Організація мультиплексних каналів послідовної
В даний час все більшого поширення набувають так звані децентралізовані структури обробки інформації, або розподілені системи обробки даних, в яких підвищення продуктивності досягається за рахунок розбиття завдань, що вирішуються системою, на ряд незалежних або слабозавісімих подзадач, вирішення яких покладається на ЕОМ, що вирішуються безпосередньо в місцях сприйняття і вимірювання підлягає обробці інформації. У таких системах стає актуальною проблема організації взаємодії цих функціональних елементів комплексу (включаючи і ЕОМ) в єдиній інтегрованій системі і особливо організація обміну інформацією між елементами.
Організація зв'язків між блоками за принципом «кожен з кожним» на практиці може призвести до того, що для функціонування комплексу потрібна велика кількість кабельних лінії зв'язку. Виникають труднощі з резервуванням «життєво» важливих кабельних ліній внаслідок їх великої маси, особливо на об'єктах-носіях з обмеженими фізичними обсягами. Часто виміряну інформацію доводиться передавати від точок вимірювання через поворотні контактні пристрої (наприклад, від оглядової РЛС), число контактів у яких обмежено по конструктивних міркувань і через недостатню їх надійності. При цьому виникають проблеми з резервуванням контактів.
У зв'язку з цим в даний час набули великого поширення і мають перспективи розвитку послідовні інтерфейси зв'язку ЕОМ і зовнішнього обладнання на основі моноканалу ущільнення каналів повідомлень або, як їх часто називають, мультиплексні канали інформаційного обміну (МКІО). Під мультиплексированием розуміють послідовний спосіб передачі повідомлень по одному і тому ж каналу зв'язку (тимчасове поділ повідомлень) [22].
Вперше принципи організації МКІО з програмно-керованими потоками інформації були здійснені в США для інтеграції бортового електронного устаткування при створенні літаків В-1, F-15, F-16 на початку 70-х років. Успішний досвід реалізації цих інтерфейсів дозволив узагальнити їх у вигляді стандарту MIL-STD-1553, який був прийнятий в 1973 р а потім двічі переглянутий і уточнено (зараз діє стандарт на МКІО MIL-SRD-1553 В).
Організація послідовного інтерфейсу на базі цього стандарту застосовується не тільки в авіації (комп-лекс бортового обладнання літаків і вертольотів), а й у військово-морській справі, в промисловості, авто-мобілестроеніі, при створенні локальних обчислювач-них мереж. Принципи організації цього стандарту при-ються за основу при розробці нових послідовно-них інтерфейсів. При цьому мається на увазі збереженні-ня основних його позитивних якостей (зниження маси сполучних проводів і кабелів; можливість варіювання кількості підключаються функціональних блоків і датчиків; можливість настройки і відпрацьовано-лення окремих функціональних блоків і системи в цілому; можливість підвищення надійності шляхом резер -вірованія лінії; можливість організації иерархичен-ських обчислювальних систем і ін.). Тому розглянемо більш, детально організацію мультиплексного каната в рамках зазначеного стандарту.
Мультиплексна лінія передачі інформації
Мал. 1. Структура системи з МКІО
Загальна структура системи з МКІО. Система з МКІО (рис. 1) включає в себе наступні функціональні елементи:
- мультиплексную лінію передачі інформації (МЛПІ), що забезпечує передачу інформації між функціональними блоками різних призначень;
- кінцеві пристрої (ОУ), що забезпечують соп-ряджені МКІО з функціональними підсистемами, фор-мування необхідних кодів і синхронізацію сообще-ний;
Мультиплексна лінія передачі інформації.
Як лінії передачі інформації використовуються: а - провідні лінії у вигляді скручених екранованих пар провідників (рис. 2) пли коак-сіальних кабелів (рис. 3); б - волоконно-оптичні лінії (рис. 4); в - хвильове лінії. Зазначені лінії передачі мають різні характеристики: пропускною спроможністю, помехоустойчивостью, вартістю. Тип лінії передачі впливає і на потужність, споживану приєднаними системами. Екранова-ванні скорочення пари проводів застосовуються в каналах з пропускною спроможністю до 10 Мбіт / с, а коак-сіальние кабелі - в каналах з пропускною спроможністю до 10 Мбіт / с. Волоконно-оптичні лінії дозволяють досягти надвисокої пропускної здатності каналів, що досягає 10 - 100 Мбіт / с. Хвилеводи забезпечують високу швидкість передачі даних, але вони громіздкі, дороги, малостійкі до механічних впливів і тому застосовуються значно рідше інших типів ліній передачі.
Мал. 2. Система з лінією передачі, виконаної у вигляді екранованої скрученої пари проводів: R - узгоджувальний резистор
Мал. 3.Система з лінією передачі на основі коаксіального кабелю:
R - узгоджувальний резистор
Мал. 4.Система з лінією передачі на основі ВОЛЗ
Пропускна спроможність ліній передачі, як провід-них, так і волоконно-оптичних, зменшується приблизно пропорційно їх довжині, т. Е. Зі збільшенням довжини лінії на порядок приблизно на порядок знижується і пропускна здатність. До кінців провідних ліній передачі даних приєднуються погоджують Резісто-ри, як це показано на рис. 2 і 3.
Відповідно до зазначеного стандарту довжина магістральної лінії встановлюється не більше 100 м, довжина з'єднувачів не більше 6 м. До магістральної лінії мож-но під'єднати не більше 32 шлейфів.
Лінії передачі інформації розрізняються також режимом роботи і підрозділяються на симплекс-ні, дуплексні і напівдуплексні. У симплексних. або односпрямованих, лініях інформація передається толь-ко в одному напрямку. Симплексний режим роботи в послідовних інтерфейсах використовується надзвичайно рідко, так як вимагає великої кількості ліній зв'язку. У дуплексних лініях зв'язку інформація переда-ється в двох напрямках одночасно; в полудуплекс-них - в обох напрямках, але з поділом по ча-мени (поперемінно). При дуплексному режимі роботи для передачі даних і керуючих сигналів викорис-ся, як правило, окремі лінії зв'язку. З точки зору економії ліній зв'язку кращим є-ється напівдуплексний режим.
Мультиплексні лінії передачі інформації по організації управління поділяються на одно- і багаторівневі. У однорівневих лініях пере-дачі все кінцеві пристрої пов'язані один з одним тільки одним каналом. Багаторівневі лінії об'єд-ють групи кінцевих пристроїв по окремих лініях зв'язку. Причому ці групи можуть управлятися незалежно один від одного, кожна по своїй лінії, або система ліній утворює ієрархічну структуру, при якій лінії нижнього рівня підпорядковані по управлінню лініях верхнього рівня.
Для підвищення надійності та відмовостійкості МКІО лінії передачі, а також контролери та кінцеві пристрої можуть бути резервовані (дворазово і навіть чотири рази).
Кінцеві пристрої, що підключаються до мультиплексной лінії передачі інформації. Найбільшого поширення напів-чилі два способи приєднання кінцевих пристроїв до мультиплексной лінії передачі інформації: непо-безпосередніх і трансформаторний. При безпосередній-ном способі підключення (рис. 4.2 і 4.3) забезпечувала-ються висока перешкодозахищеність, простота електричні-ського узгодження пристроїв, але для гальванічної розв'язки між пристроями необхідно застосування елементів з трьома стійкими станами. Чаші застосовується трансформаторний спосіб під'єднання, що забезпечує гальванічну розв'язку, але викликаю-щий необхідність передачі сигналів, які не мають постійної складової. Крім того, в обох способах повинна бути вирішена проблема синхронізації прини-травнем по МЛПІ сигналів. Схеми МЛПІ з транс-форматорним способом підключення кінцевих пристроїв представлені на рис. 5.
Коди, що використовуються для передачі інформації по МЛПІ. Коди, що використовуються для передачі сигналів по МЛПІ, називаються послідовно-них лінійними кодами. До цих кодів пред'яв-ляють вимоги забезпечення високої пропускної здатності, помехозащищенности, простоти синхронізації. Деякі послідовні лінійні коди зображені на рис. 6.
Мал. 5.Схема МКІО з трансформаторних способом підключення кінцевих пристроїв:
а - без резервування; б - з резервуванням; R0 - 75Ом ± 5%; R1 - 56Ом ± 5%
Мал. 6.Некоторие лінійні коди, що використовуються для передачі інформації
а - номер біта інформації; б - логічні значення бітів інформації; в - уніполярний лінійний двійкового коду NRZ; г - синхросигнали; д - біполярний лінійний код без повернення до нуля; е - біполярний лінійний Самосінхронізірующійся двійкового коду з поверненням до нуля; ж - біполярний фазоманіпулірованних Самосінхронізірующійся лінійний код без повернення до нуля - «Манчестер-2»
Схемотехнічних найбільш просто реалізується уніпо-лярні двійковий послідовний код (рис. 6. в) без повернення до нуля (NRZ - Non return to zero), в якому передається значенням логічної 1 відпо-ствует високий рівень напруги, а значенням логи-чеського 0 - рівень напруги, близький до нуля. Одна-ко при його застосуванні необхідний додатковий капав для передачі синхронізуючих сигналів (рис. 6. г), що знижує перешкодозахищеність і зменшує швидкість передачі даних. Перешкодозахищеність цього коду, одна-ко, можна трохи підвищити, якщо передавати значення логічних 1 і 0 різнополярними рівнями напруги (рис. 6, д), а додатковий канал синхронізації прибрати, використовуючи принципи повернення до нуля (рис. 6, е). Але в цих варіантах кодів присутня постійна складова, що обмежує можли-ність застосування зручною трансформаторної зв'язку лінії з кінцевим обладнанням.
Позбавлений зазначених недоліків біполярний фазоманіпулірованних Самосінхронізірующійся лінійний код без повернення до нуля - МАНЧЕСТЕР-2, пред-поданий на рис. 6, ж. Рівень логічної 1 коди-ється в цьому коді негативним перепадом сигналу в середині бітового інтервалу, рівень логічного 0 - позитивним перепадом. Він просто формується. Як випливає з рис. 6, сигнал в коді МАНЧЕСТЕР-2 утворюється шляхом додавання no mod 2 сигналів NRZ і синхронізуючих сигналів (СС), т. Е. Сигнал в коді МАНЧЕСТЕР-2 приймає одиничні значення на тих інтервалах часу, на яких сигнали NRZ і СС мають протилежні значення . Частота передачі логічних значень сигналів в МIL-STD-1553 В при-нята рівній 1 МГц.
Управління процесом обміну інформацією по мультиплексной лінії. Управління процесом передачі повідомлень по муль-тіплексной лінії здійснюється окремим контрол-Лером (в загальному випадку резервованим) або групою контролерів. У другому випадку управління кожним з контролерів виконується для даної мультиплекс-ної лінії лише в певні фіксовані проме-страшні часу. Кожна підключається до мультиплексной лінії підсистема може включати до свого складу блоки, призначені для виконання функцій контролера, а також і кінцеві пристрої (ОУ). У зв'язку з цим в залежності від зовнішньої ситуації управління переда-ється контролера однієї з підсистем, яка на визна-ділений проміжок часу стає активною під-системою, тоді як інші підсистеми, підключені до даної МЛПІ, виконують роль пасивних кінцевих пристроїв.
Передача управління активної підсистемі здійснюва-ляется циклічно або відповідно до заздалегідь призначають-ченнимі пріоритетами. При цьому в разі відсутності необхідної для передачі інформації здійснюється опитування ОУ з метою виявлення серед них того оконеч-ного пристрою, який готовий прийняти на себе управ-ня МЛПІ.
Види повідомлень при організації обміну інформа-цією по МЛПІ. Уніфіковано три види передачі повідомлень:
1) від контролера до кінцевого пристрою;
2) від кінцевого пристрою до контролера,
3) від кінцевого пристрою до кінцевого пристрою.
Повідомлення, передане по МЛПІ, складається при цьому з посилок, що містять три типи слів: командні (К); інформаційні (І) і відповідні (О). Види віз-мужніх повідомлень наведені на рис. 7.
а - контролер ОУ; б - ОУ контролер; в ОУ ОУ; г - команда відповідь; д - контролер ОУ (загальний режим); е - ОУ ОУ (загальний режим);
t1 - пауза між останнім інформаційним і відповідним словом (2 мкс t2 - пауза між командним і відповідним словом (2 мкс t3 - пауза між останнім інформаційним або відповідним і командним словом наступної посилки (t3> 2 мкс); При передачі інформації від контролера до кінцевого пристрою (рис. 7, а) контролер передає спочатку командне слово на прийом інформації. Потім слід визначено-ну кількість (від одного до 32 слів) інформаційних слів. Кінцевий пристрій після прийому інформації передає слова у відповідь, яке приймається контрол-Лером. При передачі інформації від кінцевого пристрою до контролера (рис. 7, б) останній передає командне слово на передачу інформації, прийнявши яке термінал передає слова у відповідь і певну кількість информацион-них слів. Передача, показана на рис. 7, г, використовується в службових цілях, наприклад для виявлення запитів на обслуговування ОУ, контролю стану каналу і ін. А передачі, показані на рис. 7, д, е, носять груповий характер і використовуються для початкової ініціалізації ОУ, діагностування їх стану, розмноження дан-них за кількома ОУ та ін. Надсилаючи звіт про проблеми пауза між останнім інформаційним словом масиву і відповідним словом (t1) повинна знаходитися в інтервалі 2 £ t1 £ 10 мкс, так само як і пауза (t2) між командним і відповідним словом. А пауза між останнім інформаційним або відповідним словом і командним словом наступного повідомлення (t3) повинна бути не менше 2 мкс. Повідомлення від контролера до ОУ передаються без пауз між командним і першим інформаційним словом масиву, а також між інформаційними словами масиву або між відповідним словом передавального ОУ і першим інформаційним словом масиву. Можливе використання і різних комбінацій розглянутих основних видів повідомлень. Формати слів при організації обміну інформацією. Кожне слово, яке передається по лінії, складається з си-ла послівний синхронізації, 16 інформаційних розрядів-дів і розряду контролю на парність (рис. 8), причому перший після синхросигналу розряд слова є старий-шим розрядом (найбільшим за вагою). Мал. 8.Формати слів для організації передачі повідомлень: К - ознака прийом / передача; Р - контроль по парності; а - розряди слова; б - командне слово (К); в - інформаційне слово (І); г - у відповідь слово Код, Розряди 10 - 14 Ознака записи команди в розрядах 15 - 19 командного слова. При інших значеннях розрядів 10 - 14 командного слова в його поле числа інформаційних слів записується число слів в переданому масиві від одного (00001) до 32 (00000) Примітка. Прочерк означає що коди знаходяться в резерві При цьому слід враховувати, що в стандарті MIL-STD-+1553 В з 32 можливих команд керування використовується тільки 15, решта зарезервовані для подальших застосувань. Узагальнена логічна структура кінцевого устрій-ства. Розглянуті принципи організації МЛПІ, види і формати повідомлень, команди і режими роботи визна-ділячи складну (як з логічної, так і зі схемотехні-чеський точок зору) структуру ОУ (рис. 4.9). У загальному випадку в його склад входять: согласователі ТТЛ-рівнів з рівнями сигналів МЛПІ і назад; шифратор, перетворень-зующий послідовний двійковий код в фазоманіпулірованних код МАНЧЕСТЕР-2; дешифратор, виконую-щий функції, зворотні шифратору; регістри-преобразо-Ватель паралельного двійкового коду в послідовний і назад; генератор синхросигналов. Вихідні передаю-щие каскади забезпечують амплітуду сигналу до 15 В при струмі навантаження до 150 мА, причому фронти сигналів складають не більше 100 - 150 нс. У дешифраторі манчестерського коду використовується тактова частота 12 МГц, а в шифраторі - 2 МГц.