3．2．4 控制子系统
1．程控交换机控制系统的组成
程控交换机的控制系统是交换机的“指挥系统”，所有的“命令”都从这里发出，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。人工交换机由话务员控制，程控交换机由处理机控制。自动交换机有两种控制方式：布控方式和程控方式。布控是指布线控制，控制设备由数字逻辑电路组成，也就是由硬件控制；程控方式是指存储程序控制，用电子计算机作为控制设备，也就是由软件控制。
控制功能可分为低层控制和高层控制。低层控制主要是指与硬设备直接相关的控制功能，概括起来有两种：扫描控制与驱动控制。扫描用来发现外部事件的发生或信令的到来。驱动用来控制通路的连接、信令的发送或终端接口的状态变化。高层控制则是指与硬设备隔离的呼叫控制，例如，对所接收的号码进行数字分析，在交换网络中选择一条空闲的通路等。
程控交换机的控制系统基本上就是一台计算机系统，包括中央处理器（CPU）、存储器和I/O接口三部分。不同的是它的接口种类和数量都多于一般计算机系统。典型的程控交换机控制系统的电路结构框图如图3．23所示。
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，主要可分为集中控制和分散控制两种方式。这里所说的控制方式是控制系统中处理机的配置方式。处理机是控制交换机完成电路接续操作的核心设备，它掌握交换机所有资源的参数和工作状态，按照存储程序的进程安排和处理方法分析端口呼叫状态及地址信息，分配相关资源并控制其动作，建立和释放电路连接等。
图3．23 程控交换机控制系统的结构框图
2．集中控制方式
集中控制是指处理机（CPU）可以对交换系统内的所有功能及资源实施统一控制。为了保证交换机可靠工作，集中控制子系统通常由两台或更多台处理机组成，且每一台处理机均可控制整个系统的正常运行。集中控制的交换系统，按照处理机的工作状态，又可分成热备用和冷备用工作方式，结构如图3．24所示。
图3．24 集中控制的主备用工作方式示意图
在热备用工作方式中，所有处理机都处于工作状态，但只有一台处理机的处理结果可抵达指定的接口或系统资源。在正常工作中，主处理机需将当前的处理进程状态和相关数据转发给备用处理机，备用处理机需根据这些数据修正其处理进程和数据库。热备用方式的优点是，在主处理机发生故障时可做到不损失已建立的电路接续；缺点是机构较为复杂。
在冷备用工作方式中，只有一台处理机处于主用状态，其他处理机待机备用。正常工作情形下，主用处理机负责整个交换机的呼叫处理和资源管理，发生故障时通过硬件机制倒换到备用处理机。备用处理机接替控制工作时，首先对系统初始化，然后进入呼叫处理和资源管理状态。
（1）集中控制的主要优点
①每一台处理机均装配全部相同的软件，完成相同的控制功能，可以访问所有的资源，能掌握整个系统的状态，控制所有的功能和资源的使用，控制关系及处理机间通信接口简单。
②控制功能的改变一般只修改软件即可，比较方便。
（2）集中控制的主要缺点
①软件包规模庞大，要包括各种不同特性的功能，不便于管理，而且易于受到破坏。
②处理机集中完成所有功能，一旦处理机系统出现故障，会造成整个控制系统失效，因而系统可靠性较低。
3．分散控制
所谓分散控制就是由多个处理机分担完成交换系统控制的任务，每个处理机分别完成不同的功能并控制不同的资源。大容量的程控交换机其控制系统一般采用分散控制方式。分散控制又可分为全分散控制和分级分散控制两种方式。
（1）全分散控制
全分散控制方式也叫单级多机控制方式或分布式控制方式。图3．25是一个全分散控制方式的系统结构示意图。采用全分散控制方式的控制系统，各台处理机并行独立工作，处理机之间不分等级，各有自主能力。每一台处理机有专用的存储器，存储所承担资源部分的状态数据和处理程序，负责一部分容量的呼叫处理任务。也可设置公用存储器，存储系统全局数据和各处理机的工作状态数据，为各处理机之间通信共用。
图3．25 全分散控制方式的系统结构示意图
全分散控制方式具有以下优点：
①各处理机处于同一级别。
②每台处理机只完成部分功能，各处理机要协调配合共同完成整个系统的功能。
③单个处理机上的应用软件相对简单。
④个别处理机出现故障，一般不会导致整个控制系统失效，系统可靠性比较高。
⑤系统具有较好的扩展能力。
全分散控制方式的缺点是，需要设置公共缓存器来存储全局数据和多机之间的通信消息，因为在实际应用中，任何一台处理机所辖用户终端均可能与另一处理机管理域的终端建立呼叫连接，这就需要与其他处理机协同操作，并且全分散控制机制以及对交换网络的管理较复杂。
S－1240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
分级分散控制又称为多级多机控制方式，在信息交换处理过程中，有一些工作执行频繁而处理简单，如用户接口电路的状态扫描和脉冲收号处理等。还有一些工作处理较复杂但执行次数要少一些，如号码数字的分析和路由选择等。至于对系统进行故障诊断等例行维护管理工作，则执行次数更少，但处理很复杂。处理复杂性往往与执行次数成反比，为了适应电路交换处理任务的特点，通常将处理机之间分出等级，不同的处理任务由不同等级的处理机分散处理，各处理机分别完成不同的功能并对不同的资源实施控制，高级别的处理机控制低级别的处理机，协同完成整机的运行管理和控制操作。图3．26是一个三级分级分散控制系统的结构框图，预处理机处于最低一级，每台处理机只负责指定任务的前期处理和基本动作的执行。例如，对用户线路状态变化进行扫描，接收用户呼叫号码等，即用多个预处理机执行频繁而简单的功能，减少中央处理机的负荷；中央处理机（CPU）是实现交换机接续处理的核心处理机，也称为呼叫处理机，由多台处理机同时工作。中央处理机从维护管理处理机中获取系统的资源配置和工作状态，从预处理机中收集各端口的呼叫请求消息，结合资源配置和呼叫服务要求，确定接续动作，产生并向相关设备发送协同建立通信链路的信令消息。即用中央处理机执行分析处理较复杂的功能，也就是与硬件无直接关系的较高层的呼叫处理功能；用维护管理处理机专门执行维护管理的各种功能，如配置系统各设备的参数诊断和分析设备故障等，通常由一台处理机完成。
图3．26 三级分级分散控制方式的系统结构框图
总之，分级分散控制方式具有以下4个特点。
①处理机之间是分等级的，高级别的处理机控制低级别的处理机。
②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。
③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。
④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低。
目前，程控交换机控制系统采用这种分级分散的控制方式，一般采���两级或三级分散控制结构。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，如图3．26所示。处理机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）。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，它的控制系统是由中央处理机和区域处理机两级构成，高级别处理机可控制低级别处理机完成各种功能。(www.xing528.com)
4．多处理机的工作方式
现代程控交换系统容量大，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台，那么多个处理机之间如何分工协调来完成各种任务，也就是程控交换机控制系统的多处理机之间是什么样的工作方式呢？下面作简单介绍。
程控交换机控制系统多处理机之间的工作方式主要可分成功能分担方式、话务分担方式和冗余方式三种。
（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。每台处理机只需装入一部分程序，只承担部分功能，分工明确。缺点是容量较小时，也必须配���全部处理机。图3．27为某个局用程控交换机的系统结构框图。由图可知，该交换机是由用户模块、中继模块、音信号模块和中央处理模块构成，整个控制系统采用的是两级分散控制方式，中央处理模块的CPU为高级别处理机，各模块CPU为低级别处理机。各模块都有自己的处理机系统，完成自���所分配的任务。如用户模块的用户CPU完成对用户线的监视（摘挂机扫描及脉冲拨号的接收）、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；中央处理模块的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，因此这几种处理机之间是按功能分担方式工作的。
图3．27 局用交换机系统结构框图
（2）话务分担方式
话务分担方式又称为容量分担或负荷分担。每台处理机只承担一部分话务的呼叫处理任务，例如，1 000门的用户交换机中有5台处理机，每台处理机控制200门。话务分担方式的优点是处理机数量可随着话务量的增加而逐步增加，缺点是每台处理机要具有所有的功能。在大型程控交换机中，通常将话务分担与功能分担结合使用。
（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，每台处理机一般均有其备用机，当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，以保证系统的正常运行。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，分为双机冗余配置和N＋m冗余配置。
①双机冗余配置
双机冗余配置有一套主用处理机，一套备用处理机，并根据具体工作方式的不同分为同步方式、主/备方式和互助方式。
图3．28 主/备用处理机同步工作模式
·同步方式
主/备用处理机同步工作模式如图3．28所示。双机同时执行一条指令，并比较处理结果，结果相同则继续执行下一条指令，结果不同表明有一台处理机出现故障，处理机立即退出服务，双机分别运行系统检测程序，排除故障或干扰。
同步方式能及时发现故障，由于每执行一条指令都要对结果进行比较，故处理机的效率低，对软件故障不敏感。
·主/备方式
在主/备方式下，主用处理机在线运行，而备用机处于待机状态，也叫做备用状态。按照处理机的工作状态，又可分成热备用和冷备用工作方式，结构如图3．24所示。
冷备用的处理机内不保存动态呼叫数据，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。
图3．29 处理机互助方式示意图
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单机集中控制方式。
·互助方式
在互助方式的主、备用机之间负荷均分，分别承担一半的话务量。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，直到故障排除，处理机重新回到负荷分担的方式，如图3．29所示。
对互助方式的要求是处理机的处理能力要高，因为当出现故障时，单台处理机应能够处理所有的话务量。
互助方式的优点是两台处理机同时发生软件故障的概率较低，对软件故障的防卫能力强；缺点是双机通信较频繁，要避免资源同抢，因而软件设计较复杂。
②N＋m冗余配置方式
N＋m冗余配置就是有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。
5．多处理机之间的通信
在电路交换机系统中，一个完整的呼叫接续过程需要多种功能电路和处理程序参与，多处理机控制系统的不同处理机之间要相互通信、相互配合，共同完成呼叫接续任务。当前在数字程控交换系统中多处理机之间通信主要采用下列几种通信方式：
（1）共享存储器通信结构
共享存储器通信结构是所有处理机都和一个公共的存储器相连，如图3．25所示。所有处理机将各自处理后的信息存入公共存储器，需要处理的信息也要通过访问存储器来获取。这种方式不适合大型交换机分布较远的处理机间的通信，多数用于备份系统。
（2）以太网通信总线结构
目前大部分微处理机均具有以太网接口，因此现代交换系统设计中，内部处理机间通信大量采用这种通信方式。但需要注意的是，以太网通信总线结构需要采用改进型用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）相互通信。原因是在采用以太网通信结构时，以太网协议栈是基于TCP/IP协议的，适合大块数据的可靠传输，而程控交换机的处理机间通信多为长度较短的消息，传输迟延较大，因此需要将TCP/IP协议稍加改进。多机之间总线通信方式如图3．30所示。
（3）利用PCM信道进行通信
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，利用PCM信道进行通信的过程是利用PCM的每一帧的TS16时隙，在中继传输线上来传输交换局间的随路信令，信息到达交换局后，中继接口提取TS16时隙的信令消息，完成呼叫处理。在交换机内部，PCM时分复用线上的TS16时隙是空闲的，因而可以占用PCM线路的TS16时隙作为处理机间的通信信道，来实现处理机之间消息的通信，不需要增加额外的硬件。但通信容量小，固定的消息传送路径多用于分级控制方式中预处理机和中央处理机之间的通信。这种方式灵活方便，便于远距离通信。多机之间PCM通信方式示意图如图3．31所示。
图3．30 多机之间总线通信方式示意图
图3．31 多机之间PCM通信方式示意图
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