处理机和外部设备通信有哪些方式

4.2.3　控制子系统

程控交换机的控制系统是交换机的“指挥系统”，所有的“命令”从这里发出，交换机执行的每一个操作，都是在控制系统的控制下执行的，控制系统是交换机的重要组成部分。由于对通信网中的交换设备有高可靠性和能处理大量并发通信的要求，所以对交换机的控制系统在可靠性和处理能力上的要求要比其他控制系统高，这使得程控交换机的控制系统有别于一般的控制系统，在控制系统的构成方式和处理机之间的工作方式上具有特殊性。

1）程控交换机对控制系统的基本要求

对于程控交换机的控制系统，最基本、最关键的有两方面的要求。

（1）呼叫处理能力

程控交换机的核心工作就是处理各类呼叫，因此通常用呼叫处理能力来衡量程控交换机控制系统的处理能力。呼叫处理能力是指在满足服务质量的前提下，处理机处理呼叫的能力。通常用最大忙时试呼次数（BHCA，Maximum Number of busy hour Call Attempts）来表示程控交换机的呼叫处理能力，即在单位时间内控制系统能够处理的呼叫次数。

处理机的系统开销组成为

系统开销＝固有开销＋非固有开销

系统开销，即处理机时间资源的占用率，是统计时间内处理机运行系统软件和应用软件的时间与统计时长之比。

固有开销是与呼叫处理次数无关的系统开销，如操作系统的任务调度程序和周期执行的各种扫描程序所占CPU的时间与统计时长之比。

非固有开销是与呼叫处理次数有关的系统开销，如执行处理呼叫的程序所占CPU的时间与统计时长之比。

因此，程控交换机的BHCA值可采用下列公式进行粗略的计算：

t＝a＋bN

其中，t为该交换机控制系统的系统开销；a为该交换机控制系统的固有开销；b为该交换机控制系统处理一次呼叫的非固有开销（平均值）；N为单位时间内所处理的呼叫总次数，即呼叫处理能力值（BHCA）；bN为该交换机控制系统的非固有开销。

下面是计算BHCA的一个例子。

某处理机忙时用于呼叫处理的时间开销平均为0.80，其中固有开销a＝0.30，处理一次呼叫平均所用时间为36ms，求其BHCA值为多少？

这里，t＝0.80，a＝0.30，b＝36×10^－3/3600h，由t＝a＋bN可知

程控交换机的呼叫处理能力与交换机的系统结构、处理机的性能、处理机的负荷分担情况、操作系统的效率、呼叫处理相关软件的编程效率等因素有关，因此，在程控交换机的软硬件设计中要充分考虑这些因素对呼叫处理能力的影响。

如果在一个有效的时间间隔周期内（不包含峰值瞬间），出现在交换设备上的试呼次数，即话务负荷超过了交换机控制系统的设计处理能力时，则称该交换设备运行在过负荷状态。加入到交换设备上的总负荷中，超过它的设计负荷能力部分称为过负荷部分，一般用负荷的百分数来表示。如加入到交换设备上试呼总次数超过它的设计负荷能力的10%时，此时称为10%过负荷。

当交换设备出现过负荷时，交换机要采取过负荷控制，以避免交换机的处理能力大幅下降。过负荷控制采取的方法一般为分级地限制某些用户的呼叫，并且至少应做到分4级进行限制，每级限制25%的用户呼叫，限制用户的顺序从普通用户到优先级用户。当过负荷程度下降时，应逐步减少呼叫限制的用户数。

对交换机过负荷控制的要求是：当出现在交换设备上的试呼次数超过它的设计负荷能力的50%时，允许交换设备呼叫处理能力下降至设计负荷能力的90%，如图4.21（a）所示。

图4.21（b）是有过负荷控制和无过负荷控制的情况对比。从图中曲线可见，如果没有过负荷控制，当交换机出现过负荷时，其控制系统的处理能力下降很快。

图4.21　呼叫处理能力的特性

（2）高可靠性

程控交换设备是通信网中的核心设备，通信业务的特性决定了对其可靠性的要求比较高。按照国内电话交换设备技术规范要求，程控交换机系统中断的指标是20年内系统中断时间不得超过1h。系统中断是指由于硬件、软件、操作系统故障以及局数据、程序差错而使系统不能处理任何呼叫且时间大于30s。

由于控制系统是程控交换机的“神经中枢”，所以要求控制系统的可靠性高，故障率低。当出现故障时，处理故障的时间要短。为提高控制系统的可靠性，人们在控制系统的构成方式上多采用多机分散和冗余配置，注重处理机间通信的可靠性和运行软件的可靠性，并增强控制系统的故障防卫和自愈能力。

2）控制系统的构成方式

程控交换机控制系统的构成方式多种多样，但从控制系统工作的基本原理来看，主要可分为两种基本方式：集中控制和分散控制。

（1）集中控制

集中控制是指处理机可以对交换系统内的所有功能及资源实施统一控制。该控制系统可以由多个处理机构成，每一个处理机均可控制整个系统的正常运行。图4.22表明了集中控制方式的控制关系。

在图4.22中，交换机系统具有f个需要完成的功能和r个可用资源，其控制系统由n个处理机构成，这n个处理机中的每一个都能完成交换机的全部f个功能，也能应用全部的r个资源，因此这种控制方式为集中控制方式。早期的程控交换机功能简单、容量较小，其控制系统一般采用集中控制方式。

图4.22　集中控制方式

集中控制方式具有三个特点。

①处理机直接控制所有功能的完成和资源的使用，控制关系简单，处理机间通信接口简单。

②每台处理机上运行的应用软件包含了对交换机所有功能的处理，因而单个处理机上的应用软件复杂、庞大。

③处理机集中完成所有功能，一旦处理机系统出现故障，整个控制系统失效，因而系统可靠性较低。

（2）分散控制

分散控制是指对交换机所有功能的完成和资源使用的控制由多个处理机分担完成的，即每个处理机只完成交换机的部分功能及控制部分资源。该控制系统由多个处理机构成，每个处理机分别完成不同的功能并控制不同的资源，图4.23表明了分散控制方式的控制关系。

图4.23　分散控制方式

图4.23中，交换机系统具有f个需要完成的功能和r个可用资源，其控制系统由n个处理机构成，每个处理机只完成交换机f个功能中的一个或几个，只能应用全部r个资源中的一个或几个。由于现代程控交换机功能复杂，容量较大，可靠性要求高，其控制系统一般采用分散控制方式。

分散控制又可分为以下两种方式。

①全分散控制

采用全分散控制方式的控制系统，其多个处理机之间独立工作，分别完成不同的功能和对不同的资源实施控制，这些处理机之间不分等级，不存在控制与被控制关系，各处理机有自主能力。

全分散控制方式具有以下五个特点。

a各处理机处于同一级别。

b每台处理机只完成部分功能，这就要求各处理机要协调配合共同完成整个系统的功能，因而各处理机之间通信接口较复杂。

c每台处理机上运行的应用软件只完成该处理机所承担的功能，故单个处理机上的应用软件相对简单。

d功能分散在不同的处理机上完成，某个或某些处理机出现故障，一般不会导致整个控制系统失效，因而系统可靠性比较高。

e系统具有较好的扩充能力。

S1240程控数字交换机就是采用全分散控制方式，也叫做分布式分散控制方式。

②分级分散控制

分级分散控制就是控制系统由多个处理机构成，各处理机分别完成不同的功能并对不同的资源实施控制，处理机之间是分等级的，高级别的处理机控制低级别的，协同完成整个系统的功能。

分级分散控制方式具有以下四个特点。

a处理机之间是分等级的，高级别的处理机控制低级别的。

b处理机之间通信接口较集中，控制方式复杂，但是比全分散方式要简单。

c各处理机上应用软件的复杂度介于集中控制方式和全分散控制方式之间。

d控制系统的可靠性比集中控制方式高，但比全分散控制方式要低。

目前，程控交换机控制系统多采用这种分级分散控制方式，一般采用两级或三级分散控制结构。

瑞典爱立信AXE10程控交换机的控制系统采用两级分散控制结构，图4.24为结构示意图，它的控制系统是由中央处理机（CP）和区域处理机（RP）两级构成，高级别处理器CP可控制低级别处理器RP完成各种功能。

日本富士通FETEX－150程控交换机的控制系统采用三级分散控制结构，图4.25为其结构示意图。处理器级别从低到高分别为用户处理机（LPR）、呼叫处理机（CPR）和主处理机（MPR）。同级别的多个处理机是话务分担，完成相同的处理功能；不同级别的处理机是功能分担，完成不同的功能。

图4.24　AXE10两级分散控制结构

图4.25　FETEX－150三级分散控制结构

3）多处理机的工作方式

程控交换机的控制系统可采用集中控制方式，或者分散控制方式。不管采用哪种方式，现代程控交换系统尤其是局用交换机，由于去容量大，用户数量多，功能复杂，构成其控制系统的处理机一般都有多个，少的几十个，多的上百个。那么多个处理机之间如何分工协调来完成各种功能，即程控交换机控制系统的多处理机之间的工作方式是什么，是下面要详细介绍的内容。

程控交换机控制系统多处理机之间的工作方式主要有三种：功能分担方式、话务分担方式和冗余方式。

（1）功能分担方式

如果多个处理机分别完成不同的功能，就称该多个处理机采用的是功能分担的工作方式。

图4.26为某个局用程控交换机的系统结构示意图。由图可知，该交换机是由用户模块、中继模块、音信号模块和中央模块构成，各模块都有自己的处理机系统，整个控制系统采用的是2级分散控制方式，中央模块的中央CPU为高级别处理机，各模块CPU为低级别处理机。用户模块的用户CPU完成对用户线的监视（摘挂机扫描、脉冲拨号的接收）、时隙分配、对用户接口芯片的驱动、对用户级交换网络的控制等功能；中继模块的中继CPU完成对中继线的监视、局间信令的收发等功能；信号音模块的信号音CPU控制产生各种信号音以及DTMF信号的接收；中央模块的中央CPU完成对交换网络的控制、呼叫处理、OAM等功能，并控制其他模块处理机的工作。用户CPU、中继CPU、信号音CPU、中央CPU分别完成不同的功能，因此几种处理机之间是按功能分担方式工作的。

图4.26　某个局用程控交换机系统结构示意图

（2）话务分担方式

如果多个处理机分别完成一部分话务功能，就称该多个处理机之间采用的是话务分担的工作方式。

在图4.26中，有M个用户模块，这M个模块的用户CPU分别完成一组用户的话务处理，即各用户模块的用户CPU分别完成对一组用户的用户线的监视、时隙的分配、用户接口芯片的驱动以及各模块用户级交换网络的控制等功能。这些用户模块的用户CPU之间是按话务分担方式工作的。同理各中继模块的中继CPU之间也是按话务分担方式工作的。

（3）冗余方式

在现代程控交换机中，为提高控制系统的可靠性，处理机系统一般均采用冗余配置，即除了正常运行的处理机之外，还配置备用的处理机，当原来正常运行的处理机发生故障时，备用机将替代发生故障的处理机继续工作，以保证系统正常运行。通常把正常运行的处理机叫做主用机，把配置备用的处理机叫做备用机。那么这种主用机和备用机之间的工作方式叫做冗余方式。

冗余方式按照配置备用处理机数量和方法的不同，可分为以下两种。

①双机冗余配置

双机冗余配置具有两套处理机系统：一个为主用；一个为备用。双机冗余配置又可根据具体工作方式的不同分为以下三种。

（a）同步方式

在同步方式下，主、备用机同步工作，如图4.27所示。主、备用机同时执行一条指令，并对其处理结果进行比较，结果相同则继续执行下一条指令；结果不同则表明至少有一台处理机出现故障，处理机立即退出服务，进入紧急处理状态。主、备用机分别运行系统检测程序，排除偶然性故障或干扰，确定哪台处理机出现了故障，替换发生故障的处理机。同步方式的两台处理机对系统来说，就如同一台处理机在工作。

同步方式可以及时发现故障，但每执行一条指令都要对结果进行比较，降低了处理机的处理能力，程序执行的效率低，并且对软件故障不敏感。

（b）互助方式

在这种情况下，主、备用机之间负荷均分，即主用机和备用机在正常工作时，分别承担一半的话务负荷。当一台处理机出现故障时，另一台处理机要承担全部话务处理工作，直到发生故障的处理机恢复，重新回到负荷分担的模式，如图4.28所示。

图4.27　同步方式工作模式

图4.28　互助方式工作模式

采用互助方式，要求每台处理机的处理能力较高，当出现故障时，单台处理机应能够处理所有的话务负荷。由于两台处理机独立工作，所以同时发生软件故障的概率较低，这种方式对软件故障的防卫能力强。互助方式双机通信较频繁，同时要避免资源同抢，因而软件设计较复杂。

（c）主/备方式

在主/备方式下，主用机在线运行，而备用机处于待机状态，也叫做备用状态。备用状态有两种模式：冷备用和热备用。冷备用的处理机内不保存动态的呼叫数据，当发生故障进行切换时，正在进行的呼叫会损失掉；热备用的处理机内保存当前动态的呼叫数据，当发生故障进行切换时，不影响正在进行的呼叫。一般程控交换机都采用热备用模式，尤其是局用交换设备，以保证发生故障进行切换时，正在通话、振铃、拨号的用户能够继续正常进行，满足国家电话交换设备技术规范的要求。其工作方式如图4.29所示。

主/备方式中的热备用模式要求备用机时刻保存当前动态的呼叫数据，因而主、备用机之间通信频繁，这种通信机制的实现技术多种多样，一种常见的方式是采用公用存储器。这种通信机制的软件设计较复杂，可靠性要求高。一般程控交换机大多采用主/备方式。

在图4.26中，每个用户模块、中继模块、中央模块和信号音模块的处理机系统都是采用双机冗余配置，且所有模块的CPU1＃和CPU2＃工作在主/备方式下。

图4.29　主/备用方式工作模式

②N＋m冗余配置

N＋m冗余配置方式就是有N个处理机在线运行，m个处理机处于备用状态，较常用的是N＋1冗余配置方式，即m＝1。

4）多处理机间的通信

对于多处理机方式构成的控制系统，除了多个处理机之间的工作方式外，多处理机之间的通信方式也是人们普遍关心的问题。多处理机之间采用的通信方式的可靠性以及对处理机呼叫处理能力的影响，是人们选择和评价多处理机通信方式的核心问题。

多处理机之间的通信可采用一般计算机网络处理机之间的通信方式，如采用总线方式、环形网等，图4.30为一种采用总线方式实现程控交换机多处理机之间通信的示意图。

由于程控交换机技术上的特殊性，如系统结构构成方式、采用同步时分复用的传输方式等，所以多处理机之间可采用PCM通信方式，即占用PCM线路的一个或多个时隙作为处理机之间的通信信道。这种方式灵活方便，便于远距离通信，如图4.31所示。

图4.30　多处理机之间通信采用总线方式

图4.31　多处理机之间通信采用PCM方式