CC BY
42
СИСТЕМЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
УДК 621.395.74
Е. А. Барабанова, Н. С. Мальцева
КОММУТАЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКОЙ
Введение
Один из основных факторов, определяющих развитие многопроцессорных систем, - высокая производительность. Для сетей передачи данных таким фактором является высокая пропускная способность. Увеличения производительности и роста пропускной способности можно добиться применением параллельной обработки информации, которая осуществляется за счёт коммутации сразу нескольких процессоров или устройств. Известные методы параллельной коммутации не позволяют производить поиск каналов и процесс передачи одновременно [1].
Именно поэтому актуальной задачей является разработка новых методов параллельной коммутации, лишённых указанного выше недостатка [1, 2]. С целью реализации алгоритма настройки коммутационной системы (КС), когда процесс установления соединений происходит на фоне передачи информации, разработаны функциональные схемы блоков и ячеек коммутации, на базе которых строятся многозвенные поля коммутаторов с параллельной настройкой [3, 4].
1. Принцип построения коммутационных блоков
Коммутационное поле коммутатора с параллельной обработкой состоит из трёх каскадов. Выходной каскад образуют z блоков коммутации 1.1,1.2, ..., 1.Z, промежуточный каскад - у блоков коммутаций 2.1, 2.2, ..., 2.Y, входной каскад - х блоков коммутации 3.1, 3.2, ... , 3.X. Коммутатор содержит n х х информационных входов и.х.п являющихся одновременно входами данных: КБ 3.X входного каскада; m х z информационных выходов V.z.m, являющихся одновременно выходами данных КБ выходного каскада. Линии связи С.х.у между блоками 3.Х и 2.Y входного и промежуточного каскадов соединяют выходы данных блоков 3.Х входного каскада с входами данных блоков
2.Y промежуточного каскада. Линии связи D.y.z между блоками 2.Y и 1.Z промежуточного и выходного каскадов соединяют соответствующие выходы данных блоков 2.Y с входами данных блоков 1.Z. При этом Z = 1, ..., z; N = 1, ..., n; Y = 1, ..., у; X = 1, ..., х; М = 1, ..., m.
Поиск, фиксация каналов связи в режиме установления соединений и передача информации осуществляются в КС под воздействием программы коммутации и управляющих сигналов, появляющихся на соответствующих управляющих входах системы. Коммутационное поле содержит следующие управляющие входы: ТИ - вход тактовых импульсов; НО - вход установки триггеров КБ входного и промежуточного каскадов в состояние «1»; СИО - вход начальной установки состояния регистров циклического сдвига; ПО - вход настройки; П1 - первый вход синхронизации, соответствующий первому полушагу настройки; П2 - второй вход синхронизации, соответствующий второму полушагу настройки; СИ1 - первый вход запуска для запуска узлов сравнения; СИ2 - вход разблокировки для разрешения конфликта при занятии линий связи C.X.Y; СИ3 -второй вход запуска для запуска узлов сравнения во втором полушаге настройки; СИ4 - вход фиксации каналов связи; СИ5 - вход поиска незаблокированных каналов связи; П3 - вход разборки каналов связи; П4 - вход разрешения передачи информации.
Каждый блок 1.Z выходного каскада (рис. 1) состоит из матрицы ячеек 4.Y.M коммутации и узла управления. Узел управления содержит группу регистров циклического сдвига 5.М, первую группу элементов И 6.Y, вторую группу элементов И 7.М. Кроме того, каждый блок 1.Z содержит буферное запоминающее устройство 8.М БЗУ RAM типа FIFO. Команды коммутации записываются в ячейки БЗУ по мере считывания из внешнего ОЗУ (оперативное запоминающее устройство). Каждое БЗУ имеет четыре входа, управляющих работой данного ОЗУ, и два выхода данных.
Команды коммутации представляют собой пары (п.х), определяющие те входы и.х.п КС, с которыми необходимо соединить соответствующие выходы V.z.m. Х является адресом блока
3.Х, в котором расположен нужный вход, а п - адрес нужного входа в пределах этого блока. В элементах памяти 17.Х и 19.п каждого блока 3.Х хранятся соответственно номер х этих блоков и номер п входов и.х.п КС.
Рис. 1. Функциональная схема КБ выходного каскада
Каждый блок 2.У промежуточного каскада (рис. 2) состоит из узлов ускоренного распространения сигнала занятости (УСЗ) 11.Х, матрицы ячеек 12.2.Х коммутации, группы триггеров 13.Х и группы элементов И 14.Х. Кроме того, каждый блок 2.У состоит из х элементов И 15.Х.
Если все ячейки 12.2.Х, подключенные к шине Б.2.Х, остаются незанятыми, то триггер 13.Х сохраняет положительный потенциал на прямом выходе. Если через ячейку 12.2.Х в процессе установления соединений будет установлен канал связи, то сигнал занятости координатной шины сбросит триггер 13.Х, т. к. на его вход сброса «Я» будет подаваться положительный потенциал с шины Б^.Х, а на вход установки триггера в единичное состояние «8» - отрицательный потенциал через инвертор 15.Х.
П2
ПЗ
П4
СИ1
СИ4
в Т
14.x
13.x
Р!
Рис. 2. Функциональная схема КБ промежуточного каскада
Каждый блок 3.Х (рис. 3) входного каскада состоит из матрицы ячеек коммутации 1б.^У, элемента памяти (ПЗУ) 17.Х, где хранится номер КБ, группы ключей (элементов И) 18.У и элементов памяти 19^ (ПЗУ), где хранятся номера входов N. Кроме этого, каждый КБ входного каскада состоит из буферных запоминающих устройств 20.Х, предназначенных для хранения полезной информации.
Сигнал со входа П1, поступая на входы элементов памяти 17.Х в блоках 3.Х, разрешает поразрядную передачу адресов Х всех блоков 3.Х. Адрес Х элемента памяти 17.Х в каждом блоке 3.Х через открытый ключ 18.У (элемент И) поступает одновременно на все свободные от передачи информации линии связи С.х.У, связанные с этим блоком. Ключ 18.У находится в закрытом состоянии (третье состояние на выходе) в случае, если хотя бы через одну ячейку коммутации 1б^.У, подключенную к линии связи С.х.У, установлен канал связи.
Рис. 3. Функциональная схема КБ входного каскада
В данном случае сигнал с прямого выхода триггера 43 ячейки коммутации 16.К.У проходит по шине 1.х.У ко входу ОЕ ключа 18.У и устанавливает элемент 18.У в третье состояние, тем самым запрещая передачу адреса X блока 3.Х на соответствующую линию связи С.х.У.
2. Функциональные схемы ячеек коммутации
Каждая ячейка КБ выходного каскада 4.У.М (рис. 4) состоит из триггера 21 коммутации, узла разборки каналов связи 22, элементов И 23-26 и элементов И 27. Выход Т.у.т ячейки является выходом занятости ячейки. Через прямой выход триггера 21 Ь.Е.т сигналы подаются на общую шину Ь.Е.т КБ выходного каскада.
&
27
21
&
25
22
ур
26
Рис. 4. Функциональная схема ячейки коммутации КБ выходного каскада
Каждая ячейка КБ промежуточного каскада 12.2.Х (рис. 5) состоит из элемента ИЛИ 28, узла сравнения 29, триггеров 30 коммутации и 31 управления, элемента запрета 32, узла 33 разборки каналов связи, элементов И 34-37.
Рис. 5. Функциональная схема ячейки коммутации КБ промежуточного каскада
На выходе йХ элементов И 14.Х, подготовленных триггерами 13.Х, формируется импульс, который поступает на элементы И 32 и И 37 всех ячеек 12.2.Х, подключенных к соответствующей линии связи С.Х.у. До тех пор пока ячейка коммутации КБ промежуточного каскада
будет занята, нулевое состояние на выходе триггера 13.Х будет блокировать цепи установки триггеров 31 в прямое состояние и цепи формирования сигналов разрешения конфликтов в ячейках 12.2.Х.
Каждая ячейка КБ входного каскада 16ЖУ (рис. 6) состоит из элемента И 39, узла 40 разборки канала связи, элемента ИЛИ 41, узла сравнения 42 и триггера коммутации 43.
44
С
УС
42
41
а
43
і*
39
Рис. 6. Функциональная схема ячейки коммутации КБ входного каскада
Ячейка также содержит элемент И 44, на первый вход которого подаётся потенциал настройки П2, второй вход подключен к инверсному выходу триггера 43, а выход подключен ко входу узла сравнения 42. С прямого выхода триггера коммутации 43 снимается сигнал ОЕ . Ячейка состоит из элемента И 39, на первый вход которого подаётся потенциал настройки П0, а второй вход подключен к инверсному выходу триггера управления 32.
В каждом коммутирующем узле 13.2.Х имеется вход Б.2.Х признака занятости входной координатной шины и выход Е.2.Х занятости ячейки, необходимых для разрешения конфликта при распределении линий связи С.Х.у.
3. Принцип работы коммутатора
На основе предложенных схем коммутационных элементов, которыми являются ячейки и блоки коммутации, можно составить схему многозвенной КС. Самым простым вариантом такой системы является трёхзвенная. Предлагаемая трёхзвенная КС с параллельной настройкой и передачей информации может работать в трех режимах: в режиме установления соединений, при котором производится поиск и фиксация каналов связи, в режиме передачи информации и в режиме разборки каналов связи, ставших ненужными. При этом передача информации может идти совместно с процессом установления соединений и разборки каналов связи.
В начальный момент процесса установления соединений множество команд коммутации, накопившееся к данному моменту, параллельно считывается из буферных ОЗУ 8.М и поступает на свободные информационные выходы системы У^.ш.
Процесс коммутации выполняется за несколько шагов, каждый шаг, в свою очередь, -за два полушага. В течение первого производится поиск каналов связи через блоки 2.У промежуточного каскада к блокам 3.Х входного каскада. На втором - поиск каналов связи для конкретных входов и.х.п в блоках коммутации 3.Х, образование ветвящихся в блоках коммутации 2.У каналов связи с выходами У^.ш, если в подключенных к ним буферных ОЗУ 8.М, хранится одинаковая адресная информация, и фиксация найденных каналов во всех блоках коммутации КС.
На первом полушаге работы среди ячеек 12.2.Х, подключенных к одной линии связи С.Х.у, в которых триггеры находились в прямом состоянии, выбирается только одна, триггер 31 которой перейдет в прямое состояние и останется в этом состоянии до конца работы. Триггер 31 готовит элемент И 34 к прохождению информации на втором полушаге настройки.
На втором полушаге процесса установления соединений системой выполняется подготовительная работа для выполнения следующего шага, которая заключается в сдвиге в сторону старших разрядов содержимого незаблокированных элементами И 7.М регистров сдвига 5.М.
Процесс установления соединений системой будет продолжаться до тех пор, пока не будут найдены каналы связи для всей подпрограммы коммутации, поступившей на информационные выходы из буферных ОЗУ на первом шаге процесса установления соединений. Этот процесс контролируется ЦУУ, на которое подаётся потенциал с выхода элемента И 10.2 КБ выходного каскада.
Процесс передачи полезной информации начинается подачей на вход П4 соответствующего сигнала, информация проходит с входа Ц.Х.К через линию связи С.Х.У, элемент И 35, линию связи Б.У.2, элемент И 26 на выход У.2.М КС.
Сигнал разборки канала связи, соединяющего определённый вход и с определённым выходом и;, поступает по каналу сигнализации. В режиме разборки управляющие сигналы подаются на вход П3 КС и на тот вход и.Х.п, каналы связи от которого необходимо разобрать.
Следующий этап процесса установления соединений начинается по сигналу СИ0 тактового генератора. При этом накопившееся к данному моменту времени множество команд коммутации считывается параллельно из незаблокированных буферных ОЗУ 8.М и поступает на свободные информационные выходы системы У.Е.ш. При этом по уже установленным каналам связи продолжает передаваться информация, а занятые линии связи У.Е.ш, Б^.ш и С.х.у блокируются для передачи настроечной информации на данном этапе процесса установления соединений [3].
Заключение
Использование разработанных функциональных схем коммутационных элементов для построения многозвенных КС позволяет реализовать алгоритм параллельного поиска. Метод параллельного поиска каналов связи заключается в том, что процесс установления соединений происходит на фоне передачи информации, за счёт чего производительность вычислительных систем и пропускная способность сетей передачи данных увеличивается в среднем в 2-3 раза [5]. Полученный метод позволяет также сократить время настройки системы по сравнению с последовательным методом на 99 % (для числа входов КС от 1130 до 4096).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Барабанова Е. А. Применение метода параллельного поиска каналов связи в современных коммутационных системах // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2007. - № 1 (36). - С. 64-67.
2. Барабанова Е. А., Мальцева Н. С. Многокаскадные коммутационные системы с параллельной настройкой // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2007. - № 4-1 (52). - С. 118-121.
3. Пат. на изобретение 2359313. РФ, МПК 006Б 7/00. Трёхкаскадная коммутационная система / Жила В. В., Барабанова Е. А., Мальцева Н. С (ДЦ). - № 2007107780/09; заявл. 01.03.2007; опубл. 20.06.2009; бюл. № 17.
4. Пат. на полезную модель 73568. РФ, МПК Н03К17/04. Ячейка коммутации для многокаскадной коммутирующей системы / В. В. Жила, Н. С. Мальцева, Е. А. Барабанова (ДЦ). - № 2007147277/22; заявл. 18.12.07; опубл. 20.05.08.
5. Дмитриев В. Н., Барабанова Е. А., Мальцева Н. С. Трёхкаскадные коммутационные системы для многопроцессорных вычислительных систем и сетей передачи данных // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. - 2008. - № 5. - С. 168-170.
Статья поступила в редакцию 1.10.2009
SWITCHING ELEMENTS OF SYSTEM WITH PARALLEL ADJUSTMENT
E. A. Barabanova, N. S. Maltseva
The purpose of work is to develop circuits of switching elements of system with parallel adjustment. The objects of the research are switching blocks and switching cells of switching system using parallel search of communication channels. The developed function circuits of switching elements allow to realize algorithm of adjustment of switching system when the process of establishment of connections occurs on the background of the information transfer. The method of parallel search of communication channels, realized in the switchboard, allows to make the process of parallel establishment of connections together with the information transfer due to that capacity of computing systems grows in 2-3 times.
Key words: the switching system, parallel searching, the switching cell, the algorithm, the switching block.
