

║ ║ ║ ║ ║ ║

СК ═════╩═════════╩════╩═══════╩═════╩═════════╩═════

Рис.2

 ш0

А - Шина адреса;

Д - Шина данных;

ЛСИ - Линия синхроимпульса;

ЛР - Линия разрешения;

РДМвх - Регистр данных магистрали входной;

РАМвх - Регистр адреса магистрали входной;

САМ - Схема абонирования магистрали;

РДМвых - Регистр данных магистрали выходной;

РАМвых - Регистр адреса магистрали выходной;

БУФ Д - Буфер данных;

БУФ А - Буфер адреса;

ДШ - Дешифратор адреса;

РДвых - Регистр данных системного канала выходной;

РАвых - Регистр адреса системного канала выходной;

РДвх - Регистр данных системного канала входной;

РАвх - Регистр адреса системного канала входной;

РД ДШ - Регистр данных дешифратора адреса;

РАвх - Регистр адреса дешифратора адреса;

СК _ системный канал ЭВМ.

- 5 -

Данные циркулирующие по МОД, могут иметь в качестве адреса

не только адрес подсистемы источника или потребителя данных,

но и собственное имя данных (магистральный адрес). Внутри под-

системы данные могут быть переименованы, т.е. им могут быть

присвоены внутренние имена т.е. адреса, которые могут нести

информацию о дальнейшей обработке этих данных в подсистеме.

Работает данная система следующим образом: при инициализа-

ции системы либо в процессе работы, например при смене режима

(например - изменить количество измеряемых параметров), "Под-

системы 2" программируют дешифратор своего блока сопряжения с

МОД (КоМОД), для чего в регистр данных дешифратора и регистр

адреса дешифратора записывают внутренние адреса подсистемы и

магистральные адреса сообшений, которые должны приниматься с

МОД.

Например: в регистр РД ДШ записывается число 7, а в ре-

гистр РА ДШ число 40. Тогда при появлении в МОД сообщения с

адресом 40, это сообщение будет записано в буфер данных, а па-

раллельно в буфер адреса будет записано значение (РД ДШ)*2, в

нашем случае - 16 (не забывайте что мы пользуемся восьмеричной

системой счисления). Умножение на 2 введено потому, что адрес

в СК при работе словом может быть только четным и такое реше-

ние позволяет сэкономить на аппаратной части, а умножение осу-

ществляется предельно просто - сдвигом на один разряд влево.

Если в РД ДШ будет записано число 377 (единицы во всех

разрядах), аппаратура воспринимает это как запрет приема сооб-

щения, т.е. в этом случае при появлении в МОД сообщения с ад-

ресом по которому было записано это число, сообщение с МОД не

переписывается, а в регистре РАвых формируется значение 776

(377*2) (т.е. запрограммирован запрет на прием сообщений с

этим адресом).

В случае необходимости передачи сообщения, источник запи-

сывает сообщение (слово) в программно доступный регистр данных

входной и соответствующий этому сообщению адрес в регистр ад-

реса входной. На этом этап передачи для ЭВМ источника заверша-

ется. Сообщение и адрес,по завершении процедуры записи, пере-

писываются в магистральные регистры РДмод вых и РАмод вых -

тем самым блок сопряжения готовится к приему нового сообщения

от ЭВМ данной подсистемы, поскольку перепись происходит в худ-

- 6 -

шем случае за несколько десятых микросекунды блок сопряжения с

МОД "всегда готов" (отпадает необходимость проверки флагов),

далее схема абонирования магистрали дожидается прихода импуль-

са разрешения по линии ЛР (маркера), задерживает импульс раз-

решения, выставляет на шины данных и адреса сообшение и соот-

ветствующий ему адрес, после чего формирует на линии СИ синх-

роимпульс, подтверждающий что данные и адрес на шинах Д и А

достоверны. Все блоки сопряжения (включая и блок источника со-

обшения) принимают синхроимпульс и записывают сообщение и его

адрес в регистры РДмод вх и РАмод вх соответственно, после че-

го блок сопряжения источника ждет некоторое время, затем сни-

мает с линии СИ синхроимпульс и с шин Д и А сообщение и адрес

и формирует на выходном конце линии ЛР импульс разрешения

(маркер (возможность доступа к МОД другому блоку, подсистемы

по линии разрешения замкнуты в кольцо)).

В тоже самое время все блоки сопряжения сравнивают адрес

записанный в РАмод вх с набором адресов разрешенных на прием

записанных ранее в дешифратор адреса и, в случае совпадения,

записывают сообщение в буфер данных блока сопряжения, а в бу-

фер адреса записывают адрес из дешифратора адреса, с которым

это сообщение будет выдано подсистеме (внутренний адрес), ко-

торая по мере необходимости считывает из программно-доступных

регистров данных и адреса блока сопряжения сообщение, а затем

адрес этого сообщения, после чего в эти регистры переписывают-

ся следующие сообщение и адрес из соответствующих буферов бло-

ка сопряжения.

В случае обращения подсистемы к блоку сопряжения за данны-

ми, а записи в буфер с магистрали не было (буфер пуст), блок

сопряжения формирует специальное сообщение (776), которое по-

мещается в регистр адреса РАвых. В этом случае ЭВМ подсистемы

выполняет предписанные ей другие функции либо повторно опраши-

вает регистры блока сопряжения с МОД.

Управление обменом по магистрали показано на рис. 3 и вы-

полняется следующим образом: устройство (ЭВМ устройства), под-

готовив очередное слово данных для передачи записывает его и

соответствующий адрес в выходные регистры контроллера МОД (Ко-

МОД) (РДвх и РАвх на рис.2). КоМОД захватывает сигнал разреше-

ния (схема САМ на рис.2) ЛР, последовательно обегающий все

- 7 -

устройства подключенные к МОД, и выставляет на магистраль дан-

ные с адресом. Закончив передачу, КоМОД возобновляет трансля-

цию разрешения. Выставленное на МОД сообщение доступно однов-

ременно всем подключенным к ней устройствам. Входной канал Ко-

МОДа представляет собой программируемый аппаратный фильтр,

пропускающий в устройство только те сообщения, которые нужны

ему в соответствии с предписанной функцией. Дешифратор магист-

ральных адресов перекодирует их в адреса запуска программ

(внутренние адреса), по которым должны обрабатываться сообще-

ния данного класса. Перекодированные адреса вместе с данными

помещаются в аппаратный буфер (промежуточное ОЗУ), выбирающий

неравномерности входного потока и работы программ, откуда счи-

тываются ЭВМ.

 ш0.8

─────────┐ ┌────────────────────────────────────────

Двх │ │

─────────┴════┴────────────────────────────────────────

┌┐

ЗД(в РДвх МПИ) ││

═══════════┴┴══════════════════════════════════════════

───────────────┐ ┌──────────────────────────────────

Авх │ │

───────────────┴════┴──────────────────────────────────

┌┐

ЗА(в РАвх МПИ) ││

═════════════════┴┴════════════════════════════════════

──────────────────|───┐ ┌────────────────────────────

РДМвых | │ │

──────────────────|───┴═══┴────────────────────────────

──────────────────|───┐ ┌────────────────────────────

РАМвых | │ │

──────────────────────┴═══┴────────────────────────────

┌┐

ЗАД ││

════════════════════════┴┴═════════════════════════════

─────────────────────────|───┐ ┌────────────────

ЗМОД | │ │

─────────────────────────────┴════════┴────────────────

─┐ ┌────┐ ┌────┐ ┌────┐ ┌────┐ ┌─

ЛР │ │ │ │ │ │ │ │ │ │

──┴════┴────┴════┴────┴════┴────┴══════════┴────┴════┴─

────────────────────────────────|───┐ ┌──────────

А | │ │

────────────────────────────────|───┴═══════┴──────────

────────────────────────────────|───┐ ┌──────────

Д | │ │

────────────────────────────────────┴═══════┴──────────

┌───┐

СИ │ │

══════════════════════════════════════┴───┴════════════

Рис.3

 ш0

.

- 8 -

Двх - передаваемые в МОД данные;

Авх - адрес передаваемых в МОД данных;

ЗД - импульс записи данных в РДвх;

ЗА - импульс записи адреса в РАвх;

ЗМОД - запрос передачи по МОД (САМ);

ЗАД - импульс записи адреса и данных в РДМвых и РАМвых.

Такая организация обмена дает следующие преимущества:

- отпадает необходимость в специализированном устройстве,

отслеживающем в процессе работы системы моменты возникновения

сообщений у потенциальных источников, определяющем маршруты их

следования и организующем передачу, что в асинхронной системе

с несколькими источниками, каждый из которых может порождать

сообщения нескольких классов, является нетривиальной задачей,

требующей соответствующих затрат вычислительных ресурсов и

времени. На МОД все маршруты следования сообщений устанавли-

ваются программированием КоМОДов на этапе подготовки к работе

(или при смене режима работы), моменты выдачи сообщениий опре-

деляются в процессе работы самими абонентами, остальное выпол-

няется аппаратно;

- появляется возможность простыми средствами связывать

программные модули размещенные в одной или в разных ЭВМ, орга-

низовывать конвейер, обрабатывать данные несколькими разными

программами и др., при этом отпадают практически все проблемы

взаимной синхронизации процессов в системе. Независимость

программных модулей, особенно работающих в разных ЭВМ, являет-

ся одним из наиболее существенных преимуществ как в плане раз-

работки математического обеспечения, так и в плане затрат ре-

сурсов на организацию работы системы;

- так как обмен производится единичными сообщениями, выс-

тавляемыми на МОД в момент их появления (аппаратные задержки

пренебрежимо малы), время задержки сообщений в системе опреде-

ляется только алгоритмом их обработки и неравномерностью сле-

дования.

- устройства высвобождаются от функций, связанных с форми-

рованием пакетов, отслеживанием флагов их готовности к переда-

че, обработкой прерываний по концу передачи и т.п., что позво-

- 9 -

ляет более эффективно использовать их ресурсы на выполнение

основных функций;

- текущее время вводится в поток следующих по магистрали

сообщений на правах измеряемого параметра. Порядок следования

сообщений на магистрали и в буферах КоМОДов не нарушается, так

что никаких специальных мер для относительной и абсолютной

привязки параметров во времени в общем случае не требуется.

Решение задач диагностики и управления в системе реального

времени на базе МОД также моговариантно, легко реализуется

программно и основано на общедоступности всех сообщений, сле-

дующих по магистрали. Устройство, выполняющее эти функции, мо-

жет следить за работой других устройств, выборочно принимая с

МОД либо "штатные" информационные и иные сообщения, либо спе-

циальные диагностические сообщения, выдаваемые устройствами

периодически или по специальным командам, например см. п.4.2;

возможна организация квитирования команд и информационных со-

общений и др. в соответствии с конкретными требованиями к сис-

теме. Единственным и естественным ограничением является нали-

чие достаточных ресурсов памяти и быстродействия, причем не в

отдельном устройстве управления, а в системе вцелом, так как

ЭВМ системы образуют однородную вычислительную среду, в кото-

рой любая задача поддается декомпозиции при мизерных системных

затратах.

В адресном пространстве ЭВМ регистры КоМОДа имеют значение:

- регистр данных входной (по записи на СК) - 175000;

- регистр адреса входной (по записи на СК) - 175002;

- регистр данных выходной (по чтению на СК) - 175000;

- регистр адреса выходной (по чтению на СК) - 175002;

- регистр данных дешифратора - 175004;

- регистр адреса дешифратора - 175006.

Выбор адресов определен свободной зоной адресного прост-

ранства.

.

- 10 -