Управляющий канал

Структура управления Централизованная; децентрализованная

Принципы селекции Последовательный (опрос, адресное

сканирование); параллельный (сравнение приоритета, адресное сканирование); временная селекция

Принципы обмена Синхронный (по фронту, по фронту и

данными . срезу); асинхронный (однопроводная,

двупроводная обратная связь); асинхронный по двум парам проводов

Интерфейсы по конструктивному исполнению могут быть разделены на следующие категории: межблочные, обеспечивающие взаимодействие компонентов на уровне автономного устройства, блока, стойки, шкафа; внутриблочные, обеспечивающие взаимодействие на уровне субблоков, модулей, плат; внутриплатные, обеспечивающие взаимодействие между интегральными схемами (СИС, БИС, СБИС); внутрикорпусные, обеспечивающие взаимодействие компонентов внутри СБИС.

Для реализации интерфейсов используются основные конструктивные средства, приведенные ниже:

Категория Конструктивная реализация

Межблочная Многожильный (плоский, витые

пары), коаксиальный, волоконно-оптический кабели

Внутриблочная Скрученная витая пара, печатные

проводники платы (двухслойная, многослойная)

Внутриплатная Печатные проводники платы

(двухслойная, многослойная)

Внутрикорпусная Микроэлектронные проводники

5. Сети. Методы построения сетей. Классификация сетей. Требования к построению сетей. Требования для FAN сетей. Виртуальные сети.

6. Топологии сетей. Проблема «Реального времени» в интерфейсах систем передачи и обработки данных.

Топологии

Сети можно классифицировать по физической и логической структуре. Высказывание «сеть построена по принципу кольцевой или шинной структуры» является неполным. Например, в основе Fieldbus-системы может быть физическая шина, которой на верхнем уровне соответствует логическое кольцо. Возможен и обратный вариант. Вопрос о том, какая архитектура оптимальна, решают по-разному в каждом конкретном случае. LonWorks предполагает различные топологические структуры, и все они имеют право на существование. Рассмотрим их разновидности.

С точки зрения реализации самая простая структура — кольцо (Рис. 1-7), в котором все узлы соединены друг с другом по принципу «точка-точка». Механизмы передачи данных могут использоваться самые различные. Наиболее быстрым в области Fieldbus-систем является «способ сдвигающего регистра»: каждый узел имеет в своем распоряжении такой регистр, который сдвигает поступающие данные. Поскольку все узлы логически соединены последовательно, то кольцо образует один большой сдвигающий регистр, состоящий из отдельных узлов - сдвигающих регистров. Явная адресация в этом случае отсутствует, кадр идентифицируется по его началу; после фазы конфигурации каждый узел может самостоятельно определить, какие биты зарезервированы для него. Если предположить, что все узлы посылают и принимают данные с максимально возможной скоростью, то система теоретически имеет наименьшее время реакции.

Однако на практике наибольший интерес представляют кольца другого типа. Представьте себе кольцо, в котором узлы могут принимать и посылать данные в обоих направлениях. Если разрушить такое кольцо в какой-либо точке, то для передачи данных на все остальные узлы можно использовать противоположное направление. Это часто необходимо для систем, требующих высокой надежности⁶ (например, системы наблюдения). LonWorks допускает такой вид топологии.

При топологии типа «звезда» вся информация проходит через центральный узел. Как и в кольце, все связи строятся по принципу «точка-точка», что часто упрощает систему коммуникационной техники и разводки кабеля. Многие локальные сети, физически построенные по типу «линия» или «кольцо», имеют разводку кабеля, подобную «звезде». Однако системы типа «звезда», несмотря на их широкое распространение, являются коммутационными. Все основные функции коммутационной системы сосредоточены в центральном коммуникационном устройстве. Терминальное оборудование (телефонные аппараты, факс-машины и т. д.) обладает относительно невысоким интеллектом; отсюда следует, что его можно покупать по довольно низкой цене. Причем производительность и интеллект находятся в одном центральном устройстве, что упрощает обслуживание системы.

Применительно к системам управления топология типа «звезда» обладает рядом преимуществ: контроллер с программируемой памятью является классической централизованной системой. Внедрение интеллектуальных компонентов ввода/вывода в области автоматизации технологических процессов до сих пор не достигло значительного продвижения на рынке; контроллеры с программируемой памятью и на сегодняшний день играют доминирующую роль. Для широкого распространения децентрализованных систем нужно провести серьезную работу.

«Шина» - лучше называть ее «линия» - одна из самых широко распространенных топологических структур. Однако следует помнить об ее недостатке. Несмотря на то, что каждый узел электрически имеет всего одно соединение с линией, физически для подключения требуются либо сдвоенные, либо Т-образные разъемы, затраты на которые часто недооценивают. Значительная часть стоимости узла приходится именно на соединение, из-за чего эта структура не может применяться во многих последовательных системах, хотя в параллельных способна обеспечить более высокую производительность.

Основной проблемой этой топологической структуры является доступ к шине (различные методы его реализации описаны в [Tane90, Farb84 и др.]). В связи с этим необходимо упомянуть один очень важный аспект: для многих приложений требование «real-time» (реального масштаба времени) является критическим. Под реальным масштабом времени подразумевается гарантированное время реакции системы. Например, водитель автомобиля должен иметь гарантию, что при нажатии на педаль тормоза желаемый эффект торможения будет достигнут без задержки.

Рассмотрим этот аспект более подробно. Полное время задержки реакции есть сумма задержек всех процессов, происходящих в системе. Задержка, вызываемая шиной, может быть минимальной по сравнению с другими - в этом случае она не оказывает существенного влияния на процесс управления. Существует и еще один момент, которому часто не уделяют должного внимания. Real-time требуют многие системы, однако, по экономическим соображениям, определенное время реакции обычно гарантируют лишь с высокой вероятностью. Какой смысл гарантировать время реакции «абсолютно», в то время как надежность системы задается вероятностными величинами (ведь система может включать в себя множество непомехозащищенных электронных компонент)? Если время задержки гарантируется с экономически приемлемой вероятностью, этого вполне достаточно. Эта идея и была подхвачена LonWorks (LonWorks гарантирует время доступа с определенной вероятностью, которую, можно определить так, что система будет пригодна даже в случаях, касающихся безопасности человека). Более подробно об этом - в четвертой главе.

И еще несколько кратких замечаний относительно методов доступа. В локальных сетях чаще всего применяют два метода доступа к шине: маркерный и множественный. Последний носит название CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection-множественный доступ с контролем несущей / распознаванием коллизий). Маркерный метод доступа проще, но, к сожалению, по сравнению с CSMA/CD его реализация обходится, как правило, значительно дороже. Суть этого метода состоит в следующем. В шинной системе существует один маркер, который передается от узла к узлу согласно определенному алгоритму. Узел, который в какой-то момент владеет маркером, получает право отправлять сообщения (занимать шину). Нужно следить за тем, чтобы во время работы системы не происходило обмена двумя или более маркерами, чтобы маркер не терялся и т. д. Метод CSMA означает, что прежде чем получить доступ к шине, узлы «прислушиваются» к среде (listen before talk -слушать, прежде чем говорить). «/CD» означает, что в сети осуществляется распознавание и устранение коллизий. Методы устранения коллизий: управление по приоритету на основе выборки случайного числа, управление по приоритету на основе типа устройства и т. д.

В области Fieldbus-систем все значительно сложнее. Существует целая палитра различных методов доступа. Так, для CAN (Controller Area Network) был введен CSMA/CA метод, где «/СА» означает «предотвращение коллизий» (Collision Avoidance). Подразумевается, что приоритетный узел получает право доступа к шине раньше остальных и нарушения целостности отправляемой им информации не происходит (поскольку коллизии отсутствуют). В системах PROFIBUS маркер предоставляется управляющему устройству типа Master⁸, которое опрашивает подчиненные устройства (типа Slave)⁹. Существуют Fieldbus-системы, работающие по слотовому принципу, и т. д. В рамках этой книги мы не будем приводить полного описания всех существующих принципов, ограничившись всего лишь некоторыми из них.

К сожалению, в данной области не существует единообразия терминологии. Если понятия «метод маркерного доступа» и «CSMA/CD» стабильны, то в остальных случаях следует проверять, какой способ доступа к шине подразумевает тот или иной термин. В LonWorks используется метод CSMA/CD, которому посвящена глава 4.

Структура типа «дерево» (Рис. 1-7) имеет большое значение прежде всего потому, что сети становятся все сложнее и сложнее, в связи с чем все более актуально разбиение их на отдельные иерархические «уровни» с различными функциями. К тому же в области автоматизации технологических процессов, систем зданий и т.д. при различных уровнях часто используют сети различных топологий. Корпорации Echelon и Motorola избрали другой путь. По их мнению, если LonTalk-протокол реализовать на достаточно мощных микропроцессорах, то его можно будет интегрировать в высшие сетевые уровни (Рис. 1-4).

Полностью замкнутые и гетерогенные структуры как топологические формы организации сетей особой значимости для FAN не представляют. Они применяются в основном в системах, для которых важна безопасность (например, в авиастроении), и в больших вычислительных комплексах. Гетерогенность может быть реализована в структурах типа «линия», «кольцо» и т. д., соединение которых между собой зависит от специфики конкретного приложения и поэтому интереса для нас не представляет.