_SETI (Сеть на основе нейрочипа), страница 2

Рассмотрим различные предметные области (наборы параметров, описывающих систему), например, системы автоматизации зданий и технологических процессов. Требования, предъявляемые к производительности этих двух управляющих систем, совершенно различны. Из соображений безопасности при автоматизации технологических процессов никогда не производят подключения большого количества узлов к одному сегменту. Очевидно, по этой же причине в Fieldbus-системах, применяемых в этой области, стараются использовать не более 1000 или даже 100 узлов. Но если можно ограничить количество узлов и отказаться от маршрутизаторов (коммутационных узлов), то уровень 3 не нужен, может отпасть необходимость и в уровне 4. Выигрыш огромен: из коммуникационной колонны выпадает несколько интерфейсов, система становится дешевле, повышается ее быстродействие.

При автоматизации зданий хотят, наоборот, иметь по возможности как можно больше узлов. Помимо того пользовательская сеть, объединяющая системы освещения, обогрева и регулировки климата, должна соединяться с системами сигнализации и охраны. При этом важно, чтобы узлы могли обмениваться данными различными путями. Таким образом, уровни 3 и 4 оказываются необходимы.

Приведенные примеры показывают, что модель ISO/OSI не требует интеграции всех семи уровней в реальную систему.

Функции нереализованных уровней можно перенести на другие уровни. Почти все Fieldbus-системы, используемые для автоматизации процессов, имеют всего три уровня, тогда как те, что применяются для автоматизации зданий, имеют по крайней мере пять уровней. LonWorks - одна из немногих Fieldbus-систем, в которой присутствуют все семь уровней. Это объясняется двумя причинами. Первая указана почти во всех изданиях корпорации ECHELON: при универсальности применения LonWorks полностью обеспечивает объединение сетей компьютеров.

Вторая причина упоминается не так часто. Уже сейчас видно, что LonWorks в конечном итоге значительно превзойдет производительность всех существующих Fieldbus-систем. Если на сегодняшний день мы еще не можем автоматизировать все возможные процессы с помощью LonWorks, то уже в недалеком будущем такая возможность представится.

Еще несколько замечаний относительно модели ISO/OSI. Различают два направления коммуникации [рис.1-6]. Коммуникация между некоторым уровнем п и уровнем выше (n +1) осуществляется посредством интерфейса, построенного на основе спецификаций служб. Верхний уровень является «пользователем служб» (SU, Service User), а нижний - их «поставщиком» (SP, Service Provider). Обмен информацией между уровнями осуществляется в точках доступа к службе (Service Access Points, SAP), причем элемент более высокого уровня может обращаться к элементу более низкого уровня. Это важно, если, например, нужно соединить уровни с помощью другого пути, что достигается выбором специальных SAP.

Горизонтальная коммуникация (коммуникация между двумя одинаковыми лежащими напротив друг друга уровнями) осуществляется посредством протокола типа Peer-to-Peer - протокола взаимодействия между элементами сети. Таким образом, на семи уровнях существует семь протоколов.

1.4. 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 [рис1-7], 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 надежности (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 . 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).

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).

1.5. Инструментарий

Одна из наиболее важных причин успеха на рынке Fieldbus-систем –наличие инструментария для их разработки, настройки и сопровождения. Здесь уместно привести классический пример из истории 16-разрядных микропроцессоров. После разработки разными компаниями первых трех моделей анализ их производительности показывал: у 8086 она была очень небольшой, у 68000 – значительно выше, а наибольшую производительность демонстрировал Z8000 со своими чрезвычайно гибким набором регистров. Но именно последний исчез с рынка в первую очередь, 68000 также не смог приблизится по объему продаж к 8086. это объясняется рядом причин, но одна из них стала решающей: фирма Zilog, разработавшая Z8000, не смогла своевременно предложить соответствующий инструментарий. Поэтому компании, представляющие на рынок новые типы микропроцессоров, должны четко представлять себе полную стоимость будущей системы на всех этапах ее существования ( разработка, реализация и сопровождение).

Несомненно, что с появлением NEURON Chip («нейронного чипа»-программно-аппаратный комплекс, предназначенный для разработки и отладки приложений для NEURON Chip) в распоряжение разработчиков поступил необходимый инструментарий – LonBuilder. Echelon не стала повторять ошибок других компаний и не концентрировала вес свои ресурсы на разработке новых версий NEURON Chip. Наоборот, приоритет был отдан разработке нового и улучшению существующего инструментария. Если сравнить результаты достигнутые в этом направлении LON-технологией и другими Fieldbus-системами, то LON значительно опережает все остальные. Так от стандартного аппаратного языка Assembler, компания Echelon перешла к программированию NEURON Chip на языке более высокого уровня NEURON C.

Язык программирования приложения для NEURON Chip (CPU-3) основывается на ANSI-C, является ответвлением языка программирования С. Он был создан для NC и не может применятся для других процессоров.

    В основе построения локальной сети в стандарте LONWORKS лежит применение специализированных гибридных микросхем NEURON Chip в качестве микроконтроллеров узлов локальной сети.

    Микроконтроллер NEURON Chip содержит три 8-разрядных процессора, объединенных внутренней шиной со встроенными блоками общей оперативной и энергонезависимой памяти, а также периферийными устройствами (сетевым коммуникационным портом, таймерами, управляющими регистрами, портами ввода/вывода). Модель NEURON MC143120 также предусматривает использование и внешней памяти хранения программ. Несмотря на архитектурную симметричность внутренних процессоров, функциональное назначение каждого из них строго детерминировано. Два из них управляют сетевой передачей данных на основе многоуровнего сетевого протокола, а один предназначен для обслуживания прикладной части программного обеспечения узла. Синхронизация работы процессоров осуществляется за счет использования общих областей памяти данных. Уникальность адреса каждого из микроконтроллеров стандарта LONWORKS может быть обеспечено благодаря наличию собственного 48-разрядного идентификационного кода, записываемого в энергонезависимую память при их производстве.

    Взаимодействие с внешними устройствами производит процессор прикладного уровня посредством 11-выводного порта ввода/вывода. Функциональное назначение выводов порта может быть задано прикладным программным обеспечением, в зависимости от типов внешних устройств, обслуживаемых микроконтроллером.

     В случае недостаточной вычислительной или функциональной мощности микроконтроллера NEURON Chip для реализации функций узла по взаимодействию с внешними устройствами, в составе узла может быть применен дополнительный микроконтроллер, удовлетворяющий задаче сбора данных или управления. В этом случае порт ввода/вывода может быть использован для связи микроконтроллеров с целью организации обмена данными по параллельному интерфейсу, а сам микроконтроллер NEURON Chip выполняет только коммуникационные функции.

Для реализации сетевых функций микроконтроллера служит 5-выводной коммуникационный порт, управляемый процессором, обслуживающим два нижних уровня сетевого протокола. С целью сопряжения микроконтроллера с физическим каналом связи, к коммуникационному порту подключаются приемопередатчики в соответствии с выбранным типом канала связи.

1.5.1.   Основные характеристики микроконтроллеров NEURON Chip.

    Количество микропроцессоров в кристалле - 3, типа MC143120.

    Уникальный 48-битный код (NEURON ID).