Что такое архитектура с общей шиной

Архитектура системы с общей шиной

dark fb.4725bc4eebdb65ca23e89e212ea8a0ea dark vk.71a586ff1b2903f7f61b0a284beb079f dark twitter.51e15b08a51bdf794f88684782916cc0 dark odnoklas.810a90026299a2be30475bf15c20af5b

caret left.c509a6ae019403bf80f96bff00cd87cd

caret right.6696d877b5de329b9afe170140b9f935

Архитектура распределенной системы промышленной автоматизации на основе общей шины показана на рис. 1.7. Для того, чтобы получить данные из модуля или контроллера, компьютер (или контроллер) посылает в шину его адрес и команду запроса данных. Микропроцессор, входящий в состав каждого модуля или контроллера, сверяет адрес на шине с его собственным адресом, записанным в ПЗУ, и, если адреса совпадают, исполняет следующую за адресом команду. Команда позволяет считать данные, поступающие на вход устройства, или установить необходимые данные на его выходе.

Распределенная система с общей шиной порождает две новые проблемы по сравнению с топологией «точка-точка» (когда соединяются только два устройства, как на рис. 1.1): необходимость адресации устройств и необходимость ожидания в очереди. Добавление адреса в коммуникационный пакет снижает скорость обмена при коротких сообщениях, а обмен по общей шине приводит к тому, что каждое устройство для передачи сообщения должно ждать, когда шина станет свободной. Это замедляет скорость обмена между устройствами по сравнению с топологией «точка-точка». Задержка в сетях с большим количеством устройств становится существенным ограничением на применение топологии с общей шиной [Kim] в некоторых приложениях, в частности, в случае ПИД-регулирования, когда задержка в сети ограничивает тактовую частоту работы контура регулирования. Для таких случаев используют локальные подсети или локальные технологические контроллеры.

image008
Рис. 1.7. Пример архитектуры распределенной системы сбора данных и управления на модулях RealLab! Расшифровку обозначений см. во введении к разделу «Разновидности архитектур» и «Требования к архитектуре».

Распределенные системы позволяют решить также следующую проблему. С ростом количества датчиков в системе, показанной на рис. 1.1, увеличивается число и суммарная длина проводов, соединяющих датчики с устройством ввода. Это приводит не только к росту стоимости кабельного оборудования, но и к проблемам, связанным с электромагнитными наводками, особенно если датчики распределены по большой площади (например, в промышленной теплице датчики распределены по площади около 6 Га, а в элеваторе число датчиков достигает 3. 5 тыс. шт.). В распределенной системе модули ввода-вывода изготавливаются с небольшим количеством входов (обычно от 1 до 16), а сами модули располагаются вблизи места установки датчиков. Увеличение количества датчиков (входов) достигается путем наращивания числа модулей и объединения их с помощью общей шины. Это сокращает общую длину проводов в системе, а также длину проводов с аналоговыми сигналами.

Связь отдельных устройств в распределенной системе может осуществляться с помощью любой промышленной сети, см. раздел»Промышленные сети и интерфейсы». Наиболее распространены в России сети Profibus, что связано с популярностью изделий фирмы Siemens, а также сети Modbus с физической шиной RS-485 благодаря распространенности модулей и контроллеров фирм ICP DAS, Advantech и НИЛ АП. За последние годы стремительно возросло количество используемых сетей Ethernet (точнее, Industrial Ethernet) в качестве промышленных сетей при скорости передачи 10, 100 и 1000 Мбит/с.

Некоторые модули ввода-вывода, входящие в состав распределенных систем, позволяют по команде из компьютера выполнять функции автоматического регулирования (например, модули NL-8TI, NL-16AI фирмы НИЛ АП). Для этого в них посылают значение уставки и параметры ПИД-регулятора (пропорциональный, дифференциальный и интегральный коэффициенты), затем команду запуска процесса регулирования. Наличие ПИД-регулятора в модулях распределенной системы позволяет осуществить локальное регулирование (например, поддержание стабильной температуры в камере тепла и холода), разгрузив общую шину для выполнения других задач.

640 1

Распределенные системы строятся, как правило, из коммерчески доступных компонентов (ПЛК, модулей ввода-вывода, датчиков, исполнительных устройств). Однако для однотипных тиражируемых систем может быть выгодно строить специализированные системы, состоящие из полностью заказных (вновь спроектированных) аппаратных и программных средств [Garcia]. Граница целесообразности такого подхода определяется объемом выпуска изделий.

Программирование распределенных систем автоматизации выполняется стандартными средствами, рассмотренными в разделе»Программное обеспечение».

Источник

С общей шиной

В комплексах с общей шиной проблема связей всех устройств между собой решается крайне просто: все они соединяются общей шиной, выполненной в виде совокупности проводов или кабелей, по которым передаются информация, адреса и сигналы управления (рис. 17.1 а). Интерфейс является односвязным, т.е. обмен информацией в любой момент времени может происходить только между двумя устройствами. Если потребность в обмене существует более чем у двух устройств, то возникает конфликтная ситуация, которая разрешается с помощью системы приоритетов и организации очередей в соответствии с этим. Обычно функции арбитра выполняет либо процессор, либо специальное устройство, которое регистрирует все обращения к общей шине и распределяет шину во времени между всеми устройствами комплекса.

Читайте также:  Стартер на чайзере предохранитель

image001

2. С перекрестной коммутацией

Мультипроцессорные системы, построенные по принципу осуществления связей между модулями посредством «прямоугольной решетки» соединительных шин, которые могут контактировать в любой точке их пересечения, называют системами с перекрестной коммутацией (рис 17.2).

image002

Такая организация системы позволяет устанавливать контакт между любыми двумя блоками системы на все время обмена информацией. В отличие от коммутации с временным разделением, реализуемым в системах с общей шиной, рассматриваемый метод переключения связей часто называют коммутацией с пространственным разделением.

Перекрестный коммутатор является «неблокирующимся» в том смысле, что передача через него может быть запрещена из-за отсутствия путей передачи. Существует возможность установить одновременно несколько путей передачи информации в системе. В то же время следует иметь в виду, что коммутатор может быть заблокирован, если одно из соединяемых устройств уже занято.

Одной из ранних структур, в которой реализован принцип перекрестной коммутации, явилась система, получившая название «полиморфная ЭВМ» (рис. 17.3). Модули ЭВМ, включающие блоки процессоров и памяти, могли осуществлять связь с периферийными устройствами через центральный коммутатор.

image003

В данной системе была сделана попытка организовать соединения непосредственно между процессорами и перекрестный доступ к памяти путем замыкания соответствующего набора пересечений. Сложность такого способа связи между процессорами и блоками памяти, неэффективность использования оборудования (процессор и память одного единственного модуля, имея единственную шину связи, «мешают» друг другу) выявляют недостатки структуры «полиморфной ЭВМ» по сравнению со структурой системы, приведенной на рис. 17.3.

Мультипроцессорные системы с перекрестной коммутацией, обладая несколько меньшей гибкостью, чем системы с общей шиной, позволяют тем не менее сравнительно просто вводить новые модули, если коммутационная матрица обладает достаточной емкостью. Матрица полностью отделена от других функциональных блоков и может быть построена также но модульному принципу, что допускает ее расширение. Однако вследствие сложности функций коммутатора, структура его может существенно усложниться.

Для обеспечения большей гибкости и увеличения возможностей по расширению в системе может быть введена дополнительная коммутационная матрица устройств ввода-вывода. Такой коммутатор связывается с центральным через процессоры управления вводом-выводом (рис. 17.4), при этом устройства ввода- вывода могут подсоединяться к любому каналу. Рассмотренная структура мультипроцессорных систем используется в больших вычислительных системах фирмы «Burroughs» (США).

image004

edugr4

image005

Мультипроцессорными системами с перекрестной коммутацией, кроме уже упомянутых зарубежных ЭВМ, являются отечественная вычислительная система высокой производительности «Эльбрус-1» и вычислительный комплекс СМ-2-одна из моделей СМ ЭВМ.

Рассмотрим подробнее структуру вычислительного комплекса СМ-2 (рис. 17.6). В этой системе используется модульная структура коммутатора. Восьмиканальный (КМР-8) и четырех- канальный (КМР-4) коммутаторы обеспечивают внутрисистемные связи между устройствами данного ВК. На их основе строится общий распределенный коммутатор, с помощью которого реализуется полная матричная коммутация каждого процессора и канала прямого доступа в память (КПДП) с каждым устройством оперативной памяти (УОП) и согласователем ввода-вывода (СВВ), выполняющим роль контроллера.

image006

Канал прямого доступа в память является устройством, обеспечивающим быстрый обмен информацией между УОП и периферийными устройствами. Он выполняет операции ввода-вывода независимо от процессора. Взаимное влияние этих устройств проявляется только при попытке одновременного обращения к одному и тому же модулю памяти. При этом приоритет предоставляется каналу, а работа процессора задерживается на время одного цикла обращения к памяти. Обмен информацией с устройствами, подключенными непосредственно через КПДП, может осуществляться со скоростью до 1100000 байт/с. Канал может одновременно обслуживать одно устройство, подключенное непосредственно через КПДП, пли не более четырех устройств ввода-вывода, подключенных через СВВ. В последнем случае скорость обмена меньше л составляет до 550 000 байт/с.

Согласователь ввода-вывода имеет 16 выходов на интерфейс позволяет через один блок подключать до 16 периферийных устройств. С помощью КМР-4 СВВ подключается к процессорам и КПДП.

Рассмотрение структуры вычислительного комплекса СМ-2 позволяет еще раз отметить основные достоинства мультипроцессорных систем с перекрестной коммутацией, в которых обмен информацией возможен одновременно по нескольким путям передачи данных. При этом эффективная скорость передачи может быть выше, чем, например, в системе с временным разделением общей шины, так как контакт устанавливается между взаимодействующими модулями на все время обмена информацией. Благодаря такой системе организации связей не возникают проблем при параллельной работе процессоров. В мультипроцессорной системе с перекрестной коммутацией упрощаются интерфейсы отдельных блоков, поскольку адресация данных и разрешение конфликтов, возникающих при обращении к одному модулю от нескольких источников, осуществляется логикой коммутационной матрицы.

Возникновение конфликтов в коммутационной матрице является в то же время основной причиной снижения эффективности мультипроцессоров с перекрестной коммутацией. Задержки доступа к памяти, вызванные тем, что она используется другими процессорами или устройствами ввода-вывода, снижают быстродействие процессоров и, следовательно, системы в целом.

Читайте также:  Хонда срв 1996 года ремонт акпп

В МПВК с перекрестной коммутацией нет конфликтов из-за связей, остаются только конфликты из-за ресурсов. Возможность одновременной связи нескольких пар устройств позволяет добиваться очень высокой производительности комплекса. Важно отметить и такое обстоятельство, как возможность установления связи между устройствами на любое, даже на длительное время, так как это совершенно не мешает работе других устройств, зато позволяет передавать любые массивы информации с высокой скоростью, что также способствует повышению производительности комплекса. Заметим, что в МПВК с общей шиной передача информации массивами, т.е, занятие шины одной парой устройств на длительный отрезок времени, обычно допускается лишь в крайних случаях, так как это приводит к длительным простоям остальных устройств.

Кроме того, к достоинствам структуры с перекрестной коммутацией можно отнести простоту и унифицированность интерфейсов всех устройств, а также возможность разрешения всех конфликтов в коммутационной матрице. Важно отметить и то, что нарушение какой-то связи приводит не к выходу из строя всего комплекса, а лишь к отключению какого-либо устройства, т.е. надежность таких комплексов достаточно высока. Однако и организация МПВК с перекрестной коммутацией не свободна от недостатков.

Для того чтобы упростить и удешевить ВК, коммутацию устройств осуществляют с помощью двух и даже более коммутационных матриц. Перекрестная коммутация довольно широко используется при построении ВК, в частности практически всех МПВК фирмы «Барроуз» (в том числе и упомянутого выше комплекса D-825).

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

По числу и структуре шин для передачи команд и данных различают одно- и двухшинную МПС.

Архитектуру микропроцессорной системы с общей, единой шиной для данных и команд, называют одношинной (или принстонской, фон-неймановской). В составе системы в этом случае присутствует одна общая память, как для данных, так и для команд (рис. 16.8, а).

940

Рис. 16.8. Архитектура с общей шиной данных и команд (а) и с раздельными шинами данных и команд (б)

Архитектуру микропроцессорной системы с раздельными шинами данных и команд называют двухшинной (или гарвардской). Она предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и отдельной памяти для команд (рис. 16.8, б). Обмен процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине.

Архитектура с общей шиной используется гораздо чаще, например в персональных компьютерах и в сложных микрокомпьютерах. Архитектуру с раздельными шинами применяют в основном в однокристальных микроконтроллерах. Рассмотрим некоторые достоинства и недостатки обоих архитектурных решений.

Архитектура с общей шиной проще, она не требует от процессора одновременного обслуживания и контроля обмена по двум шинам. Наличие единой памяти данных и команд позволяет гибко перераспределять ее объем между кодами данных и команд. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайтов). Это позволяет решать самые сложные задачи.

Архитектура с раздельными шинами данных и команд сложнее, она заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно. Программа может размещаться только в памяти команд, данные — только в памяти данных. Такая узкая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти. Память данных и память команд, как правило, в этом случае имеют малый объем, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничено решением несложных задач.

Преимущество архитектуры с двумя шинами заключается в получении большего быстродействия МПС.

При единой шине команд и данных процессор вынужден по одной этой шине принимать данные (из памяти или УВВ) и передавать данные (в память или в УВВ), а также читать команды из памяти. Так как пересылки кодов по магистрали происходить одновременно не могут, то они производятся по очереди. Повышение тактовой частоты и совершенствование структуры процессоров дают возможность сократить время выполнения команд. Но дальнейшее увеличение быстродействия системы возможно только при совмещении пересылки данных и чтения команд, т.е. при переходе к архитектуре с двумя шинами.

Для двухшинной архитектуры обмен по обеим шинам может быть независимым, параллельным во времени. Структуры шин (число разрядов кода адреса и кода данных, порядок и скорость обмена информацией и т.д.) выбирают оптимально для той задачи, которая решается каждой шиной. Поэтому при прочих равных условиях переход на двухшинную архитектуру ускоряет работу МПС, хотя и требует дополнительных затрат на аппаратуру и усложнение структуры процессора. Память данных и память команд в этом случае имеют свои распределения адресов.

Источник

Шинная архитектура ЭВМ

Лекция 12.

Появление интегральных микросхем (ИМС) привело к существенному росту быстродействия процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри информации и медленной работой устройств ввода/вывода в большинстве схем содержащих механические движущиеся части.

Читайте также:  Фото техника наложения шин при

Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специализированным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы называются контроллер внешнего устройства (или просто контроллер).

Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора, который получает возможность выполнять программу дальше.

image091image093

Общая шина (магистраль) состоит из:

o шины данных, по которой передается информация;

o шины адреса, определяющая, куда передаются данные;

o шины управления, управляющая процессом обмена информацией.

Существуют модели ЭВМ, у которых ШД и ША объединены для экономии. У таких машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое время данные, при этом сигнал по шине управления определяет что сейчас передается по шине.

Схему, построенную по шинной архитектуре, легко пополнять новыми устройствами — это свойство называют открытостью архитектуры.

Видеопамять — новый вид памяти, по сравнению с архитектурой Неймана, его появление связано с разработкой особого устройства вывода — дисплея. Для получения на экране монитора стабильной картинки ее надо где-то хранить. Для этого и нужна видеопамять.

При шинной архитектуре процессор перестал быть центром структуры, поэтому стало возможна передача данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот без участия процессора. Такой режим называется прямым доступом к памяти (ПДП). Для его реализации используются специальный контроллер (контроллер ПДП).

Помимо центрального процессора в компьютере может быть специализированные процессоры для вычисления с плавающей запятой, так называемые математические сопроцессоры, видеопроцессоры и т.д.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Вычислительные системы с открытой архитектурой

Такая архитектура позволяет свободно подключать любые периферийные устройства, что обеспечивает свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2.

image027

Рис. 2. Архитектура компьютера открытого типа

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который проявлялся все больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компьютера с общей и локальной шинами приведена на рис. 3.

image029

Рис. 3. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой.

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера.

Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Оцените статью
Adblock
detector