Модульные интерфейсы сбора, обработки информации и управления

Введение

В глубокой древности люди придумали первую модульную систему - кирпичную кладку. Стандартные размеры кирпичей позволяли плотно присоединять их друг к другу в различных комбинациях, создавая стены, карнизы и даже перекрытия. В XVIII веке литовские мастера использовали всего с десяток разновидностей кирпичей, чтобы построить в Вильнюсе костел св. Анны, о котором Наполеон сказал, что если бы он мог поставить зто чудо изящества себе на ладонь, то перенес бы костел в Париж! В машинной технике модульные структуры воплотились сначала в железных дорогах. В более сложных модулях XIX века - вагонах и паровозах - пришлось стандартизировать несколько разнородных характеристик: габариты модулей, ширину рельсовой колеи, стрелки, размеры сцепок, а в дальнейшем - воздушные и электрические межвагонные соединители. Стандартизация, не препятствуя постройке модулей самого разнообразного назначения, позволяет удобно компоновать комплексные поезда, бегущие по магистралям железнодорожной сети. Железная дорога явилась первой открытой (расширяемой) магистрально-модульной системой.

Вскоре проявились и неприятные черты модульной системы, прежде всего живучесть стандарта, если даже он устарел. Когда в 1825 году английский парламент не позволил Джорджу Стефенсону сделать железнодорожную колею шире колеи конных дилижансов, никто не предвидел, что через 150 лет современные рослые люди будут корчиться на коротких полках в купе комфортабельных вагонов. Хорошо бы сегодня сделать вагоны хотя бы на полметра шире, но такие вагоны не пройдут через давно существующие мосты и туннели. Даже небольшое различие в стандартах вызывает крупные потери: когда строили железную дорогу Санкт-Петербург - Москва, выбрали ширину колеи ровно 5 футов или 1520 мм - всего на 85 мм шире европейской колеи, и вот уже более 100 лет при переезде в Западную Европу и обратно приходится менять колесные тележки, поднимая вагоны на домкратах. Изменить устоявшиеся стандарты модулей практически невозможно, они будут жить вечно вместе со своими недостатками. Казалось бы, понимание этого обстоятельства должно было побудить новаторов-разработчиков модульных систем вдумчиво смотреть в будущее, однако и в нашем веке конструкторам не хватает фантазии, чтобы в полной мере провидеть будущую жизнь своих модульных созданий.
В начале XX века модульные формы оказались удобными для электротехнических устройств. В 1922 году инженеры компании Bell Systems для размещения реле и других деталей телефонных станций сконструировали ящики с передней панелью шириной 19 дюймов (482,6 мм), которая оказалась наиболее подходящей для решения их конкретной задачи. Высоту панели можно было наращивать с шагом 1 3/4 дюйма (44,45 мм, или в точности русский вершок!). Через отверстия по сторонам передней панели блоки-модули винтами прикрепляли к двум вертикальным брускам. Такая стойка оказалась очень удобной и для компоновки разнообразной электронной аппаратуры - сначала ламповой, а затем и транзисторной. Габаритные и присоединительные размеры блоков в начале 40-х годов стали международным стандартом де-факто, но лишь в 1969 году были официально закреплены в публикации # 297 Международной электротехнической комиссии. Нужно сказать, что МЭК, признавая только метрическую систему мер, с неодобрением относился к стандартизации размеров с дробными частями миллиметра, этим была обусловлена тридцатилетняя задержка решения. Победила все же международная экономика.
Принятие этого стандарта в СССР не обошлось без казуса. Учитывая, что 19-дюймовые блоки уже в 40-х годах применялись во всем мире, предлагалось принять в качестве ГОСТа распространившийся стандарт де-факто, но российские чиновники-стандартизаторы упорно возражали на том основании, что блоки имеют дюймовые размеры, а в СССР принята метрическая система мер. Не понимали чиновники, что выражение "дюймовые размеры" абсурдно, ибо физические размеры существуют независимо от единиц измерения и могут быть выражены в любых мерах - дюймах, миллиметрах или, хотя бы, в вершках. Во Франции и Германии размеры исчислили в миллиметрах, и производства не испытывали затруднений, выпуская аппаратуру в международном стандарте.
В СССР дело тянулось до 1977 года, когда возник международный скандал. Госстандарт пытался заставить страны СЭВ принять для создаваемых миниЭВМ систему размеров с шагом 20 мм. Страны СЭВ, учитывая требования западного рынка, не пошли на подрыв своей экономики и коллективно потребовали от Правительства СССР принять международный стандарт МЭК297(1969) на конструктивы блоков мини-ЭВМ. Пришлось принять стандарт СЭВ-834-77, соответствующий международному МЭК-297. Промедление привело к отставанию приборостроения СССР от мирового уровня, следствием явились задержки в научных исследованиях и ухудшение технологического контроля на производствах.

1. Описание шины КОП \ IEEE 488 \ GPIB

1.1 Описание шины КОП \ IEEE 488 \ GPIB.

Шина IEEE-488 и соответствующий протокол широко используются в программно-аппаратных комплексах для соединения персональных компьютеров и рабочих станций с измерительными инструментами (в частности, в системах сбора данных). Разработанный в 60-х годах в Hewlett-Packard, протокол изначально назывался HPIB (Hewlett-Packard Interace Bus, интерфейсная шина Hewlett-Packard).Впоследствии другие компании подхватили инициативу и начали использовать протокол для своих внутренних целей. Протокол был стандартизован американским Институтом инженеров электротехнической и электронной промышленности (IEEE) и переименован в IEEE-488 (по номеру стандарта) или GPIB (General Purpose Interface Bus, интерфейсная шина общего назначения) в середине 70-х годов. Аналогичный российский стандарт называется Канал Общего Пользования (КОП).
По мере проникновения принятого стандарта протокола в промышленность выяснилось, что конкретный порядок передачи команд по шине был недостаточно хорошо определен.

Стандарт был пересмотрен и дополнен в 1987 году (добавлено описание протокола передачи). Новый стандарт содержит две части: IEEE-488.1, описывающую аппаратную часть и низкоуровненое взаимодействие с шиной, и IEEE-488.2, определяющую порядок передачи команд по шине. Стандарт IEEE-488.2 был еще раз пересмотрен в 1992 году.
Шина IEEE-488 - это надежный и эффективный канал передачи данных. Простота использования, непрекращающееся развитие аппаратной поддержки GPIB, разработка новых интерфейсных карточек и GPIB-совместимых инструментов ведут к неуклонному росту числа пользователей шины, несмотря на мощную конкуренцию со стороны архитектур VMEbus и FiberChannel. В последние несколько лет индустрия GPIB эволюционирует в направлении минимизации затрат на изготовление при сохранении базисной функциональности шины. Это достигается путем использования недорогих микроконтроллеров для реализации устройств типа "говорящий" и "слушатель".
Поскольку шина IEEE-488 хорошо стандартизована и протестирована, большинство производителей автоматизированных измерительных систем и инструментов встраивают в свои изделия интерфейсы GPIB в качестве основного канала передачи данных.

1.2 Высокоскоростной протокол HS-488.

Так называемый высокоскоростной протокол GPIB (HS-488), предложенный фирмой National Instruments в 1996 году, позволяет увеличить пропускную способность шины до 8 мбайт/сек, используя стандартные кабели и аппаратную базу. HS-488 улучшает производительность шины путем устранения задержек, связанных с необходимостью дожидаться подтверждения в трехсигнальной схеме IEEE-488.1 (DAV/NRFD/NDAC), где максимальная пропускная способность не превышает 1,5 мбайт/сек. Не вдаваясь в подробности, отметим только, что за одну операцию "talker" посылает столько байт данных, сколько "listener" в состоянии принять, исходя из наличия свободных буферов.
Протокол HS-488 полностью совместим с существующими системами, основанными на IEEE-488.1, поэтому устройства обоих типов могут сосуществовать на одной шине. "Talker" инициирует передачу данных по протоколу HS-488 только в том случае, если "listener" в состоянии принять эти данные. Команды GPIB всегда передаются с использованием классического протокола IEEE-488.1.

2. Интерфейсы системы КАМАК

В 60-х годах развитие вычислительной техники привело к необходимости стандартизировать не только размеры модулей, но и каналы связи между ними. Это было сделано к 1969 году, когда опубликовали европейский стандарт EUR-6100 на модульную систему КАМАК, разработанную ядерными электронщиками ведущих европейских институтов для оснащения сложных экспериментов, например, на ускорителях атомных частиц. Одно из прочтений слова САМАС - Computer Applications for Measurements And Control - применение компьютеров для измерений и управления.
Система САМАС (КАМАК) разработана и предложена комитетом ESONE, подготовившим подробные спецификации и выпустившим стандарты, которые приняты также основными международными и отечественными организациями но стандартизации (табл).

Основными особенностями системы являются: модульный принцип построения; конструктивная однородность, обеспечиваемая использованием унифицированных конструкции, включая крейт для размещения функциональных модулей; магистральная структура информационных связей междуфутштопальными блоками; программное управление.
В системе нормализованы конструктивы, электрические сигнала и логика, терминология. Стандарт на электрические сигналы определяет напряжение питания, уровни логических сигналов и допустимые нагрузки на входе и выходе сменного блока. Логический стандарт нормализует функции сигналов, их временные зависимости и расположение на соединителях.
Kpeйт является основным конструктивом системы и имеет следующие размеры (в мм): ширину внешнюю - 477, внутреннюю - 430; высоту, внешнюю - 221,5, внутреннею - 200; глубину минимальную - 360, рекомендуемую - Е 25. Он содержит не более 25 станций с шагом 17,2 M.V для установки сменных блоков. На каждой станции имеются верхняя нижняя направляющие для соответствующих полозьев сменного блока, розетка 86-контактного соединителя, отверстие с резьбой для фиксирующего винта сменного блока.
Функциональные блоки (модули) выполняются сменными и устанавливаются в крейте. Каждый сменный блок занимает одну (1 М) или несколько станций (позиций). Станция обеспечивает его прямое подключение к магистрали крейта. Сменный блок состоит из следующих основных частей: задней и передней панели с фиксирующим винтом; стяжек, верхнего и нижнего полозьев; вилки 86-контактного соединителя, составляющей обычно часть печатной платы или устанавливаемой на задней панели.
Для сменных блоков, занимающих более одной станции в крейте, допускается использование более одного набора полозьев и более одной вилки. Контакты вилки расположены с нагом 2,54 мм с двух сторон печатной платы (по 43 контакта с каждой стороны).

2.1 Интерфейс магистрали крейта.

Стандарт распространяется па модульную стационарную аппаратуру системы КАМАК и устанавливает требования к конструкции, электрическим сигналам, питанию и логике обмена информацией, которые обеспечивают совместимость блоков с крейтом и между собой. Стандарт полностью соответствует публикации МЭК 516, за исключением требований, относящихся к применению блоков.

2.2 Интерфейс магистрали ветви.

Интерфейс предназначен для организации многокрейтовых систем на основе машиннонезависимой MB с применением бит-параллельного асинхронного способа обмена информацией.
Стандарт ГОСТ 26.201 I-84 устанавливает требования к составу и структуре интерфейс,-! электрическим сигналам и логике обмена информацией, который обеспечивают совместимость крейтов КАМАК, содержащих сменные функциональные блоки и контроллер, с одним устройством управления MB (далее ДВ) и между собой, а также основные требования к унифицированному ВКК, обеспечивающему совместимость крейта с MB.
Стандарт соответствует публикации МЭК 522.
Аппаратная часть интерфейса включает ВКК. Для MB; ДВ; устройства согласования (УС). Число ВКК, подключаемых к магистраль-кому каналу и доступных при обмене информацией ДВ, не более 7. Обмен информацией осуществляется последовательной передачей бит-параллельных слов с разрядностью слова не более 24 бит по двунаправленной шине данных MB.
Подключение ВКК и ДВ к магистральному каналу производится через 132-контактный соединитель (с установленным назначением каждого контакта), обеспечивающий подсоединение 65 сигнальных линий 65 соответствующих им обратных линий и двух линий экрана кабеля
В ВКК предусмотрено два режима работы: системный и автономный. В автономном режиме ВКК, оставаясь физически подключенным к магистральному каналу, не участвует в операциях ветви и не оказывает влияния на их прохождение. ДВ должен иметь средства для идентификации контроллеров, находящихся в системном режиме.
На MB выполняются два вида операций: командные и обработки требований. Во время командных операций ДВ генерирует команду, содержащую в общем случае: адресную информацию для выбора" одного или нескольких ВКК, данные и информацию о функции, подлежащей исполнению. Каждый адресованный ВКК осуществляет прием команды с MB и генерирует соответствующую операцию на МК по ГОСТ 27080-86. При исполнении команды чтения адресованный модуль устанавливает на тине <Чтение> МК данные, которые ретранслируются ВКК на тину данных MB и принимаются ДВ. При исполнении команды записи ДВ генерирует на шину данных MB данные, которые ретранслируются ВКК на шину <Запись> МК и принимаются адресованным модулем. Во время других командных операций передача данных по магистральному каналу не производится.
Операция обработки требований выполняется для обслуживания ДВ запросов от модулей крейтов по L-сигналам и может быть двух видов: без идентификации и с идентификацией источников запросов. Операция обработки требований без идентификации источников запросов заключается в фиксации ДВ сигнала <Запрос ветви>, образованного КК путем объединения L-сигналов от модулей.

Операция обработки требований с идентификацией источников запросов инициируется ДВ (как правило, в ответ на получение им сигнала <Запрос ветви>) установкой на MB сигнала <Сортировка запросов>, который адресован ко всем КК, находящимся в системном режиме работы. При получении этого сигнала каждый ВКК должен сформировать из своих L-сигналов 24-разрядное слово запросов. Слова запросов от всех КК объединяются на тине данных MB и передаются в ДВ для идентификации 24 различных запросов от модулей.
Процесс передачи информации для всех видов операций на MB осуществляется по принципу <запрос - ответ> с использованием специальных синхронизирующих сигналов, обеспечивающих автоматическое управление операцией с учетом реальных временных задержек в работе устройств системы.
Запуск системы осуществлялся по единственному сигналу общего управления, поступающему на МК через соединитель MB.

2.3 Интерфейс последовательной магистрали.

Интерфейс предназначен для организации многокрейтовых пространственно-распределенных систем, в которых используется побайтно-последовательный или поразрядно-последовательный синхронный способ обмена информацией по однонаправленной замкнутой линии передачи.
В стандарте на интерфейс установлены требования к структуре интерфейса, логике обмена информацией, форматам сообщений и электрическим сигналам, обеспечивающим совместимость крейта КАМАК, содержащих ПКК, с ДПМ и между собой. В стандарте установлены требования к унифицированному ПКК типа L2, обеспечивающему совместимость с ПМ и взаимозаменяемость ПКК.

2.4 Интерфейс многоконтроллерного крейта.

Интерфейс многоконтроллерного крейта (ГОСТ 27079-8G) предназначен для построения однокрейтовых систем распределенного управления на базе технических средств КАМАК. Интерфейс обеспечивает согласование операций основною контроллера крейта (ОКК) с операциями одного или нескольких ДКК. каждый из которых размещен в одной или более нормальных станциях.
Любой ДКК имеет средства доступа к линиям N и L для управления операциями МК, а также возможности участия в арбитраже захвата управления МК. Доступ к N и L обеспечивается через МДКК, ОКК и управляющую станцию, для чего каждый КК имеет на задней панели соединитель для подключения МДКК.

2.5 Интерфейсы магистрально-модульных мультипроцессорных систем.

Современные и перспективные магистрально-модульные мульти-процессорные системы (ММС) и ВС и СОД базируются на интер-фейсах, которые по архитектуре и функциональным возможностям значительно отличаются от системных интерфейсов ЭВМ типа <Об-щая шина> (первое поколение) и поэтому часто называются интер-фейсами второго поколения или интерфейсными системами.
Интерфейс в системах рассматривается как способ организации средств передачи информации между отдельными подсистемами, рег-ламентирующий дисциплину работы и эффективность функциониро-вания системы в целом.
Интерфейсы, как правило, содержат несколько магистралей, часть которых обеспечивает высокое быстродействие при взаимодействии модулей внутри блоков, а другая часть - обмен информацией между блоками. При этом основная магистраль ориентирована на объедине-ние внутри блока в единый комплекс нескольких модулей процессо-ров, модулей оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), контроллеров внешнего запоминающего устройства (ВЗУ) и др.

3. Интерфейсы магистрально-модульных мультипроцессорных систем

3.1 Интерфейсы магистрально-модульных мультипроцессорных систем.

Общая архитектура ММС на базе интерфейсной системы содер-жит см рис. несколько сегментов, каждый из которых включает одну или несколько машин, имеющих в своем составе одноплатную.

микроЭВМ и платы, расширяющие ее возможности н подсоединяе-мые посредством локальной магистрали (ЛМ). Несколько машин, входящих в состав одного сегмента, связываются между собой по системной магистрали (СМ), выполненной в виде объединительной печатной платы. Отдельные сегменты соединяются друг с другом последовательной магистралью (ПМ) или через сегментатор (СГМ). Система состоит из набора модулей, каждый из которых, как правило, является абонентом СМ, а некоторые могут выходить на ПМ. Модули памяти могут быть абонентами ЛМ или СМ. Двухпор-товые модули памяти являются абонентами и ЛМ, и СМ.

Каждый сегмент имеет некоторые общесистемные средства (ге-нератор тактовых синхроимпульсов, аппаратуру арбитража и преры-вания, диагностические средства и т. п.), которые могут находиться в отдельных модулях либо рассредотачиваться по различным моду-лям.
Основной магистралью ММС, реализующей мультипроцессорную работу и объединяющей большинство модулей сегмента, является СМ. Самой быстродействующей магистралью, используемой обычно для расширения памяти процессоров, является ЛМ. Как правило, ЛМ имеет уменьшенное адресное пространство, меньшую нагрузочную способность по сравнению с СМ и может обслуживать один или два задатчика. Работа этих магистралей основывается на принципе <задатчик-исполнитель>. Несколько задатчиков используют магистрали с разделением времени в соответствии с заданным алгоритмом ар-битража.
В табл. приведен состав магистралей новых зарубежных ин-терфейсов ММС, наиболее существенных для отечественных ММС аналогичного назначения.

В со-ставе Futurebus (P-896) регламентируются две магистрали: парал-лельная (Р) и последовательная (S). Магистраль ввода-вывода (ВВ) и ЛМ считаются входящими в систему пользователя и ограничения на них не накладываются.
В составе Fastbus (Фастбас) имеются СМ и кабельная магист-раль, образующие сегмент. В системе предусматривается использова-ние главной ЭВМ, которая через интерфейс процессора связывается с интерфейсами сегмента, соединяющими сегменты между собой с по-мощью кабеля. На каждом сегменте может быть несколько задатчи-ков или исполнителей.
Главным ограничением при построении ВС и СОД любой кон-фигурации является максимально допустимая протяженность маги-страли при заданной пропускной способности. Максимальная длина СМ обычно равна 50 см (число объединяемых модулей до 20), дли-на ЛМ-8... 12 см (число объединяемых модулей до 6), длина ПМ (кабельная линия с последовательной передачей данных) - до 10 м.

3.2Интерфейсы магистрально-модульных мультипроцессорных систем.

Интерфейсы ММС и СОД характеризуются рядом особенностей, отличающих их от интерфейсов ЭВМ и СОД первого поколения:
локализация потоков информации, обусловленная главным обра-зом специализацией отдельных машин или процессоров на отдельные виды работы (в этих условиях они информационно слабо связаны друг с другом, что позволяет эффективно локализовать потоки ин-формации и соответственно оптимизировать пропускные способности отдельных шин); уменьшение избыточности потока адресной информации за счет оптимизации местных шин для передачи команд и использования не-мультиплексированных шин адреса и данных, а также системных шин в качестве коммуникационных путей с преимущественно пакет-ным способом передачи по мультиплексируемым шинам адреса и дан-ных;
независимость магистрали от типа используемых микропроцес-соров (МП) и процессоров, позволяющая наращивать производи-тельность систем путем добавления в последующем модулей на но-вых поколениях МП;
способы адресации и адресные пространства (географический и логический способы, несколько адресных пространств и два вида доступа - индивидуальный и широковещательный);
механизм передачи межпроцессорных сообщений, обеспечиваю-щий быстродействующую аппаратную передачу блоков информации из одного процессора в другой.

3.3 Принципы управления магистралями.

Для реализации основных управляющих функций в современных интерфейсах, как правило, используется децентрализованное управ-ление, хотя в некоторых из рассматриваемых магистралей содержатся отдельные элементы централизованного управления (арбитраж, уп-равление инициализацией и прерываниями). В И-41 и MBI, напри-мер, все функции управления распределены между модулями и на магистрали отсутствует специальный централизованный модуль уп-равления. В MBII функции арбитража и управления прерываниями распределены между модулями, а функции инициализации и специа-лизированного управления выполняются центральным обслуживаю-щим модулем. В VME функции арбитража и управления прерыва-нием выполняет системный контроллер.
Наиболее общими характеристиками рассматриваемых интерфей-сов ММС являются: принципы управления (синхронный или асинхрон-ный протокол, централизованное или децентрализованное управле-ние); режимы передачи данных (одиночный, блочный, широковещательный); типы адресации (логическая, географическая, групповая, расширенная, псевдоадресация); степень и возможности мультипро-цессорное (одно-, двухпроцессорные, мультипроцессорные и сущест-венно мультипроцессорные системы); механизм передачи межпро-цессорных сообщений; разрядность н мультиплексирование адреса и данных (раздельные и совмещенные шины адреса и данных); на-личие аппаратного контроля на магистрали; конструктивное особен-ности (возможности использования печатных плат нескольких раз-меров, размеры плат и каркасов, конструкции объединительной пла-ты или кабеля и т. д.); степень проработки параметров системы, обеспечивающих более высокие по сравнению с ЭВМ эксплуатационные характеристики, простоту воспроизведения и совместимость изделий различных изготовителей; степень анонсирования отдельных эле-ментов промышленностью (несущих конструкций, соединителей, гото-вых модулей, а также специальных интерфейсных БИС).
При работе магистрали используются два основных типа прото-кола: синхронный и асинхронный. При синхронном протоколе (СП) все сигналы устанавливаются и проверяются относительно тактового синхроимпульса, а при асинхронном протоколе (АП) - в произволь-ное время. В большинстве современных интерфейсов применяется АП, и только в некоторых - СП. Последний обладает большей помехо-защищенностью, так как проверка управляющих сигналов произво-дится на фронте синхроимпульса, т. е. во <временном окне>, которое обычно составляет около 8 % общего времени работы. В остальное время- возможные помехи не оказывают влияния, тогда как при АП модули могут сработать от помехи почти в произвольный момент вре-мени. Кроме того, СП увеличивает надежность В связи с отсутствием на магистрали метапроцессов (в АП должна быть предусмотрена за-щита от метастабильных состояний, особенно при высокой частоте работы на магистрали); более прост в реализации, отладке и тестиро-вании (может быть использован логический анализатор). Однако СП менее гибок по сравнению с АП при использовании на магистрали модулей с различными скоростями работы. Недостатком СП является также наличие централизованного генератора тактовых синхросигна-лов.
Реализация блочного и широковещательного режимов передачи данных повышает быстродействие и расширяет функциональные воз-можности магистрали.
Мультиплексирование шин адреса и данных позволяет сущест-венно уменьшить число драйверов магистрали, сократить число кон-тактов соединителей модулей и линий на объединительной плате. Использование раздельных шин адреса и данных обеспечивает вы-сокую пропускную способность магистрали, особенно в режиме пе-рекрытия, когда во время текущего цикла передачи данных устанав-ливается адрес следующего цикла передачи.
Введение сигналов четности адреса и данных повышает надеж-ность работы информационного канала магистрали, но увеличивает затраты оборудования на формирование и проверку четности в мо-дулях. Передача сигналов управления в виде информационного кода с применением СП позволяет контролировать по четности и управля-ющие сигналы.
Использование географической адресации (наряду с логической) дает возможность программно настраивать режимы и диапазоны ад-ресов модулей, изменять конфигурацию системы и реконфигурировать ее при отказах.
Для реализации мультипроцессорной работы наряду с механиз-мом прерывания с последующим опросом источника прерывания или общей памяти в современных интерфейсах широко используется ме-ханизм передачи сообщений. Этот механизм позволяет передавать информацию из локальной памяти одного процессора в локальную память другого аппаратно с высокой скоростью (без программной взаимосинхронизации). При этом протокол передачи сообщений на-ряду с другими интерфейсными протоколами реализуется в интер-фейсных БИС.

Управляющие сигналы, как правило, передаются по магистрали в инверсном коде. Действующее значение сигнала имеет уровень лог. О (низкий уровень) транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), при отсутствии сигнала линия имеет уровень лог. 1  (высокий уровень).. Это позволяет объединять сигналы от разных модулей проводным . ИЛИ. При этом нарушение контактов соединителей или обрывы ли-ний (они более вероятны, чем ложное замыкание) приводят к отсут-ствию сигнала, а не к возникновению нескольких ложных, что мень-ше влияет на работоспособность системы н облегчает поиск неисправ-ности.

3.4 Стандартизация интерфейсов ММС.

Интерфейсы ММС стандартизируются на национальном и меж-дународном уровнях. Среди многих проектов можно выделить основ-ные, ставшие стандартами де-факто, которые в модернизируемом ви-де (по рекомендациям рабочих групп IEEE и IEC) или в полном со-ответствии с проектами, представленными рабочими группами или фирмами, рассматриваются как международные стандарты.
Стандарт IEC BUSI базируется на стандарте IEEE P-796 (вари-ант системной магистрали интерфейса MBI) и специфицирует: прото-кол, физическую реализацию в соответствии с Р-796, физическую ре-ализацию на основе Европлат с высотой 233,4 мм и 100 мм, глу-биной 160 мм, с разъемом по МЭК 603-2. По сравнению с Р-796 число линий адреса увеличено до 24 и оговорены функции второго разъема.
Проект стандарта VME-bus (проект Р-1014, стандарт IEC 821) разработан на основе 16-разрядного варианта IEEE Р-961 путем до-бавления второго разъема. Интерфейс в основном ориентируется на 16-разрядпые ММС, использующие МП типа МС 680ХХ. Интер-фейс обычно применяется как процессорная шина в ММС, в платах процессоров которых не используется локальная двухвходовая па-мять. Однако в проекте VME не разрешены задачи по обеспечению совместимости модулей 16- и 32-разрядных ММС, а также конфигу-раций ММС с различными разрядностями адреса и вариантами ис-полнения.
Проект стандарта МВП разработан фирмой Intel. В 1983г. фирма распространила его среди изготовителей ММС для содействия и проверке и завершения стандарта. Комитет по МВП института ]ЕЕЕ в проекте Р-1296 на параллельную системную магистраль в 1986 г. уточнил основные положения спецификации, в том числе по использованию двойных Европлат (6U), терминологии и других шин, не рассмотренных в проекте PSB системы МВП, с целью более широкого его распространения среди пользователей, которые заинте-ресованы в процессорно-независимом стандартном интерфейсе для 32-разрядных ММС, ориентированных на промышленные применения в реальном масштабе времени.
Организации по стандартизации интерфейсов СЭВ (секция 2) и СССР в качестве основных стандартов ММС рассматривают сле-дующие: И-41, аналогичный проекту IEC BUSI; И-42, аналогичный проекту Р-1296; интерфейс, аналогичный проекту IEC 821.

3.5 Интерфейс И-41.

Интерфейс И-41 (ОСТ 25969-83) является аналогом IEC BUSI и предназначен для построения сосредоточенных многопроцессор-ных модульных систем обработки данных, микропроцессорных комп-лексов, микроЭВМ, ПЭВМ. Он обеспечивает программный обмен данными одного или нескольких процессоров с памятью и с конт-роллерами ввода-вывода, прямой доступ к памяти (ПДП) н генера-цию прерываний. Интерфейс использует два независимых адресных пространства (памяти и ввода-вывода) и обеспечивает прямую адре-сацию до 16 Мбайт памяти с использованием 24-разрядного адреса, а также до 64 Кбайт портов ввода-вывода (ПВВ) с использованием 16-разрядного адреса. В циклах обращения к памяти и в циклах ввода-вывода возможны 8- и 16-разрядные передачи данных. Задатчики с байтовой организацией используют 16 адресных линий для адресации памяти и 8 - для выборки ПВВ, адресуя 64 Кбайта па-мяти и 256 ПВВ. Интерфейс применяется в микроЭВМ СМ1800, СМ1810, ПЭВМ <Искра 1030>, <Нейрон И9.66> и др.

3.5 Интерфейсные системы Multibus I и Multibus II.

Интерфейсные системы Multibus фирмы Intel с архитектурой Multibus I (MBI) и Multibus II (МВП) предназначены для построе-ния ММС, в основном использующих МП типов 8080, 8085, 8086, 80286, 80386 (отечественные МП КР580ВМ80, KM182IBM85, KP18IOBM86),
Архитектура MBI содержит пять магистралей: две параллельные Multibus и LBX, многоканального ввода-вывода Multichannel, локаль-ного ввода-вывода SBX и последовательную Bitbus.
Системная магистраль Multibus (IEEE P-796) - одна из наиболее распространенных в мире. Магистраль использует асинхронный про-токол со скоростью до 5 Мслов/с (8- или 16-разрядных) в 24-разряд-ном адресном пространстве и обеспечивает мультипроцессорную ра-боту.
Локальная магистраль LBX является расширением внутренней магистрали МП модулей и используется для подключения к ним до-полнительных модулей памяти. Скорость передач на локальной ма-гистрали выше, чем на системной, так как нет потерь времени на ар-битраж. Скорость 8-разрядных передач-до 9,5 Мбайт/с, 16-разряд-ных-до 19 Мбайт/с.
Магистраль Multichannel освобождает СМ от операций ВВ, по-вышая производительность системы. К магистрали может подклю-чаться до 16 устройств. Она может использоваться также для свя-зи микросистем между собой на расстояние до 15 м. По магистрали могут передаваться 8- или 16-разрядные данные со скоростью до 8 Мбайт/с.
Магистраль SBX (IEEE P-959) позволяет наращивать одноплат-ные ЭВМ дополнительными <накладными> платами, расширяющими возможности машин в отношении аппаратной арифметики, параллельного и последовательного ВВ, графики и т. д. без существенных дополнительных затрат. Она позволяет подстраивать структуру ЭВМ под конкретную задачу пользователя. Скорость передач - до 10 Мбайт/с.
Последовательная магистраль Bitbus обеспечивает распределен-ное подключение до 250 устройств обработки данных ВВ и програм-мируемых периферийных контроллеров к различной среде передач длиной до 30 м (для синхронного режима при скорости 2,4 Мбит/с) is до 1200 м (для режима с самосинхронизацией при скорости 62,5 Кбит/с).
Интерфейс МВП (IEEE P-1296) разработан для высокопроизво-дительных мультипроцессорных систем. Архитектура МВП содержит шесть независимых магистралей: две параллельные, PSB и LBXII, последовательную системную SSB и три магистрали, заимствованные из архитектуры MBI: многоканального ввода-вывода Multichannel, локального ввода-вывода SBX и последовательную Bitbus. Структу-ра каждой магистрали не зависит от типа МП и учитывает требова-ния будущих МП. Одновременное использование магистралей обес-печивает пропускную способность 96 Мбайт/с (PSB - 40 Мбайт/с, LBXII -48 Мбайт/с, Multichannel - 8 Мбайт/с).
Благодаря большой пропускной способности в системе можно ис-пользовать много процессорных модулей без перегрузки магистрали. Поскольку применяемые процессорные модули приобретают все более широкие функциональные возможности, запас по пропускной спо-собности позволяет наиболее эффективно использовать каждый до-бавляемый модуль для повышения производительности системы.
Системная магистраль PSB является высокопроизводительной магистралью общего назначения, которая обеспечивает передачи важнейших данных и межпроцессорные взаимодействия. В ней име-ются средства инициализации и конфигурации системы, арбитража. Она позволяет работать с 32-разрядным адресным пространством памяти, 16-разрядным пространством адресов ВВ, 16-разрядным пространством внутренних соединений и 8-разрядиым пространством сообщений. Разрядность передаваемых данных 8/16/24/32 бита.
Локальная магистраль LBXII обеспечивает эффективное исполь-зование процессором памяти, расположенной на других, печатных платах. Она позволяет обращаться к памяти объемом до 63Мбайт. Ее применение на 60...90 % разгружает системную магистраль. По-скольку магистраль оптимизирована для вычислений, она не произ-водит операций ВВ и передачи сообщений.
Последовательная магистраль SSB позволяет создавать локаль-но распределенные системы из нескольких микросистем или осуществ-лять связь с приборами.
В архитектуре МВП существует четыре адресных пространства. Пространство межсоединений используется для идентификации мо-дулей и конфигурации системы, а также для тестирования и диагно-стики. Пространство памяти используется для доступа к устройст-вам памяти, хранения и выборки данных и программ. Пространство ВВ используется для доступа к ПУ, модулям устройств связи с объ-ектом (УСО), контроллерам системы передачи данных (СПД) и ВЗУ большой емкости. Пространство сообщений используется для межмодульных и межпроцессорных связей при передаче информации о прерываниях и пересылке данных.

Каждое адресное пространство может быть доступно несколь-ким магистралям (табл.). Каждому модулю, соединенному с магистралями.

PSB или LBXII, должен быть присвоен свой адрес или группа адресов в пространстве межсоединений. Идентификатором взаимосвязи является идентификатор места (ИМ) платы, который принимает свое значение при включении питания. На магистрали PSB значение ИМ меняется от 00 до 19. Центральный обслужива-ющий модуль (ЦОМ) всегда имеет ИМ, равный 00. На магистрали LBX1I значение ИМ меняется от 24 до 29. Первичный задатчик всег-да имеет ИМ, равный 24.
Адрес пространства межсоединений состоит из ИМ и последовательных номеров регистров (до 512). Регистры 0 и 1 имеют одну, функцию для всех модулей и являются идентификаторами постав-щика, остальные определяются пользователем Регистры 2 и3 на-пример, могут содержать идентификатор типа модуля, 4 и 5 - лите-ру исполнения, 6 и 7 - нижнюю границу адресного пространства памяти модуля, 8 -число блоков 64К в модуле. Пространства па-мяти и ВВ являются широко используемыми пространствами для работы с памятью и устройствами ВВ.
Пространство сообщений используется дли реализации мультипроцессорных архитектур, требующих межпроцессорного взаимодей-ствия. Модулям, использующим это пространство, назначается адрес пространства сообщений, который используется для распознавания сообщений, направленных модулю. Адрес 0FFH используется как широковещательный адрес, относящийся ко всем модулям.
Одни и те же операции могут выполняться через разные магист-рали. При этом задатчик должен однозначно выбирать магистраль, выставляя определенный локальный адрес внутри модуля, исполни-тель должен распознавать магистраль по адресным и управляющим сигналам, и каждая магистраль должна быть прозрачна для про-граммного обеспечения.

3.6 Интерфейсная система VME-bus.

Технология шины VMEbus зародилась в 1979 году как спецификация компании Motorola и в 1987-88 гг. была признана международным стандартом (IEEE 1014, IEC821). Эта магистрально-модульная архитектура выдержала конкуренцию с Multibus, FUTUREbus+ и, как следует из данных на рис. 1, несмотря на почтенный возраст, остается лидером для промышленной автоматизации. По-видимому, успех стандарта VME стал следствием множества факторов.
Интерфейс VME-bus (Versabus Module Europe-bus), разработан-ный на основе документа Versabus (IEEEP-96I), предназначен для построения модульных вычислительных систем (МВС), в основном использующих МП фирмы Motorola типов 6800, 68000, 68020. Интер-фейс содержит три магистрали: две параллельные, VME, VMX, и по-следовательную VMS. Архитектура магистрали VME предусматрива-ет раздельные 8- и 16-разрядные тракты данных и 16- и 24-разрядные тракты адреса в одном соединителе. При использовании второго сое-динителя на плате реализуются 32-разрядные тракты данных и адре-са. В магистрали VME реализована многопроцессорная работа с че-тырьмя линиями арбитража и семью линиями прерывания.
Магистраль VMX использует оставшиеся контакты второго сое-динителя и имеет 32-рязрядпую шину данных и 24-разрядную муль-типлексированную шину адреса. Магистраль VMX обеспечивает рас-ширение локальной шипы процессорного модуля на пять соседних мест объединительной платы, что позволяет процессору обращаться к дополнительной памяти без затрат времени па арбитраж и осво-бождает основную магистраль VME. Магистраль VME предусматри-вает также связь модулей памяти с контроллером ПДП. Имеется вариант магистрали MVMX32, предусматривающий мультиплексиро-ванную 32-рззрядную шину адреса-данных.
Последовательная магистраль VMS с автоматическим арбитра-жем использует две линии для передачи данных и предназначена для обмена короткими и срочными сообщениями в системах с непосред-ственной связью и с гибко связанными процессорами. Магистраль VMS можно использовать для связи как в одном крейте, так и ме-жду процессорами в разных крейтах.
Технология VME позволяет создавать вычислительные системы в очень широком диапазоне производительности, от настольных компьютеров до многопроцессорных супер-ЭВМ, от простых и дешевых промышленных контроллеров до мощнейших многопроцессорных систем управления десятками тысяч аналоговых и цифровых каналов ввода/вывода. Не претендуя на достижение рекордных показателей, VMEbus обеспечивает наилучшее соотношение цена/производительность для системы в целом и предоставляет хорошие возможности для наращивания ресурсов.
Важным фактором стало то, что продвижением и развитием стандарта VME занимается организованная в 1984 году международная ассоциация VITA - VFEA International Trade Association. Ее основные спонсоры - крупнейшие американские компании Motorola и Sun Microsystems. Членами VITA являются около 100 европейских, американских, азиатских производителей совместимой продукции VMEbus: DEC, HP, Force Computer, Microware, IBM и др.
После официального принятия стандарта заботой комитета стало поддержание жизнеспособности VME в соответствии с быстро меняющимися технологическими условиями. Ввод в строй нескольких расширений и новой версии стандарта для 64-разрядной передачи данных VME64 показал, что потенциал шины VME далеко не исчерпан. Новейшие реализации VMEbus обеспечивают пропускную способность 320 Мбайт/с.Архитектура VME выросла вокруг семейства Motorola 68xxx, но сейчас имеются VME-реализации для RISC-процессоров, рабочих станций Sun, DEC, HP, SGI, Intel и клона PowerPC. По данным [3], на сегодня существует 370 различных процессорных плат VME, которые выпускает 61 компания. Из общего числа 39% плат центральных процессоров поддерживают 64-разрядную передачу данных, 61% - 16- и 32-разрядную.
Конструктивно в основу VMEbus положен самый популярный механический стандарт - Евромеханика. Конечная система компонуется из функциональных модулей VME, устанавливаемых в крейты, число которых не ограничено. Крейт представляет собой каркас с объединительной магистралью VME, источником питания и вентиляцией. В каждый крейт можно поместить до 21 модуля VME. Модули соединяются через объединительную плату с нормированным волновым сопротивлением и терминаторами на каждой сигнальной линии. В качестве соединителей используются надежные 96-штырьковые разъемы DIN602-3, причем 8- и 16-разрядные модули имеют один разъем, 32/64-разрядные - два.Сегодня технология VME, кроме основного стандарта VMEbus/VME64, включает несколько расширений.
Технология оперативной замены Live Insertion представляет собой минимальное аппаратное дополнение к стандартным модулям VMEbus, позволяющее беспрепятственно вставлять/вынимать модули из работающей системы. Для реализации горячей замены предложен специальный механизм изоляции модуля от шины.
Широкое распространение получил стандарт измерительных систем VXIbus, который поддерживают более 200 зарубежных фирм, выпускающих свыше 500 типов модулей.
В 1995 году был принят стандарт мезонинных технологий ANSI/VITA 4 на модули IP (Industry Pack).
Для телекоммуникаций предложен стандарт SCSA подшины для обработки цифровой аудио- и видеоинформации в телефонии. VMEbus используется как основная управляющая шина системы, а SCSA P2 - для интерфейса с телефонными цепями.
Работа над спецификацией VME64 уже завершена, хотя отделение VITA по стандартам продолжает уточнять расширения к стандарту VME64, но, по всей вероятности, массовое производство VME-изделий, включающих эти расширения, начнется не раньше 1998-99 г. Сейчас же VME-системы ощущают сильное давление дешевых систем на базе ПК. Однако можно рассчитывать, что после того, как новые расширения VME64 будут освоены на рынке высокопроизводительной аппаратуры, высокая рентабельность VME-систем восстановится. Это подтверждается и тем, что за последний год самые высокие темпы развития в VME-сообществе имели три компании, специализирующиеся на быстрых вычислениях: Mercury, Sky Computers и CSPI.

3.7 Шина PCI и ее производные.

ПК проектируются для работы в комфортных условиях офиса, и их использование в производственной обстановке зачастую невозможно. С другой стороны, разработчики систем промышленной автоматизации не могут игнорировать продукты, имеющие массовое распространение на рынке и, следовательно, относительно дешевые. Прогресс технологии производства электронных плат сделал выгодным изготовление широкой номенклатуры микросхем В/В в виде кристаллов. Для того чтобы их можно было использовать в промышленных системах, требовалась по крайней мере стандартизация с учетом требований повышенной надежности.
За основу была взята 32/64-разрядная высокопроизводительная шина PCI, локальный интерфейс подсистемы В/В для надплатных расширений активной материнской платы, ставшая стандартом де-факто для современных ПК. Эта шина имеет массу достоинств: она не зависит от типа микропроцессора, может работать с самыми быстрыми из них, имеет большую пропускную способность и аппарат автоконфигурирования устройств В/В. Сейчас PCI активно применяется в VME-компьютерах для подключения периферии.
После доработки, в 1995 году, был выпущен стандарт CompactPCI, основанный на общепринятой технологии создания надежных промышленных модульных систем - пассивной объединительной магистрали. Большое практическое значение имеет тот факт, что любое ПО, работающее на настольных ПК, может быть без изменений перенесено в систему CompactPCI, а программисты, работающие на ПК, но не имеющие дела с аппаратурой, могут быстро скомпоновать систему CompactPCI, установить ОС и сконфигурировать систему в соответствии с реальными потребностями.
CompactPCI стал достойным конкурентом технологии VME. Однако CompactPCI - относительно новый стандарт, и некоторые необходимые функции в нем либо отсутствуют (горячая замена), либо не доведены до кондиций. Кроме того, номенклатура продуктов CompactPCI пока небольшая, особенно в сравнении с рынком VME/ISA-оборудования. Поэтому сейчас следует ориентироваться на связку двух стандартов, используя CompactPCI как недорогую объединительную панель с высокой скоростью передачи данных.

3.8 Интерфейс VAX.

Интерфейс VAXBI (именуемый также Bitbus) предназначен для построения систем на основе процессоров типа VAX фирмы DEC. Интерфейс реализует синхронный протокол, использует распределен-ный арбитраж, 32-разрядную мультиплексированную шину адреса и данных и общее адресное пространство памяти и ВВ (012 Мбайт пространства памяти и 512 Мбайт пространства ВВ).
Данные передаются блоками по 4, 8 или 16 байт. По магистра-ли (в зависимости от физической реализации устройств) могут пе-редаваться 8-, 16- или 32-разрядные данные. Тактовая частота ма-гистрали- 5 МГц. Максимальная скорость передачи 16-бантовых блоков- 13 Мбайт/с, 4-байтовых - 6,6 Мбайт/с.

3.9 Интерфейс RESYM.

Интерфейс RESYM (REdused Synchronous Multiprocessor) пред-назначен для построения недорогих мультипроцессорных систем, использующих 32-разрядные МП. Он реализует синхронный прото-кол, используя 8-разрядную мультиплексированную шину адреса-данных и распределенный арбитраж, Благодаря малой длине линий
магистрали, высокой   частоте   синхроимпульса    (от 20 до 40 МГц) и конвейерной передаче сигналов управления его производительность сравнима с производительностью интерфейсов с 32-разрядными ши-нами.
Дальнейшим развитием интерфейса может быть синхронная по-следовательная передача информации с частотой 100 МГц и выше.

3.10 PROFIBUS.

Рассмотренные архитектурные решения относятся к локальному (центральный процессор и локальная шина) и региональному (VMEbus) уровню организации систем промышленной автоматизации. В условиях реального производства необходимо еще наладить взаимодействие центрального управляющего блока с пространственно распределенным оборудованием системы автоматизации - датчиками, исполнительными механизмами, передаточными устройствами, приводами и программируемыми контроллерами.
Такую связь можно было бы реализовать, например, с помощью сети Ethernet, но к промышленным сетям предъявляются особые требования по надежности и помехоустойчивости. Для связи с удаленными цифровыми устройствами промышленного назначения принято использовать бит-последовательные промышленные или полевые шины (bit serial Fieldbus). К этой группе относятся несколько европейских (PROFIBUS (DIN 19245), FIP (UTE-C46-6xx), Bitbus (IEEE 1118), CAN (ISO/DIS 11898), Interbus-S (DIN 9258)) и американских (Foundation, HART) конкурирующих стандартов. Ведется разработка общеевропейского стандарта EN 50170, объединяющего PROFIBUS и FIP.
Каковы основные возможности лидера - PROFIBUS? Это открытый стандарт, определяющий обмен информацией с компонентами автоматизации любых разновидностей - ПЛК, ПК, панелями оператора, датчиками и силовыми приводами. Существует три основных варианта PROFIBUS: FMS, DP и ISP.
PROFIBUS-FMS представляет собой решение для задач взаимодействия на цеховом и полевом (field) уровне иерархии промышленных связей: с его помощью организуется обмен между интеллектуальными field-устройствами и контроллерами, а также между контроллерами. Как правило, на этом уровне обмен информацией осуществляется по запросу прикладного процесса и не является циклическим. Поэтому время реакции здесь не очень существенно, гораздо важнее функциональные возможности.
Модель PROFIBUS позволяет определить коммуникационные связи, объединяющие распределенные прикладные процессы в один общий. Та часть прикладного процесса field-устройства, которая отвечает за взаимодействие, называется виртуальным field-устройством (VFD). Все объекты реального устройства, с которыми можно взаимодействовать (переменные, программы, диапазоны данных), называются объектами коммуникации. Отображение функций VFD на реальное устройство обеспечивается в коммуникационной модели PROFIBUS интерфейсом прикладного уровня. Для этого объекты коммуникации PROFIBUS-станции вводятся в ее локальный словарь объектов - OD. Конфигурация OD может определяться и загружаться в устройство либо его производителем, либо разработчиком -- или может формироваться динамически. OD содержит структуру и типы всех объектов, а также их внутренние адреса в устройстве и представление на шине (индекс/имя). Доступ к объектам при функционировании происходит через сервисные функции протокола PROFIBUS-FMS, которые позволяют, например, опросить/установить значения переменных и массивов, запустить/остановить программу.
Что касается двух других вариантов стандарта, то PROFIBUS-DP - это оптимизированная по производительности версия PROFIBUS, предназначенная специально для взаимодействий, критичных по времени. PROFIBUS-ISP - проект взаимодействующих частей, базируется на технологии PROFIBUS и дополняет ее возможностями управления процессами, включая внутреннюю защиту.

3.11 Fastbus.

Проект стандарта Fastbus разработан многими рабочими груп-пами, включая IEEE (проект Р-960), IEC/TC45 (проект 243). Интер-фейс используется в мощных высокопроизводительных 32-разрядных ММС при экспериментальных исследованиях в области физики вы-соких энергий. Стандарт совершенствуется в технологии физической реализации с целью использования ЭСЛ-уровней для сигналов ма-гистрали.
В стандарте Fastbus была определена локальная информациойная сеть произвольной конфигурации, работающая в логическом протоколе, впервые едином для модулей, крейтов и сети. Скорость передачи информации через магистраль доведена до рекордного на те времена значения 80 Мбайт/сек, для этого длительность фронтов импульсов пришлось уменьшить до 10 нс - в 10 раз короче, чем в системе КАМАК. Создавали систему Fastbus люди академического склада, они не позаботились разработать подстандарт на дешевую подсистему - более медленную и с меньшим числом разрядов, поэтому Fastbus применяется, главным образом, в самых сложных физических экспериментах. На основе международных стандартов Fastbus в России выпущены ГОСТ 34.340-91 и ГОСТ 34.341-93. В первый стандарт добавлено приложение, определяющее малые крейты и модули. Второй ГОСТ содержит алгоритмы для программирования аппаратурных систем Фастбас. В России система Фастбас, увы, безнадежно опоздала.

3.12 Futurebus.

Проект стандарта Futurebus (проект Р-896) разрабатывался ин-ститутом IEEE с целью создания единого для промышленных систем процессорно-независимого интерфейса для 32-разрядных ММС буду-щего. В проект окончательной редакции (1986 г.) внесены дополне-ния, сблизившие его с интерфейсами Fastbus и PSB МВП по географической адресации, параллельному арбитражу,    распределению контактов. Новые технические решения по физической реализации обеспечивают максимальное быстродействие магистрали при нагру-зочной  способности ТТЛ-передатчиков  (50 мА),  имеющих оптронную развязку.
Развитие магистрально-модульных систем завершает разработка с пышным названием Futurebus ("магистраль будущего") по стандарту США 1991 года. В этой системе сделано одно принципиальное добавление, учитывающее особенность многопроцессорных компьютеров. В таких системах каждый микропроцессор имеет в своем распоряжении вспомогательную кэш-память (слово cache в английском языке означает "небольшой склад чего-либо, удобный для частого использования"). Во время выполнения параллельных ветвей программы у одного из процессоров появляется промежуточный результат, необходимый другим процессорам для дальнейшей работы. Этот результат нужно быстро передать в кэш-памяти нуждающихся процессоров. Процедура таких передач как раз и предусмотрена в стандарте Futurebus.

4. Развитие открытой модульной системы - Расширяемый Связный Интерфейс (РСИ)

Прогресс технологии микроэлектроники привел к тому, что в наше время размеры элементов в микросхеме (транзисторов, резисторов, конденсаторов) удалось уменьшить до 0.6-0.8 мкм, а число элементов в одном кристалле увеличить до нескольких миллионов. Например, микропроцессор Pentium содержит 3 млн. транзисторов, имеет собственную встроенную кэш-память и работает с частотой до 100 МГц. Если несколько таких процессоров присоединены к одной магистрали общего пользования, то их работа становится неэффективной: процессор, быстро подготовивший промежуточный результат, занимает магистраль для передачи данных другому процессору, а остальные процессоры вынуждены простаивать в течение относительно медленной передачи. Магистраль, бывшая в 70-80-х годах верхом достижений, в концу 80-х годов стала узким местом, нужно было искать новое решение.
Специалисты, создававшие Fastbus и Futurebus+, в 1988 году объединились под руководством доктора Д.Б.Густавсона для создания системы, способной решить новые задачи. Была начата разработка стандарта, известного сейчас как ANSI/IEEE Std 1596-1992 Scalable Coherent Interface - SCI, в русском переводе - Расширяемый Связный Интерфейс, РСИ. Деятельность многонациональной рабочей группы из 96-ти специалистов поддержали университеты и фирмы разных стран - всего 54 организации. Не реже, чем раз в квартал участники разработки собирались для обсуждения промежуточных результатов и определения дальнейших шагов.
Принцип магистрали общего пользования был отклонен в начале исследований. Решили, что в новой системе процессорные узлы следует соединять индивидуальными связями, причем информация должна передаваться по каналам связи только в одном направлении. Узел получает информацию из входного канала в дешифратор адреса. Если сообщение адресовано данному узлу, оно через дешифратор поступает во входную промежуточную память FIFO с очередью типа "первым вошло и первым вышло" и далее проходит на прикладные схемы узла для обработки, например, микропроцессорами и транспьютерами. Если сообщение адресовано иному узлу, оно через проходную FIFO и переключатель передается в выходной канал к следующему узлу. Если ранее уже началась выдача обработанной информации из выходной FIFO, передача проходящей информации задерживается до окончания выдачи. Можно заметить, что узлы РСИ действуют подобно железнодорожному узлу: если со станции выходит поезд и выходной путь занят, то приходящий поезд направляют на запасной путь для отстоя, если же состав адресован именно этому узлу, то его вагоны сортируют и подают на разгрузочные пути.
Последний из цепочки узлов РСИ соединяется с первым узлом - образуется колечко из нескольких узлов и связей. Наименьшее колечко состоит из двух узлов. Кольцеобразная структура позволяет любому узлу получать подтверждение в приеме своего сообщения. Для этого адресованный узел сразу же после приема сообщения вырабатывает эхо-сообщение и передает его в выходной канал, чтобы оно прошло по колечку к узлу, выдавшему первичное сообщение. Предусмотрены специальные узлы-агенты, имеющие выходы на боковые каналы, для соединения с другими колечками иными устройствами, выполняемыми в других стандартах. При помощи интерфейсных агентов конкретная система может быть расширена добавлением новых колечек с образованием сети произвольной конфигурации. РСИ является открытой системой, все составляющие которой работают в едином логическом протоколе и не требуют чуждых интерфейсов.
Слово "связный" в названии системы означает, что в стандарте предусмотрены логические средства для образования связной группы кэш-памятей, получающих идентичную обновленную информацию. Связность устанавливается программно при помощи кодовуказателей адресов тех узлов, кэши которых должны войти в связную группу. Затем процессор, создавший новую информацию, быстро выполняет ее запись в основную память и в группу кэшей.
Живой человеческий язык оказался недостаточно строгим для точного описания сложных логических связей и алгоритмов их использования в работе узла. Полный логический протокол описан в стандарте не только на английском языке, но и на языке программирования Си в прилагаемой к стандарту дискете. Последнее позволяет моделировать на компьютерах поведение вариантов аппаратурных систем в процессе их разработки. Описание на английском языке служит для учебных целей и интуитивного постижения "духа" системы. Логическую сложность современной многопроцессорной модульной системы может характеризовать объем описания логического протокола - в стандарте РСИ это 200 страниц со 184 рисунками. Конструктивы и электрические характеристики описаны всего лишь на 38 страницах с 26 рисунками. К настоящему времени логический протокол материально воплощен в сверхбольших интегральных схемах, выпускаемых несколькими фирмами в США и Норвегии.
Система РСИ модульная, но не магистральная. Поскольку магистраль общего пользования в ней не потребовалась, из аббревиатуры МММИИУС исчезла одна буква М. Физический облик ММИИУС в стандарте РСИ может быть очень разнообразным: от персональной рабочей станции до суперкомпьютера, содержащего тысячи микропроцессоров и транспьютеров, от одиночного персонального компьютера в комнате до информационной сети протяженностью десятки километров, объединяющей множество компьютеров и измерительно-управляющих устройств. Для компановки аппаратурных систем в стандарте определены каналы связи двух типов. Для передачи сообщений между модулями в стандартизованном каркасе служат 18 параллельных печатных линий на задней плате. Передачи между обособленными узлами выполняются последовательными кодами - по коаксиальному кабелю на расстоянии десятков метров или по оптоволоконному кабелю на километры и более. Скорости передач рекордные: при параллельной передаче 1 Гбайт/сек на частоте 250МГц, при последовательной - 1 Гбит/сек.
Объем полного адреса 64 разряда, причем наиболее значимые 16 разрядов выражают адрес узла в целом, поэтому в аппаратурной системе максимальное число узлов может быть равно 216 = 65536. Остальные 48 адресных разрядов определяют допустимое число адресов в каждом узле - около 280 триллионов. Если в каждом адресе хранить стандартное 64-разрядное слово данных, то максимальный объем информации в узле составит 1,8 триллиона авторских листов по 40000 знаков или 3,8 миллиарда книг "Советского энциклопедического словаря". На практике полный объем памяти не используют, но запас нужен для удобства программирования. Стандартом предусмотрены и малые дешевые системы с 32-разрядным адресом. В 1995 году РСИ стал международным стандартом.
В дополнение к базовому стандарту в США подготовлены подстандарты, рекомендующие оптимальные конфигурации аппаратурных систем, нацеленных на усиление какого-либо параметра: при тысячах микропроцессоров, при низковольтных сигналах и маломощном питании, для передач больших потоков данных, для систем реального времени. В последнем, например, случае задают: объем информации, вводимой в систему, объем ее обработки и время, допускаемое для обработки и выдачи результатов. Определяют: минимальное число процессоров и наилучшую структуру системы, выполняющей поставленную задачу.

4.1 Комплектующие РСИ.

Важнейшими из комплектующих деталей являются интерфейсные СБИС, воплощающие логический протокол РСИ. Первую СБИС в арсенид галлиевой технологии выпустила в 1993 году фирма Dolphin Interconnect Solutions, образованная первоначально в Норвегии при университете г. Осло. В настоящее время Dolphin и Fujitsu выпускают чипы с сигналами ЭСЛ, обеспечивающие скорость передач 650 Мбайт/с. Dolphin и LSI Logic продают КМОП-чипы L64601 на скорость 125 Мбайт/с, а фирма Vitesse выпускает лучшие КМОП-чипы с более полным логическим протоколом.
В апреле 1995 года Del Cecchi, сотрудник фирмы IBM Rochester, опубликовал отчет об успешных испытаниях на скорости 1 Гбайт/с входных и выходных частей узла РСИ, исполненных в технологии БИКМОП. В этом документе отмечена реальная возможность выпуска чипов с полным протоколом в КМОП-технологии, обеспечивающих скорость передачи 1 Гбайт/с в соответствии со стандартом РСИ.
Приемопередатчики РСИ выпускают фирмы National и Motorola в стандарте IEEE Std 1596.3 LVDS.
Переключатели РСИ на 4 порта для соединений в кластерах рабочих станций и серверов выпустила компания Dolphin. Фирма MicroUnity готовит к выпуску переключатель на 16 направлений. T.Sheik, Q.Li и D.Gustavson на 5-й конференции Сизл в марте сообщили о переключателе РСИ 6x6 для построения сложных древовидных структур.
Плоские четырехразрядные секционированные разъемы на 168 контактов типа "Metral" выпускает фирма Dupont в соответствии со стандартом EIA IS-64 (1991). Шаг между осями штырьков разъема составляет 2.00 мм.
4.2 Изделия в стандарте РСИ.

Аппаратура с логическим протоколом РСИ выполняется как в виде стандартных модулей, так и в других конструктивах, например, в виде интерфейсных печатных плат, подключаемых к системной плате персональных компьютеров.
Первым значительным применением РСИ стало объединение ПК и РС локальной сетью РСИ - под этим флагом начала работать Ассоциация Сизл, как следует из ее полного названия. В ЦЕРН"е (Швейцария) и в институтах США такие сети работают. В физических институтах Европы и США создаются системы сбора и обработки информации, для которых разработаны мосты РСИ-VME, РСИ-Fastbus, РСИ-PCI, РСИ-SBUS. Фирма Siemens Nixdorf подготовила устройства ввода-вывода в стандарте РСИ.
РСИ изменяет облик суперкомпьютеров. Впервые колечки на 16 узлов заработали в компьютерах SPP-1000 "Exemplar", которые фирма Convex выпустила в продажу весной 1994 года. В полной конфигурации компьютера на 128 процессоров четыре колечка параллельно объединяют 16 кластеров, содержащих по 8 процессоров. Суперкомпьютер SPP-1200 с 64-разрядными микропроцессорами 7200 Hewlett-Packard рассчитан на пиковую производительность 30 млрд операций с плавающей запятой в секунду. Каждый кластер имеет свои устройства ввода-вывода. Предусмотрен режим работы системы, при котором все полукластеры могут одновременно выполнять разные независимые задачи или объединяться в более крупные комплексы для выполнения нескольких сложных задач.
В начале этого года в США вступил в строй суперкомпьютер фирмы Cray Research ТЗЕ, выполняющий 1.2 триллиона операций в секунду и содержащим интерфейсы РСИ. Для будущего суперкомпьютера Cray Research подготовила двойное резервированное кольцо коммутируемого ввода-вывода [3] и объявила об использовании РСИ для устройств быстрого ввода-вывода в компьютерах всех четырех серий фирмы. Data General также готовит суперкомпьютер на основе стандартов РСИ.
Оптоволоконный шлейф РСИ с пропускной способностью 1 Гбайт/с создала фирма IBM [2].

Корпорация Synclink, используя РСИ и особенно подстандарт Р1596.7, готовит к выпуску в разных странах аппаратуру мультимедиа с быстрыми памятями большого объема, в частности, цифрового телевидения высокого качества.

4.3 Военное применение.

Превосходный логический протокол РСИ, обеспечивающий эффективность совместной работы множества микропроцессоров в сети произвольной конфигурации, быстродействие каналов и памятей, а также модульность конструкции, позволяют решить сложнейшую задачу - в реальном времени обработать изображения окружающего пространства и/или местности, доставленные разнообразными датчиками, и быстро найти цели без непосредственного участия человека. Иными словами, появилась реальная возможность построить безэкипажные: корабль, самолет и даже танк, способные самостоятельно находить цели и вести бой. Такая задача, в более узкой формулировке, уже была поставлена в 1984 году в программе агентства Defence Advanced Research Program Agency (DARPA) [4,5]. Была намечена разработка танка без людей, способного передвигаться по пересеченной местности и создавать ее карту, а также аналогичные разработки корабля и самолета. Однако, в то время еще не был придуман эффективный интерфейс.
Не случайно спонсор и член Сизл - коалиция JAST, объединяющая интересы ВМФ, ВВС и морской пехоты США, приняла РСИ в качестве базового стандарта для разработки единой информационно-управляющей системы будущего истребителя 2010 года (на современном истребителе F-22 работают 7 разнотипных интерфейсов). ВМФ США и Канады также готовят использование изделия на базе РСИ.

Заключение

В мире, который не ограничен делопроизводством, торговлей, банковскими операциями, измерительные и управляющие системы живут, а где-то даже побеждают. Эти  системы не видны, но именно они обеспечивают движение самолетов на авиалиниях, на них основана работа атомных электростанций, телефонных сетей, автопилотов поточных линий на промышленных предприятиях. С их помощью осуществляется распределение электроэнергии, управление полетом космических аппаратов и работой металлорежущих станков, регулирование микроклимата в зданиях. Полагаться на людей нельзя - и поэтому ответственность в критических приложениях перекладывается на автоматику.

Список литературы

1. Открытые системы 1995, 1
2. Открытые системы 1997, 5
3. Сети 1996, 8
4. Мячев А.А Интерфейсы систем обработки данных.1989