20.4 Шина usb

USB (Universal Serial Bus) - нова послідовна шина для приєднання периферійних пристроїв до комп’ютера.

Стандарт USB розробили сім компаній: «Compaq», «Digital Equipment», IBM, Intel, «Microsoft», NEC и «Northern Telecom». Влітку 1996 року на ринку з'явилися перші комп'ютери з портами USB.

USB-кабель представляє собою дві звиті пари: по одній парі відбувається передавання даних в кожному напрямку (диференціальне включення), а інша пара використовується для живлення периферійного пристрою (+5 В). Завдяки вбудованим лініям живлення, що забезпечують струм до 500 мА, USB часто дозволяє використовувати пристрої без власного блоку живлення (якщо ці пристрої споживають струм силою не більше 500 мА).

Поєднання USB-кабелями формує інтерфейс між USB-пристроями та USB-хостом. В якості хоста використовується керований з операційної системи USB-контролер, до складу якого входить USB-концентратор, або ж хаб. Цей хаб є відправною точкою у створенні ланцюжка пристроїв, що відповідають вимогами топології “зірка”. Він має спеціальну назву – кореневий концентратор. До його портів під’єднується іншs USB-прилади та зовнішні хаби. Загальна їх кількість не може перевищувати 127 пристроїв, увімкнених не більш ніж у п’ять каскадів, не рахуючи рівень кореневого хаба.

В листопаді 2008 року робоча група USB 3.0 Promoter Group заявила про завершення робіт над специфікацією нового високошвидкісного інтерфейсу USB 3.0, названого SuperSpeed USB. USB 3.0 є наступним етапом еволюції добре відомою нам всім технології USB. Новий інтерфейс забезпечує максимальну швидкість передачі даних в 10 разів більшу, ніж USB 2.0 (тобто 10 × 480 Мбіт/с = 4,8 Гбіт/с).

20.5 Пристрої введення (виведення) аналогової інформації в еом (аналого-цифрові інтерфейси)

Контроль та управління складними інформаційно - вимірювальними та технологічними процесами забезпечується шляхом аналізу досить значної кількості параметрів цих процесів. На практиці ця кількість коливається від декількох одиниць до декількох сотень, в залежності від типу процесу. Більшість процесів дозволяє зняти інформацію про їх параметри в автоматичному режимі за допомогою так званих первинних перетворювачів інформації. Як правило, первинний перетворювач інформації у якості вхідного сигналу має фізичні величини, що характеризують процес, такі, наприклад, як температура, тиск, вологість, швидкість і таке інше. Вихідний сигнал формується у вигляді струму, напруги або частоти. Він додатково характеризується такими параметрами, як динамічний діапазон зміни сигналу та ширини смуги частотного спектру.

Одержані від первинних перетворювачів, як правило, безперервні (аналогові) сигнали напруги, струму або частоти необхідно ввести в ЕОМ в дискретній формі, обробити за вибраним алгоритмом та вивести, можливо в аналоговій формі, для подальшого управління технологічним  процесом.  Необхідність  виконання цих операцій обумовлює проведення ряду перетворень інформаційних сигналів з аналогової форми в дискретну та навпаки, передачу сигналів по інформаційних каналах (в тому числі по лініях зв’язку) в аналоговій або дискретній формі, комутацію інформаційних каналів від різних первинних перетворювачів, узгодження характеристик елементів і ряду інших операцій. Ця задача реалізується за допомогою деякої сукупності пристроїв та елементів, що можна визначити як аналого-цифровий інтерфейс (АЦІ) ЕОМ. Узагальнена структура аналого-цифрового інтерфейсу може мати вигляд зображений на рис.20.4.

ППІ₁ - ППІ_n - первинні перетворювачі інформації; УНП - узгоджувально - нормувальні пристрої; АФ - аналогові фільтри; МС - мультиплексори; АЦП - аналого-цифровий перетворювач; МД - апаратура передачі / приймання даних (модем); ЛЗ - лінія зв’язку; ЦАП - цифро-аналоговий перетворювач; ДМС - демультиплексор сигналів; ПП - підсилювач потужності; BO - виконавчий орган;

СУ - схема управління

Рисунок 20.4 – Узагальнена структура АЦ інтерфейсу

Аналогові фізичні величини формують на виході первинних перетворювачів інформації (ППІ) сигнали напруги (струму, частоти та інш.), функція зміни яких пропорційна функції зміни параметрів інформаційно- технологічних процессів. Ці сигнали характеризуються, перш за все, динамічним діапазоном Dx(t) в децебелах:

                        

D_X(t)=20 lg A_max / A_min ,

де А_max - максимальне значення амплітуди сигналу X(t) в абсолютних одиницях (В, А, Гц);

А_min - мінімальне значення сигналу в абсолютних одиницях (В, А, Гц);

та смугою частот в спектрі сигналу x(t) від f_н, до f_в в герцах (кТц, мГц).

 Графічно вищевказане виглядає як показано на рис.20.5.

Рисунок 20.5 – Характеристики сигналу X(t)

Окрім вищевказаних параметрів потрібно враховувати вплив вихідних імпедансів (Rвих) та похибок характеристики передачі (перш за все нелінійностей) первинних перетворювачів. Передача сигналу X(t) в схему АЦ інтерфейсу не повинна супроводжуватись додатковими похибками або їх величина не повинна перевищувати встановленої долі значення А_min (у більшості випадків це 1/4 А_min). Тому на вході АЦ інтерфейсу зазвичай встановлюють узгоджувально-нормувальні пристрої (УНП), основна функція яких полягає в забезпеченні вхідного імпедансу на рівні Rвх_унп ≥(5/10)Rвих_ппі. Це дозволяє усунути вплив вхідних кіл АЦ інтерфейсу на вихідний опір ППІ, як джерела сигналу.

Окрім функції узгодження імпедансів, УНП виконує також функції нормування (підсилення або послаблення) сигналу X(t). Така необхідність виникає в тих випадках коли, вихідний сигнал ППІ має низьке значення Аmах (на рівні мікровольт або мілівольт). Основні функції УНП та функції аналогового фільтра (АФ) на практиці можна інколи забезпечувати одним елементом, використовуючи операційні підсилювачі. Якщо це неможливо, то аналоговий фільтр встановлюють додатково. До функцій аналогового фільтра відносять обмеження спектру частот сигналу X(t) значеннями  f_н та f_в. При цьому відсікаються всі складові, що не належать до сигналу X(t). Аналоговий фільтр додатково застосовується для усунення ефекту накладання спектрів при дискретизації, а також для відновлення безперервних (аналогових) сигналів з дискретної (цифрової) форми.

Якщо інформаційно-технологічний процес характеризується значною кількістю параметрів, що обробляються n-ю кількістю ППІ, то до складу АЦІ необхідно вводити мультиплексори аналогових (або цифрових) сигналів. Мультиплексори сигналів (МС) дозволяють забезпечити перетворення m-сигналів X(t) з аналогової форми в цифрову за допомогою одного аналого-цифрового перетворювача (АЦП). Для забезпечення такого перетворення необхідно мати АЦП, розрядність якого забезпечує динамічний діапазон Dx(t):

n≥ D_X(t) / G ,  

де   

G = 20 lg 2 » 6 .

Цей АЦП повинен мати частоту дискретизації в m раз вищу такої, що потрібна для перетворення в дискретну форму (дискретизації) сигналу X(t) по одному каналу:

fg_АЦП ≥ m * fg _Xi(t) .

Передача такої дискретної (цифрової) інформації до системної ЕОМ може здійснюватись на значні відстані, в тому числі і по телефонних мережах. Така передача забезпечується пристроями передачі даних, у якості яких можуть використовуватись модеми (МД) під управлінням схем управління (СУ) АЦІ.

У випадку необхідності організації зворотного інформаційного каналу передача цифрових даних здійснюється на значні відстані також за допомогою модему. Потім відбувається перетворення інформації з дискретної (цифрової) форми в аналогову за допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП). Розділ інформації по каналах здійснює демультиплексор (ДМС) (в данній структурі - аналоговий) сигналів. Подальшу фільтрацію високочастотних складових >f_в здійснює аналоговий фільтр. Сигнал x(t) підсилюється підсилювачем потужності і управляє роботою виконавчого органа (ВО). Загальне управління роботою всіх елементів АЦІ знову ж здійснює схема управління (СУ), що може бути побудована на основі мікропроцесора.

Контрольні запитання

1 Що Ви знаєте про інтерфейс користувача?

2 Чим відрізняється графі́чний інтерфейс користувача від текстового інтерфейсу?

3 Коли вперше була запропонована концепція графі́чного інтерфейса користувача?

Лекція № 21

ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ВІДМОВОСТІЙКОСТІ

КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ

Відмовостійкість - це здатність|здібність| обчислювальної системи продовжувати дії, задані програмою, після|потім| виникнення несправностей. Введення|вступ| відмовостійкості вимагає надмірного|надлишкового| апаратного і програмного забезпечення. Напрями|направлення|, пов'язані із запобіганням несправностям і з|із| відмовостійкістю, - основні для забезпечення надійності. Концепції паралельності і відмовостійкості обчислювальних систем природним чином зв'язані між собою, оскільки в обох випадках потрібні додаткові функціональні компоненти. Тому на паралельних обчислювальних системах досягається як найбільш висока продуктивність, так і, у багатьох випадках, дуже висока надійність. Наявні ресурси надмірності в паралельних системах можуть гнучко використовуватися як для підвищення продуктивності, так і для підвищення надійності. Структура багатопроцесорних і багатомашинних систем пристосована до автоматичної реконфігурації| і забезпечує можливість|спроможність| продовження роботи системи після|потім| виникнення несправностей.

Відновлення після помилок в відмовостійких системах можна характеризувати як прогін (roll-forward) або відкат (roll-back). Коли система визначила, що сталася помилка, відновлення прогоном випраляє поточний стан системи до можливості продовження роботи. Відкочування повертає стан системи до деякої попередньої, вірної версії, наприклад, із використанням контрольних точок, і продовжує виконання звідти. Відкочування вимагає, щоб операції між контрольними точками і станом із виявленою помилкою могли бути зроблені ідемпотентними. Деякі системи використовують обидва підходи для різних помилок або для ріних частин однієї помилки.

В межах окремої системи, відмовостійкість може бути досягнута очікуванням виняткових умов і побудовою системи, що могла б упоратись із ними, і, загалом, метою для самостабілізації є система, що сходиться в напрямку до стану без помилок. Однак, якщо наслідки збоїв системи є катастрофічними, або ціна побудови достатньо надійної системи занадто висока, кращим рішенням може бути деяка форма дублювання. В будь-якому випадку, якщо наслідки збою катастрофічні, система має бути спроможною використати реверсію, щоб повернутися до безпечного стану. Це подібно до відкочування, але може бути зроблене людиною, якщо вона присутня в процесі.

Особливостями відмовостійких комп’ютерних систем (КС) є: їх висока безвідмовність, безперебійність роботи системи при наявності відмов та більш тривалий життєвий цикл експлуатації.

Відмовостійкі системи мають і ряд специфічних характеристик: складність дизайну, висока вартість розробки, підвищення енергоспоживання, ускладення системи.

Типи систем за рівнем надійності представлено в таблиці 21.1.

Таблиця 21.1 - Типи відмовостійких систем за рівнем надійності

Рівень надійності, %	Максимальний час простою, на рік	Тип системи
99	3,5 доби	Звичайна
99,9	8,5 годин	Високої надійності
99,99	1 година	Відмовостійка
99,999	5 хвилин на рік	Безвідмовна

При виборі та експлуатації відмовостійких систем визначальний вплив мають наступні характеристики:

- доступність – ймовірність того, що система у певний момент часу буде знаходитись в працездатному стані;

- безвідмовність – властивість системи протягом певного проміжку часу працювати без відмов;

- висока ремонтоздатність – готовність до роботи після виникнення несправності, яка визначає ступінь складності виправлення дефекту/несправності/помилки у системі.

Розробка відмовостійкої системи, а також її відмовостійка експлуатація, повинні базуватись на розумінні природи таких типів відмов, ймовірність виникнення яких є максимальною за даних умов експлуатації системи.

За часом впливу на об’єкт відмови поділяються на:

- постійні (permanent fault) – одноразовий вплив без можливості наступного використання системи;

- з перервами (intermittent fault) – багаторазове повторення ситуації без можливості визначення її закономірності;

- перехідні (transient fault) – одноразова тимчасова відмова без можливості її повторення при рестарті системи.

Відмови можуть виникати раптово (без попереднього погіршення вихідних характеристик) або наперед прогнозуватись за постійними змінами вихідних характеристик.

Ціна відмови комп’ютерної системи складається з декількох компонентів:

- втрати прибутку;

- непродуктивної роботи персоналу;

- зростаючої недовіри клієнтів;

- втрачених ділових можливостей.

За оцінками різних дослідників, простій комп’ютерних систем обходиться бізнесу США в мільярди доларів – порядку сотні тисяч доларів за годину простою. На сьогодні не існує системи, яка гарантує 100% відмовостійкість, тобто 100% ймовірність безвідмовної роботи протягом заданого проміжку часу.

Технічне діагностування КС передбачає такі основні функції, як контроль їх технічного стану, пошук місця і визначення причин несправності та прогнозування технічного стану.

Процес діагностування відмовостійких КС на етапі експлуатації має ряд особливостей:

- можливість виникнення відмови довільних елементів, кількість яких перевищує максимально допустиме число для характерних несправностей;

- наявність проміжних відмов, які призводять до різних несправностей;

- вплив невиявлених відмов на результати діагностування;

- взаємний вплив прихованих несправностей;

- виникнення додаткових проблем забезпечення надійності при використанні зовнішніх засобів діагностування;

- вплив типу архітектури таких систем, особливостей зв’язків між елементами (наявність несиметричної нерегулярної структури зв’язків) та кількості цих зв’язків на результат діагностування.

Крім особливостей процесу діагностування КС на етапі експлуатації, самі відмовостійкі комп’ютерні системи, як об’єкти діагностування, мають такі особливості:

- неможливість або обмеженість доступу до окремих вузлів в реальному часі на етапі експлуатації, особливо в таких галузях, як авіаційна, космічна, атомна енергетика та транспорт;

- відсутність або висока вартість спеціалізованих апаратних та програмних засобів діагностування КС;

- наявність надлишковості апаратури для всіх функційних блоків, включаючи процесори, джерела живлення, підсистеми введення/виведення та підсистеми дискової пам’яті, що, в свою чергу, зумовлює особливості цих складових як об’єктів діагностування;

- ускладнення складових елементної бази апаратних компонентів, що мають високий ступінь інтеграції з різними фізичними та обчислювальними характеристиками.

Слід враховувати також, що на даний час суттєво скорочуються строки проектування та виробництва КС, внаслідок чого етап експлуатації відмовостійких КС недостатньо забезпечений документацією.

Головними характеристиками відмовостійких КС, у порівнянні із стандартними системами, є мінімальна частота відмов та збоїв і швидкий перехід до нормального режиму функціювання після виникнення несправності шляхом швидкого відновлення додатків та мережевих сесій до того стану, в якому вони знаходились у момент відмови системи.

Таким чином, відмовостійкістю називають властивість системи, що дозволяє продовжити виконання заданих програмою дій після виникнення одного або декількох збоїв або відмов компонентів КС.

Відмовою називається подія, що полягає в порушенні працездатності компоненту системи. Наслідки відмови можуть бути різними. Відмова системи може бути викликана відмовою (невірним спрацьовуванням) певних її компонентів (процесор, пам’ять, пристрої введення/виведення, лінії зв’язку, або програмне забезпечення). Відмова компонента може бути викликана помилками при конструюванні, при виробництві або програмуванні. Відмова може бути також викликана фізичним ушкодженням, зношенням обладнання, некоректними вхідними даними, і багатьма іншими причинами.

Відмови можуть бути випадковими, періодичними або постійними. Випадкові відмови (збої) при повторенні операції зникають. Причиною такого збою може бути, наприклад, електромагнітна завада. Інший приклад – рідкісна ситуація в послідовності звернень до операційної системи від різних завдань. Періодичні відмови повторюються часто протягом певного часу, а потім можуть довго не відбуватиметься. Приклади - поганий контакт, некоректна робота ОС після обробки аварійного завершення завдання.

Постійні (стійкі) відмови не припиняються до усунення їх причини – руйнування диска, виходу з ладу мікросхеми або помилки в програмі.

Причини та класифікація відмов і збоїв

Апаратна реалізація вузлів (процесорних модулів) дозволяє виділити основні класи відмов апаратури:

• відмова процесора або іншого елемента КС;

• відмова зв’язку між елементами КС.

Відмова при виконанні функціонального програмного забезпечення може проявитися внаслідок:

• порушення кодів запису програм в пам’яті команд;

• стирання або перекручування даних в оперативній або довготривалій пам’яті;

• порушення нормального ходу обчислювального процесу.

Перераховані проблеми можуть відбуватися одночасно. Відмова може виявлятися у вигляді програмної зупинки або зациклення, систематичного пропуску виконання певної групи команд, одноразового або систематичного перекручування даних і т.д. Програмні відмови призводять до припинення видачі абонентам інформації і керуючих впливів, спотворення змісту інформації і темпу видачі, та ін.