Сеть на основе нейрочипа

Сеть на основе нейрочипа

Министерство общего и профессионального образования

Московский Энергетический Институт

филиал в городе Смоленске

Кафедра вычислительной техники

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по курсу

"Сети ЭВМ и средства коммуникации"

на тему

«Сеть на основе нейрочипа»

| |гр. ВМ1-97 |

| |студент: Вальков К.Г. |

| |преподаватель: Аверченков О.Е. |

г. Смоленск 2000г.

Аннотация

Автор: Вальков Константин Георгиевич, Группа ВМ1-97, Смоленский филиал

Московского Энергетического Института, кафедра Вычислительной техники.

Данная работа включает в себя : 20 страниц теоретического введения, 4

страницы описания разработки системы и 6 страницы анализа разработки. В

пункт приложения входят три модуля : документированный текст программы,

схема принципиальная - электрическая , техническое задание.

Название работы : «Обработка информации поступающей с аэродинамических

датчиков (датчики анализа скорости ветра) и передача поступающей информации

по сети в ЭВМ, сеть реализовать на основе нейрочипа».

Количество страниц: 47

рисунков: 7

приложений: 3

Содержание: Данная расчетно-пояснительная записка является результатом

проведенного анализа работы нейрочипа с последующей реализацией сети на его

основе и выводами результативности его применения в данном случае.

Результатом является схема и программная реализация работы сети на основе

нейрочипа для подсчета скорости ветра и в случае превышения некоторого

порога (скорость ветра 50м/с ) передача сигнала на центральную ЭВМ.

1. Введение

1.1. Причины и последствия объединения компьютеров в сеть

Для того, чтобы максимально эффективно использовать вычислительные

ресурсы компьютеров, их необходимо объединить в сеть. Задолго до того, как

появился микропроцессор, большие вычислительные системы объединяли с

помощью телеграфных линий связи. Однако бурное развитие компьютерных сетей

началось только с появлением LAN (Local Area Network), когда использование

компьютера небольшими фирмами стало экономически обоснованным. С появлением

возможности объединять LAN в WAN (Wide Area Network) специалисты начали

думать об осуществлении идеи полной автоматизации производства - CIM

(Computer Integrated Manufacturing). Однако несмотря на падение цен на

микропроцессоры и оперативную память, идея полностью автоматизированного

предприятия в то время так и не осуществилась.

LON (Local Operating Network) предназначена именно для автоматизации

производства.

До XVIII века создавали только механические станки и применяли

осязаемые виды энергии. Одной из важнейших предпосылок промышленной

революции явились открытия в области физики, например преобразование

энергии из одного вида в другой, которое позволило привести в действие

ткацкий станок с помощью пара и заставило двигаться автомобиль. Таким

образом, появилась возможность ограничить использование людей в качестве

рабочей силы и все больше заменять их труд машинами. Следствием этого стало

развитие крупных предприятий.

Наше время - время информационных технологий. Мы все больше и больше

учимся обрабатывать информацию с помощью машин, хранить, передавать и

распределять ее. Телефонная сеть, персональный компьютер, радио, Интернет -

примеры того, как изменился мир благодаря информационным технологиям.

Компьютер и компьютерные сети все чаще применяются для автоматизации

производственных процессов. Fieldbus-системы, которые представляет и LON,

могут стать существенной составной частью будущих сетей, базисом для

разработок, которые в ближайшем будущем приобретут большую значимость. Идея

СIМ стала особенно привлекательной сейчас, когда стало известно, каким

образом можно объединить датчики и исполнительные механизмы «в поле» (от

англ. «in the field», имеется в виду термин Fieldbus - полевая шина), не

прибегая к большим затратам. Еще несколько лет назад автомобили имели от 20

до 50 датчиков и исполнительных механизмов; через несколько лет, по нашим

оценкам, их число должно значительно возрасти -до 500 и более. То же самое

будет происходить в области автоматизации систем зданий, домашнего

хозяйства, промышленности и т. д.

Итак, объединение компьютерных систем управления в сеть может быть

экономически эффективно на основе Fieldbus-технологии.

До сих пор взгляд человека на организацию окружающего его мира носит

ярко выраженный центристский характер. Для многих фирм, партий и т.д.

характерна жесткая иерархическая структура. Этот подход привносится и в

область управления техникой. О том, что иерархическая структура не

оптимальна, известно давно. Это должно натолкнуть нас на мысль, что нужно

стремиться к децентрализации технологических процессов.

LON создается без использования традиционных PLC (Programmable Logic

Controller) -контроллеров с программируемой логикой. Основная идея LON

заключается в наиболее децентрализованном распределении интеллекта на

основе новых концепций.

1.2. Управление техническими процессами

1.2.1. Классический подход

Для управляющих систем традиционна централизованная структура . Исходя

из централизованноcти системы, управляющее вычислительное устройство

запрашивает данные датчиков или приборов и после обработки возвращает их

обратно. Датчики, как и исполнительные механизмы, не обладают интеллектом.

Более современная структура включает в себя концентраторы , которые

заменили длинные параллельные линии передачи данных. Преимущества такого

подхода известны: улучшенная электрическая совместимость, более простое

формирование соединений, низкая стоимость линий передачи данных, экономия

на клеммах и т. д. Однако возникают трудности, связанные с переходом от

одних принципов передачи данных к другим, так как во многих случаях

отсутствует совместимость ряда параметров. Результатом этого становится

усложнение управляющей станции. С появлением интегральных микроэлементов

широкое распространение получили контроллеры с программируемой памятью,

прошедшие стандартизацию в условиях эксплуатации. Причем с развитием

микропроцессорной техники цены на аппаратное обеспечение резко снизились.

Тем временем обозначилась новая тенденция - замена контроллеров с

программируемой памятью промышленными персональными компьютерами, которые

обладают рядом преимуществ. Во-первых, они позволяют применять более

доступное по цене аппаратное обеспечение; во-вторых, можно разработать

простое в применении и недорогое программное обеспечение, которое

поставляют различные фирмы, постоянно совершенствуя его. Значительно реже

возникает необходимость самостоятельной разработки и обслуживания.

Единственной проблемой может быть выбор подходящих программ реального

времени, предлагаемых рынком в достаточном количестве.

1.2.2. Децентрализованный подход

С некоторого времени получили широкое распространение шинные системы,

в частности Fieldbus-системы, которые по сравнению с концентраторами данных

экономически более выгодны. Fieldbus-системы представляют собой новую

технологию, которая предлагает новый образ мышления при системном

проектировании. Узлы Fieldbus-системы могут децентрализованно использовать

интеллект для управления, регулирования и контроля. В предельном случае это

может быть система с полным отсутствием центрального управления

(функции контроллеров с программируемой памятью, очевидно,

распределяются между различными узлами сети, такими как датчики,

исполнительные механизмы и устройства индикации). То, что данный подход

позволяет мыслить совершенно иначе, понятно на таком примере.

Представим себе стаю уток, летящих в форме треугольника . Если они

управляются централизованно, то «центральный компьютер» постоянно должен

рассчитывать траекторию полета для каждой утки. Если хотя бы одна из них

будет застрелена охотником, то компьютер с помощью соответствующего

алгоритма, должен будет снова заполнить образовавшееся пустое пространство,

изменив траекторию полета остальных уток. Естественно, для такой сложной

системы, как центральный компьютер. подобный алгоритм реализовать непросто.

Предположим теперь, что утки объединены в сеть посредством некой

Fieldbus-системы. Теперь требуется лишь задать каждой утке угол, под

которым она должна лететь по отношению к впереди летящей, и расстояние до

нее. Если какая-либо из уток будет застрелена, то система относительно

быстро восстановится сама и для заполнения пустого пространства не

потребуется каких-либо дополнительных затрат. Интеллект каждой утки в этом

случае может быть относительно невысоким.

Само собой разумеется, что и в центрально-ориентированную систему

могут быть встроены простые параллельные процессы, как это сделано в

Fieldbus-системах. Однако такое решение 'при разработке центрально-

ориентированной системы не напрашивается. Центрально-ориентированная

система «принуждает» разработчика думать централизованно, строя сложные

алгоритмы. К тому же в центрально-ориентированной системе всегда

используются дорогостоящие многозадачные пользовательские системы,

требующие больших затрат на разработку и обслуживание. Устройства Fieldbus-

систем, наоборот, применяют в больших количествах, поэтому себестоимость их

производства весьма мала.

3. Информационный обмен как основа распределенных систем

1. Иерархия системы

Объединение систем компьютеров в сеть приобретает настолько сложный

характер, что плоская архитектура сети теряет всякий смысл. Во всех

областях автоматизации предпочтение отдается сетям с вертикальной иерархией

систем, в которых на каждом уровне можно реализовать логически обособленный

набор функций. Рассмотрим пятиуровневую модель некоего автоматизированного

производства [рис.1-4]. Слева от нее находится сеть, с помощью которой

можно упорядочить уровни. Понятно, что количество уровней и их вид зависят

от набора параметров, определяющих конкретную систему. При автоматизации

систем зданий эта схема выглядит совсем не так, как в случае системы

управления технологическими процессами. Разумеется, от начальных условий

(набора функций для конкретного уровня) зависит, какая сеть и на каком

уровне будет использована, - практика заставляет думать более гибко.

[pic]

В основе терминологии, принятой в этой книге, лежит следующее правило:

исходя из общепринятого определения LAN (например, IEEE 802.3), все сети,

находящиеся иерархически ниже, должны называться FAN (Fieldbus Area

Networks). He должно проводиться разделения на «шины датчиков и

исполнительных механизмов», «мультиплексные шины» и т. д., так как основным

поводом для него служат маркетинговые интересы. Иерархически вышестоящими

по отношению к LAN следует считать WAN, связывающие LAN между собой, а в

определенных случаях и FAN (например, при прямом соединении LonWorks сетей

ISDN). Для полноты картины назовем GAN - так называемые глобальные

спутниковые сети, находящиеся иерархически выше WAN.

2. Семиуровневая модель ISO/OSI

Для описания сетевого взаимодействия Международная организация по

стандартизации ISO (International Organisation for Standardisation)

разработала модель сетевого объединения компьютеров (в то время речь шла

прежде всего об объединении с помощью WAN и LAN), которая была названа OSI

(Open System Interconnection, в русской терминологии - модель

взаимодействия открытых систем). Встречается и полное название - модель

ISO/OSI. Принцип, который лег в ее основу, был относительно прост. Все

необходимые коммуникационные функции были собраны и упорядочены в рамках

семиуровневой иерархической модели. При меньшем количестве уровней

разбиение на модули не дает преимуществ. Большее количество уровней

нежелательно, так как существующий между ними интерфейс приводит к так

называемым вертикальным издержкам - непроизводительным затратам системных

ресурсов. Исходя из этих соображений и было выбрано магическое число семь.

Когда разрабатывали стандарт ISO/OSI, меньше всего думали о функциях

реального времени и не предвидели появления Fieldbus-систем. Несмотря на

это, позже модель ISO сочли подходящей для спецификации и описания.

Поскольку она положена в основу большинства существующих систем,

вырабатывается общий образ мышления, возможно, отчасти сглаживающий ее

недостатки.

Все физические и механические параметры модели определяются на нижнем

уровне, который является передающим. На более высоких уровнях определяется

способ доступа к шине, описывается составление кадров данных и

осуществление их защиты при передаче (связь абонентов типа «точка-точка»).

Если между двумя устройствами установлено соединение, то при этом

образуются как минимум две связи типа «точка-точка», которые могут быть

совершенно различными.

На уровне 3 выполняется маршрутизация, то есть выбор пути. В

телефонной сети на этом уровне осуществляют связь пути с номером телефона,

поэтому его часто называют коммутационным. Уровень 4 управляет связью

«точка-точка»: он отвечает за то, чтобы пакеты данных, посланные

отправителем, дошли до получателя в нужном порядке, то есть управляет

потоком информации.

На уровне 5 организуются сеансы - одновременный обмен данными между

различными абонентами. В определенных ситуациях задачей этого уровня

является идентификация участников и синхронизация сессий после их

прерывания. На уровне 6 происходит согласование общего набора символов

(языка).

Уровень 7, как и уровень 1, занимает особое место: он представляет

собой интерфейс с внешним миром, а также службы прикладного уровня - либо

самостоятельно, либо требуя этого от уровней, лежащих ниже него, которые в

свою очередь также могут обратиться к ниже лежащим уровням (иерархическая

система).

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.

[pic]

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.

[pic]

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

Страницы: 1, 2, 3