Файл: Определение и задачи распределенной системы (ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ).pdf

Мультикомпьютерные операционные системы

Мультикомпьютерные операционные системы обладают гораздо более разнообразной структурой и значительно сложнее, чем мультипроцессорные. Единственно возможным видом связи между компонентами системы является передача сообщений (нет общей памяти). Типичная организация мультикомпьютерной операционной системы представлена на рисунке:

Каждый узел имеет свое ядро, которое управляет локальными ресурсами. Кроме того, каждый узел имеет отдельный компонент для межпроцессорного взаимодействия, то-есть в данном случае посилки сообщений на другие узлы и прием вообщений от них.

Поверх каждого локального ядра лежит уровень программного обеспечения общего назначения, реализхующий операционную систему в виде виртуальной машины, поддерживающей параллельную работу над различными задачами.

Мультикомпьютерные системы могут предоставлять приложениям средства совместного использования памяти, а могут и не предоставлять, ограничиваясь средствами передачи сообщений. [10]

Системы с распределенной разделяемой памятью

Существует большое число разработок, направленных на решение вопроса эмуляции совместно используемой памяти на мультикомпьютерных системах. Один из распространненных подходов - задействовать виртуальную память каждого отдельного узла для поддержки общего виртуального адресного пространства - распределенная разделяемая память (Distributed Shared Memory, DSM) со страничной организацией.

В системе с DSM адресное пространство разделено на страницы (типичный размер - 4 Кб, 8Кб), распределеные по всем узлам системы. Когда процессор адресуется к памяти, которая не является локальной, происходит прерывание, операционная система перемещает страницу в локальную память и перезапускает выполнение инструкции, вызвавшей прерывание.

Одно из улучшений данного подхода состоит в том, чтобы реплицировать на все узлы те страницы памяти, которые не изменяются (содержат код программы, значения констант и т.д.)

Возможна также репликация и не закрытых от записи страниц, до тех пор, пока не происходит запись никакой разницы между репликацией страниц доступных только для чтения и страниц доступных для записи нет. Однако, как только какая-то страница изменяется, все остальные ее копи должны обьявляться невалидными, иначе будет нарушена целостность данных в системе.

Также при построении DSM систем важно правильно выбрать размер страниц памяти, используемых системой. Затраты на передачу страницы по сети в первую очередь определяюся затратами на подготовку к передаче, а не размером страницы. Таким образом можно повысить производительность увеличив размер страницы. олднако при этом увеличивается вероятность того, что страница памяти будет содержать данные двух различных процессов, выпорлняющихся на разных узлах. В результате операционная система будет вынуждена постоянни пересылать эту страницу он узла к узлу:

2.2.Распределенная система сбора данных и управления серии NL

Отечественными аналогами модулей семейства ADAM-40xx и, естествен­но, полностью с ними совместимыми, являются модули ввода-вывода аналого­вых сигналов распределенной системы данных и управления серии NL научно­исследовательской лаборатории автоматизации и проектирования (г. Таганрог) совместно с ЗАО «Спектрон» (г. Тольятти). Эти модули выпускаются согласно ТУ 4252-002-24171143-03.

Модули серии NL являются интеллектуальными (микропроцессорными) компонентами распределенной ССД. Эти модули реализуют следующие функ­ции:

а) аналого-цифровое преобразование;

б) цифро-аналоговое преобразование;

в) ввод-вывод дискретных сигналов;

г) счет импульсов;

д) измерение частоты преобразования;

е) преобразование интерфейсов.

Данные модули применяются при построении эффективных систем управ­ления производственными процессами, которые будут использоваться в жестких эксплуатационных условиях. [5]

Модули могут соединятся между собой, а также с управляющим компью­тером или контроллером при помощи промышленной сети посредством после­довательных интерфейсов (RS-232, RS-485). Управление модулями реализовы­вается с помощью набора команд в ASCII кодах. Все модули имеют режим про­граммной калибровки и могут быть использованы в качестве средств измерений.

У модулей нет механических переключателей. Все настройки выполняют­ся программно с помощью управляющего компьютера (контроллера). Програм­мно можно установить следующие параметры:

а) диапазон измерения;

б) формат данных;

в) адрес модуля;

г) скорость обмена;

д) наличие бита контрольной суммы;

е) параметры калибровки.

Эти параметры записываются в ЭП ПЗУ и сохраняются при выключении питания. Некоторые модули имеют светодиодный или жидкокристаллический дисплей (рисунок 1.9), это дает возможность контроля технологических пара­метров прямо в месте установки модуля, а не на управляющем компьютере.

Все модули содержат сторожевых таймера, первый - супервизор пере­запускает модуль в случае его «зависания» или провалов напряжения питания, второй - watch dog переводит выходы модуля в безопасные состояния при «за­висании» управляющего компьютера.

Набор команд модулей содержит 20-50 разнообразных команд, которые передаются в стандартных ASCII кодах. Это позволяет программировать их с помощью практически любого языка программирования высокого уровня. Мо­дули выполнены с целью применения в жестких условиях эксплуатации (темпе­ратура окружающего воздуха - 40 до +70°С). Они имеют гальваническую изоля­цию с испытательным напряжением изоляции 2,5 кВ (ГОСТ 12997-84).

Основные достоинства модулей NL состоят в том, что они полностью со­ответствуют стандартам РФ, имеют низкое энергопотребление, обеспечивают функции ввода-вывода, что позволяет использовать их в качестве локальных технологических контроллеров. Усиление модулей регулируется программно в широких пределах, обеспечивая работу с различными периферийными устрой­ствами. Техническая поддержка модулей выполняется на русском языке.

Модули серии NL могут объединяться в сеть на основе последовательных интерфейсов RS-ххх, в которой могут быть использованы одновременно и моду­ли других производителей (ADAM, ICP, NuDAM и другие).

В состав серии NL входят следующие основные модули: NLcon-lAT - про­граммируемый логический контроллер, модули ввода-вывода (4, 8 и 16 аналого­вых и цифровых каналов), NL-2C - модуль счетчика-частотомера, конверторы и повторители (ретрансляторы) интерфейсов и другие.

Структурная схема модуля NL-8TI.

Сигналы с входа модуля подаются на вход АЦП посредством аналогового коммутатора (мультиплексора) и преобразуются в цифровой код. У АЦП есть встроенный цифровой фильтр и усилитель с цифроуправляемым коэффициентом усиления. Это позволяет программно изменять полосу пропускания модуля и диапазон входных напряжений. Число разрядов АЦП уменьшается при увеличе­нии усиления. Поэтому при работе с различными периферийными устройствами коэффициент усиления может быть подобран индивидуально.

Цифровой сигнал с выхода АЦП через модули гальванической развязки поступает в микроконтроллер и далее - на выход модуля NL-8TI. Тем самым обеспечивается полная гальваническая изоляция входов от блока питания и ин­терфейсной части.

Управляющий микроконтроллер модуля выполняет следующие функции:

а) осуществляет команды, идущие из управляющего компьютера;

б) выполняет обработку сигналов с периферийных устройств (компенсация нелинейности, калибровка и прочее);

в) реализует протокол обмена через требуемый интерфейс RS-485.

Интерфейс RS-485 реализован на стандартных микросхемах фирмы Analog

Devices. Эти микросхемы удовлетворяют стандартам EIA для интерфейсов RS- 485 и RS-422 и имеют защиту от электростатических зарядов, от выбросов на линии связи, короткого замыкания и перенапряжения. Дополнительно в модуле использована позисторная защита от перенапряжения на клеммах порта RS-485. Аналогичная защита использована для входа источника питания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время распределенные системы сбора данных являются весь­ма перспективным направлением автоматизации различных систем и технологи­ческих процессов. Измерительные модули этих систем максимально приближе­ны к объекту измерений, системы легко масштабируются и модифицируются. Поэтому разработка недорогих функциональных модулей для таких систем яв­ляется весьма актуальной задачей.

Исследование принципов построения и технических характеристик преци­зионных модулей ввода аналоговых сигналов показал, что имеется устойчивая тенденция по снижению их энергопотребления. Одним из направлений решения этой задачи является использование управляющих МК с пониженным напряже­ния питания. Однако это порождает проблему согласования уровней сигналов МК и разнообразной периферии, имеющей в общем случае различные уровни питающих напряжений.

Распределенная система — это набор независимых компьютеров, представляющийся их пользователям единой объединенной системой. В этом определении рассматриваются два момента. Первый относится к аппаратуре: все машины автономны. Второй касается программного обеспечения: пользователи считают, что имеют дело с единой системой. Pрассмотрим некоторые базовые вопросы, касающиеся как аппаратного, так и программного обеспечения. Одна из характеристик распределенных систем состоит в том, что от пользователей скрыты различия между компьютерами и способы связи между ними. То же самое относится и к внешней организации распределенных систем. Другой важной характеристикой распределенных систем является способ, при помощи которого пользователи и приложения единообразно работают в распределенных системах, независимо от того, где и когда происходит их взаимодействие. Распределенные системы должны относительно легко поддаваться расширению, или масштабированию. Эта характеристика является прямым следствием наличия независимых компьютеров, но в то же время не указывает, каким образом эти компьютеры на самом деле объединяются в единую систему. Распределенные системы обычно существуют постоянно, однако некоторые их части могут временно выходить из строя. Пользователи и приложения не должны уведомляться о том, что эти части заменены или исправлены или что добавлены новые части для поддержки дополнительных пользователей или приложений.