Хранимое программное управление ( SPC ) — это телекоммуникационная технология для телефонных станций . Его особенностью является то, что система коммутации управляется компьютерной программой, хранящейся в памяти в системе коммутации. SPC была технологией, обеспечивающей электронные системы коммутации (ESS), разработанной в Bell System в 1950-х годах, и может считаться третьим поколением технологии коммутации. Хранимое программное управление было изобретено в 1954 году ученым Bell Labs Эрной Шнайдер Гувер , которая рассудила, что компьютерное программное обеспечение может управлять соединением телефонных звонков. [1] [2] [3]
Предложенный и разработанный в 1950-х годах, SPC был представлен в производственных электронных коммутационных системах в 1960-х годах. АТС 101ESS (PBX) была переходной коммутационной системой в Bell System для предоставления расширенных услуг корпоративным клиентам, которые в противном случае все еще обслуживались электромеханическим центральным коммутатором. Первый центральный коммутатор с SPC был установлен в Моррисе, штат Иллинойс, в ходе испытаний электронной коммутации в 1960 году, за которым последовал первый коммутатор Western Electric 1ESS в Саккасунне, штат Нью-Джерси, в 1965 году. Другие примеры коммутационных систем третьего поколения на основе SPC включают британский GPO TXE (различные производители), Metaconta 11 (ITT Europe) и AKE, ARE. Доцифровые (1970-е годы) версии телефонной станции AXE от Ericsson и Philips PRX были крупномасштабными системами в телефонной сети общего пользования (PSTN).
SPC обеспечивает сложные функции вызова . По мере развития таких бирж росли надежность и универсальность.
Коммутаторы второго поколения, такие как Strowger , панельные , поворотные и крестовые переключатели, были построены исключительно из электромеханических коммутационных компонентов с комбинационным логическим управлением и не имели программного обеспечения. Первое поколение представляло собой ручные коммутаторы, которыми управляли дежурные и операторы.
Более поздние системы кросс-баров также использовали компьютерное управление в коммутационных матрицах и могут также считаться системами SPC. Примерами служат Ericsson ARE 11 (локальная) и ARE 13 (транзитная), а также коммутаторы North Electric NX-1E & D и ITT Metaconta 11, которые когда-то можно было найти по всей Западной Европе и во многих странах мира. Технология SPC, использующая аналоговые коммутационные матрицы, была в значительной степени прекращена в 1980-х годах и исчезла из большинства современных сетей к концу 1990-х годов.
Добавление временного мультиплексирования (TDM) уменьшило размеры подсистем и значительно увеличило емкость телефонной сети. К 1980-м годам технология SPC доминировала в телекоммуникационной отрасли.
Жизнеспособные, полностью цифровые коммутаторы появились в 1970-х годах, и ранние системы, такие как французская Alcatel E10 и канадская Nortel DMS, поступили в производство в течение этого десятилетия. Другие широко используемые системы стали доступны в начале 1980-х годов. К ним относятся Ericsson AXE 10, которая стала самой популярной в мире платформой коммутации, Western Electric 5ESS, используемая в США и во многих других странах, немецкая разработка Siemens ESWD, ITT System 12 (позже переименованная в Alcatel S12) и NEC NEAX, все из которых широко использовались по всему миру. Британская разработка System X (телефония) , а также другие более мелкие системы также появились в начале 1980-х годов.
Некоторые цифровые коммутаторы, в частности 5ESS и самые ранние версии Ericsson AXE 10, продолжали использовать каскады аналоговых концентраторов, применяя технологии, подобные SPC, а не прямые подключения к цифровым линейным картам, содержащим кодек .
В начале XXI века в отрасли началось использование пятого поколения коммутации телефонии, поскольку на смену временному мультиплексированию (TDM) и специализированной аппаратной коммутации цифровых каналов пришли программные коммутаторы и технологии передачи голоса по IP VoIP .
Главной особенностью управления с хранимой программой является наличие одного или нескольких цифровых процессоров ( компьютеров с хранимой программой ), которые выполняют набор компьютерных инструкций ( программу ), хранящихся в памяти системы, с помощью которых телефонные соединения устанавливаются, поддерживаются и завершаются в соответствующих электронных схемах.
Непосредственным следствием управления с помощью хранимой программы является автоматизация функций АТС и предоставление абонентам множества новых функций телефонии.
Телефонная станция должна работать непрерывно без перерывов в любое время; она реализует отказоустойчивую конструкцию . Ранние испытания электроники и компьютеров в подсистемах управления станции были успешными и привели к разработке полностью электронных систем, в которых коммутационная сеть также была электронной. Пробная система с хранимым программным управлением была установлена в Моррисе, штат Иллинойс, в 1960 году. Она использовала хранилище с плавающей точкой с размером слова 18 бит для полупостоянного хранения программ и параметров, а также память с барьерной сеткой для оперативной памяти с произвольным доступом. [4] Первая в мире электронная коммутационная система для промышленного использования, № 1 ESS , была введена в эксплуатацию AT&T в Суккасунне, штат Нью-Джерси , в мае 1965 года. К 1974 году AT&T установила 475 систем № 1 ESS. В 1980-х годах SPC вытеснила электромеханическую коммутацию в телекоммуникационной отрасли, поэтому этот термин потерял всякий, кроме исторического интереса. Сегодня SPC является неотъемлемой концепцией всех автоматических АТС благодаря повсеместному применению компьютеров и микропроцессорной техники.
Попытки заменить электромеханические коммутационные матрицы полупроводниковыми кросс-коммутаторами не сразу увенчались успехом, особенно для крупномасштабных систем телефонных станций. В результате многие системы коммутации с пространственным разделением использовали электромеханические коммутационные сети с SPC, в то время как частные автоматические телефонные станции (PABX) и небольшие общественные телефонные станции использовали электронные коммутационные устройства. Электромеханические матрицы были заменены в начале 21 века полностью электронными устройствами.
Реализации управления хранимой программой могут быть организованы в централизованные и распределенные подходы. Ранние электронные коммутационные системы (ESS), разработанные в 1960-х и 1970-х годах, почти всегда использовали централизованное управление. Хотя многие современные конструкции АТС продолжают использовать централизованное SPC, с появлением недорогих мощных микропроцессоров и чипов VLSI, таких как программируемая логическая матрица (PLA) и программируемые логические контроллеры (PLC), распределенное SPC стало широко распространенным к началу 21-го века.
При централизованном управлении все контрольное оборудование заменяется центральным процессором. Он должен быть способен обрабатывать от 10 до 100 вызовов в секунду , в зависимости от нагрузки на систему. [ необходима цитата ] Многопроцессорные конфигурации являются обычным явлением и могут работать в различных режимах, таких как конфигурация распределения нагрузки, в синхронном дуплексном режиме, или один процессор может находиться в режиме ожидания.
Режим ожидания — простейший из двухпроцессорных конфигураций. Обычно один процессор находится в режиме ожидания. Резервный процессор подключается только при отказе активного процессора. Важным требованием этой конфигурации является способность резервного процессора восстанавливать состояние системы обмена, когда он берет на себя управление; это означает определение того, какие из абонентских линий или каналов используются.
На небольших станциях это может быть возможно путем сканирования сигналов состояния, как только резервный процессор вступает в действие. В таком случае нарушаются только вызовы, которые устанавливаются во время сбоя. На больших станциях невозможно сканировать все сигналы состояния в течение значительного времени. Здесь активный процессор периодически копирует состояние системы во вторичную память. Когда происходит переключение, загружается недавнее состояние из вторичной памяти. В этом случае затрагиваются только вызовы, которые меняют состояние между последним обновлением и сбоем. Совместно используемое вторичное хранилище не нужно дублировать, и будет достаточно простого резервирования на уровне блока. Ярким примером является коммутатор 1ESS .
В синхронном дуплексном режиме работы аппаратное сопряжение обеспечивается между двумя процессорами, которые выполняют один и тот же набор инструкций и непрерывно сравнивают результаты. Если происходит несоответствие, то неисправный процессор идентифицируется и выводится из эксплуатации в течение нескольких миллисекунд. Когда система работает нормально, два процессора всегда имеют одинаковые данные в памяти и одновременно получают информацию из среды обмена. Один из процессоров фактически управляет обменом, но другой синхронизирован с первым, но не участвует в управлении обменом. Если компаратор обнаруживает неисправность, процессоры разъединяются, и программа проверки запускается независимо для поиска неисправного процессора. Этот процесс выполняется, не нарушая обработку вызовов, которая временно приостанавливается. Когда один процессор выводится, другой процессор работает независимо. Когда неисправный процессор ремонтируется и вводится в эксплуатацию, то содержимое памяти активного процессора копируется в его память, и оба процессора синхронизируются, а компаратор включается.
Возможно, что ошибка компаратора возникает только из-за временного отказа, который не отображается даже при запуске программы проверки. В таком случае существует три возможности:
После извлечения процессора его подвергают тщательному тестированию с целью выявления незначительных неисправностей.
В режиме распределения нагрузки входящий вызов назначается случайным образом или в предопределенном порядке одному из процессоров, который затем обрабатывает вызов вплоть до его завершения. Таким образом, оба процессора активны одновременно и динамически распределяют нагрузку и ресурсы. Оба процессора имеют доступ ко всей среде обмена, которая воспринимается и контролируется этими процессорами. Поскольку вызовы обрабатываются процессорами независимо, у них есть отдельные памяти для хранения временных данных вызовов. Хотя программы и полупостоянные данные могут использоваться совместно, они хранятся в отдельных запоминающих устройствах в целях избыточности.
Существует межпроцессорная связь, через которую процессоры обмениваются информацией, необходимой для взаимной координации и проверки «состояния здоровья» другого. Если обмен информацией не удается, один из процессоров, обнаруживший это, берет на себя всю нагрузку, включая вызовы, уже установленные отказавшим процессором. Однако вызовы, установленные отказавшим процессором, обычно теряются. Совместное использование ресурсов требует механизма исключения, чтобы оба процессора не искали один и тот же ресурс одновременно. Механизм может быть реализован программно или аппаратно, или и тем, и другим. На рисунке показано устройство аппаратного исключения, которое, будучи установленным одним из процессоров, запрещает доступ к определенному ресурсу другим процессором до тех пор, пока он не будет сброшен первым процессором.
Распределенный SPC более доступен и надежен, чем централизованный SPC. Функция управления разделена между многими процессорами в пределах обмена. Он использует недорогие микропроцессоры . Управление обменом может быть разложено как горизонтально, так и вертикально для распределенной обработки. [5]
При вертикальной декомпозиции весь обмен делится на несколько блоков, и каждому блоку назначается процессор. Этот процессор выполняет все задачи, связанные с этим конкретным блоком. Таким образом, общая система управления состоит из нескольких блоков управления, соединенных вместе. Для избыточности процессоры могут дублироваться в каждом блоке.
При горизонтальной декомпозиции каждый процессор выполняет только одну или только некоторые функции обмена.