Разработка коммутационного элемента параллельных пространственных коммутаторов

При реализации различных режимов коммутации значительную роль играют механизмы настройки коммутационных схем. Настройка коммутационной системы – это процесс установления составляющих ее коммутационных элементов в определенные состояния, для того чтобы реализовать необходимые соединения. Чтобы установить необходимые соединения источников и приемников информации в системе пространственной коммутации или передать пакет в системе пакетной коммутации, необходимо изменить состояния некоторых или всех элементов схемы.

Параллельные пространственные системы коммутации обычно реализуются как системы с самонастройкой. В подобных системах ячейки коммутации должны иметь собственное локальное управляющее устройство [1].

Наиболее простой коммутационной ячейкой является схема [2], представленная на рис. 1. Она состоит из элемента сложения по модулю два, RS-триггера и ключевого элемента И.

Данная коммутационная ячейка является элементом коммутации в параллельном коммутаторе, реализующем разовый режим коммутации (рис. 2). Он имеет следующий алгоритм работы.

Режим настройки каналов связи начинается подачей на вход начальной установки сигнала, который поступает на прямые входы триггеров всех коммутационных элементов SE и готовит их к работе.

Рис.1 Коммутационный элемент

Непосредственная настройка начинается подачей настроечных кодов на информационные входы и выходы коммутатора и сигнала, разрешающего настройку на вход разрешения настройки. Настроечные коды поразрядно поступают на входы сравнения коммутационных элементов. Элемент сложения по модулю два в каждом коммутационном элементе выделяет различие в соответствующих разрядах настроечных кодов. Если такое различие обнаружено, то сигнал с выхода элемента сравнения по модулю два сбрасывает триггер и тем самым фиксирует отсутствие канала связи через данный коммутирующий узел. Если в результате анализа настроечных кодов на выходе элемента сравнения по модулю два ни разу не выработался сигнал неравенства разрядов, то триггер остается в прямом состоянии и тем самым фиксирует наличие канала связи в данном коммутационном элементе.

После окончания настройки сигнал с входа разрешения настройки снимается. Для передачи информации через матричный коммутатор на управляющий вход разрешения передачи информации подается сигнал, разрешающий передачу информации.

Описанная выше схемотехническая реализации ячейки коммутации применима только для режима разовой коммутации и может использоваться для организации связи между процессорами в многопроцессорных вычислительных системах, когда список устанавливаемых соединений известен заранее, и исключены конфликты.

В телекоммуникационных системах ячейки коммутации имеют, как правило, более сложную структуру [4]. На рис. 2 представлена ячейка коммутации для много каскадных коммутирующих систем.

Она содержит триггеры 1 и 2, двухвходовый элемент И3, элемент «Сравнение по модулю 2» 4, ИЛИ 5, И 6, И 7, ИЛИ 8 и работает следующим образом: режим идентификации каналов данных начинается подачей на шину П0 потенциала, устанавливающего триггеры 1 и 2 в единичное состояние. Настроечные коды по шинам П3 и П4 поступают поразрядно на элемент «Сравнение по модулю 2» 4.

Элемент «Сравнение по модулю 2» выделяет различие в соответствующих разрядах настроечных кодов, если такое различие обнаружено, то сигнал с выхода элемента 4 сбрасывает триггер 1 и тем самым фиксирует отсутствие канала связи через данный коммутирующий узел.

Если в результате анализа настроечных кодов на выходе элемента 4 ни разу не вырабатывался сигнал неравенства разрядов, то триггер 1 остается в прямом состоянии и тем самым фиксирует наличие канала связи. Режим передачи информации начинается подачей потенциала на шину П1.

П1 – начало передачи информации,

П2 – потенциал разборки каналов данных,

П3, П4 – подача настроечных кодов,

И1, И2, И3, И4 – шины передачи информации.

Рис. 2. Функциональная схема ячейки коммутации

Информационное сообщение в прямом направлении проходит с шины И1 через элемент И6 на шину И2, а в обратном – с шины И3 через элемент И7 на шину И4. Импульс с шины П1 поступает так же на вход установки триггера 2. На его вход сброса через элемент ИЛИ8 подаётся потенциал с инверсного выхода триггера 1. Потенциал с прямого выхода триггера 2 поступает на вход элемента ИЛИ5, тем самым запрещая дальнейшее сравнение поступающих разрядов кодов, а с инверсного – на вход двухвходового элемента И3, блокируя импульс с шины П0 и переводя триггер 1 в инверсное состояние. Ячейка в дальнейшем в переборе свободных каналов данных не участвует.

При параллельной коммутации, если не предпринимать специальных мер, возможна ситуация, когда два входа в один и тот же момент времени пытаются установить соединение к одному выходу. Такая ситуация называется коллизией и приводит к конфликту. Очевидно, что такая конфликтная ситуация может быть разрешена двумя различными способами: либо необходимо отбросить все подобные пакеты, либо выбрать один, которому и предоставить соединение. В первом случае требуется лишь система, способная обнаружить конфликт и блокировать соединение. Во втором случае необходима система приоритетов, которая не только обнаружит конфликтную ситуацию, но и решит какому пакету предоставить соединение.

Разрешение конфликтов может быть возложено на какое-либо устройство внешнего управления, но в этом случае такое управляющее устройство станет «узким» местом системы. Поэтому целесообразно возложить разрешение конфликтов на саму ячейку коммутации, снабдив ее собственным локальным устройством управления.

При достаточно большой длине пакета данных может сложиться ситуация, когда на момент выполнения очередной операции идентификации еще не закончено обслуживание предыдущего требования на установление соединения (то есть еще продолжается передача пакетов). В этом случае требуется предусмотреть систему блокирования задействованных ячеек матрицы коммутации, а также строк и столбцов матрицы, в которых находятся такие ячейки. Незаблокированные ячейки должны быть потенциально доступны для установления следующих соединений.

Таким образом, матрица элементов коммутации является сложной системой и должна выполнять операцию идентификации пакета, производя в каждом своем элементе сравнение идентификатора, содержащегося в заголовке пакета с идентификатором выходного канала системы. Кроме того, матрица должна производить необходимые блокировки строк и столбцов, в случае, когда соединение установлено и разблокировку по внешнему сигналу по окончанию передачи пакета. Еще одной функцией матрицы коммутации является оценка приоритетов при попытке установить соединение к одному и тому же выходу и разрешение конфликта. Для выполнения всех этих функций необходимы элементы коммутации, содержащие локальные устройства управления. Причем элементы коммутации должны выполнять все эти функции совместно, действуя, как единая подсистема параллельной пространственной коммутационной системы.

Коммутационный элемент [5] является в данной системе наиболее сложным звеном. Однако он может быть представлен цифровым автоматом, состоящим из операционной и управляющей частей. В состав операционной части (рис. 3) входят такие узлы как узел сравнения идентификаторов, узел приоритетов и узел коммутации. Узел сравнения идентификаторов служит для сравнения идентификатора, содержащегося в заголовке пакета и идентификаторов, поступающего из блока генерации имен. Узел приоритетов служит для разрешения конфликта, возникающего при попытке установить соединение от двух или более входов к одному выходу. Узел коммутации служит для установления и удержания соединения, в случае если идентификаторы совпали, и узел приоритетов не заблокировал соединение.

Коммутационный элемент имеет следующий алгоритм функционирования. Изначально коммутационный элемент находится в состоянии ожидания сигнала «начало идентификации»

Рис.3 Функциональная схема элемента коммутации параллельных

пространственных коммутационных систем

Если сигнал «начало идентификации» подан, то проверяется, нет ли блокировок столбца (наличия сигнала «блокировка столбца», строки, а также собственной блокировки.

В случае отсутствия этих сигналов выдается сигнал разрешения сравнения идентификаторов в блоке сравнения. Проверка блокировок производится с целью исключения попытки установить соединение в заблокированном столбце. Если же один из сигналов присутствует, то коммутационный элемент переходит в состояние ожидания, то есть в начальное состояние.

Проверяется внешний сигнал «конец передачи идентификаторов» Если сигнал установлен, и устройство сравнения идентификаторов определило совпадение идентификаторов, то выдается сигнал на проверку возможных конфликтов. Иначе коммутационный элемент переходит в состояние ожидания.

Проверяется и разрешается конфликт: определяется приоритет коммутационного элемента, который устанавливает соединение. Устанавливаются сигналы блокировки строки, столбца и собственно соединение.

Ожидается сигнал конец пакета, который переводит элемент коммутации в исходное состояние, снимаются сигналы блокировок.

Параллельные пространственные коммутационные системы, базирующиеся на таких ячейках коммутации позволят сократить время установления соединений и потери, обусловленные занятостью общего устройства управления.

Литература:

1. Дудко, А.Л. Неблокирующие коммутационные схемы / Дудко А.Л.. –М.: ВЦ АН СССР, 1990. –59 с.: ил.

2. Каляев, А.В., Жила В.В.Матричный коммутатор с параллельной настройкой: Описание изобретения к а.с. №1441471

3. Мальцева, Н.С. Коммутационная структура с параллельной идентификацией для многопроцессорных вычислительных систем [Текст]: дис. канд. техн. наук /Мальцева Наталия Сергеевна. – Астрахань, 2008.

4. Пат. №73568. Российская федерация. Ячейка коммутации для многокаскадных коммутирующих систем / Жила В.В., Мальцева Н.С., Барабанова Е.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Астраханский государственный технический университет. - №2007147277; заявл. 18.12.2007; опубл. 20.05.2008, бюл.№14

5. D.Kutuzov, A.Utesheva. Switching Element for Parallel Spatial Systems / International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2011), Proceedings. - Krasnoyarsk: The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Russia Siberia Section of the IEEE Siberian Federal University. The Tomsk IEEE Chapter & Student Branch. The IEEE GOLD Affinity Group SIBCON, september 15−16, 2011, pp. 60 – 62.