Информационная системная магистраль: что в себя включает, принципы. Как называется правила обмена данными по шине.

Содержание

Этот раздел предназначен для тех, кто часто сталкивается с аббревиатурами, сокращениями и терминами и хотел бы лучше понять их значение.

ESB (enterprise service bus): назначение, функционал, новые подходы к развитию

ESB — это программное обеспечение, которое обеспечивает обмен данными между различными информационными системами компании. Ее также называют интеграционной или сервисной шиной. ESB можно рассматривать как конкурентное преимущество, поскольку быстрая связь между корпоративными приложениями экономит время и ресурсы компании. Мы расскажем вам, как строится интеграционная шина, как она работает и какие процессы может выполнять.

В эпоху цифровой трансформации бизнеса практически каждая крупная компания использует множество информационных систем. Они часто работают с пересекающимися наборами данных, будь то информация о продуктах, клиентах, статистика продаж или что-то еще. Если между приложениями нет связей, это огромная трата времени и ресурсов.

Сервисная шина ESB предназначена для интеграции различных информационных систем. Это тип промежуточного программного обеспечения, которое позволяет сервисам, созданным в различных средах, легко и быстро взаимодействовать друг с другом. Обмен данными по шине осуществляется с использованием различных протоколов и форматов, так что интегрируемые системы не требуют изменений. Таким образом, ESB — это промежуточное программное обеспечение, которое обеспечивает преобразование сообщений, управление транзакциями, необходимую маршрутизацию, распределение нагрузки на сервисы и безопасность обмена данными.

Важно

Концепция интеграции многогранна. Сюда входят такие задачи, как использование общих каталогов из разных систем (например, список клиентов, список продуктов), действия одного сервиса в ответ на событие в другом, организация одних и тех же бизнес-процессов в двух или более приложениях. Автоматический обмен данными с клиентами и партнерами и создание единого стандарта для взаимодействия между филиалами также являются примерами интеграции корпоративного программного обеспечения. 1

Чтобы понять это, давайте рассмотрим пример того, как это работает. Предположим, пользователь входит в личный кабинет на сайте страховой компании. Он видит свое имя, срок действия страховки, новые предложения от компании. Все эти данные собираются различными системами и предоставляются через различные интерфейсы. Кроме того, каждое приложение может быть создано разными командами разработчиков на разных технологических платформах.

Как все эти службы могут напрямую взаимодействовать друг с другом? Потому что для получения данных из другого приложения необходимо пройти через сложную, многоуровневую цепочку операций. Хорошо, если таких служб пять или шесть, но что если их десятки или даже сотни? Постоянные сообщения между ними грозят превратиться в настоящий беспорядок. С точки зрения пользователя, это проявится в длительном ожидании и постоянных ошибках приложения. И если хотя бы одну систему необходимо обновить, изменить или разделить между несколькими службами, это неизбежно повлияет на все остальные.

Шина ESB меняет все. Это означает, что приложениям больше не нужно опосредованно взаимодействовать друг с другом; каждое приложение взаимодействует только с интеграционной платформой. Это сразу же устраняет необходимость в большом количестве методов доступа — необходимо только столько интерфейсов, сколько служб.

Интеграция программных модулей

Мы выяснили, зачем компаниям нужен канал бизнес-услуг. Теперь пришло время понять его потенциал. Давайте рассмотрим, какие процессы реализует шина интеграции данных.

Маршрутизация сообщений

Это основная функция ESB: он получает данные от конкретных приложений и направляет их другим приложениям в соответствии с определенными правилами, строит пути информационных потоков и приводит их в порядок. Шина служебных данных содержит средства конфигурации, которые можно использовать для определения необходимых параметров для управления информационными потоками.

Преобразование сообщений

Данные из разных систем могут быть представлены в различных форматах — XML, CSV, JSON, DBF и других. При классическом подходе «точка-точка» это усложняет процесс «общения» между приложениями. Сервисная шина предприятия решает эту проблему путем преобразования данных из неподходящего формата в подходящий. Например, если одно и то же сообщение необходимо отправить в ERP и CRM, ESB преобразует данные в правильный формат и направляет их в соответствующие системы.

Масштабируемость

Это позволяет ESB обрабатывать различные информационные системы и объемы данных, распределяя нагрузку между приложениями. Интеграционная шина обеспечивает передачу любого объема данных и разбивает большие массивы на более мелкие. Частичная обработка в случае сбоя предотвращает потерю данных и необходимость повторной передачи ранее отправленных пакетов. Масштабируемость также гарантирует, что ИТ-ландшафт не обязательно должен быть однородным.

Традиционная архитектура SOA с ESB в основе достигла своего пика несколько лет назад. Но нет предела совершенству, и классический подход обретает новую жизнь. Следующим этапом в эволюции технологий интеграции ESB стала архитектура микросервисов. Это позволило решить типичные проблемы «утолщения» шины бизнес-логикой: неповоротливость, многоуровневость с тесно связанными слоями, сложность изменений и другие недостатки, характерные для монолитного подхода.

Побочное замечание

В сервис-ориентированной архитектуре, частью которой является ESB, все API объединяются для обеспечения сквозной интеграции. API — это своего рода контракт, который определяет условия «общения» между программами: Входные и выходные данные, типы функций. Использование API значительно упрощает взаимодействие: оно объединяет возможности различных сервисов и формирует интерфейсы, к которым могут обращаться разные пользователи 4.

Чем отличается микросервисная архитектура от традиционного подхода с ESB шиной?

Функциональность разделена на небольшие сервисы, каждый из которых отвечает за отдельную (идеально решенную) бизнес-задачу, поддерживается командой и может работать изолированно от других. Центральной базы данных не существует; каждая служба имеет собственное хранилище информации. Однако ESB служит только в качестве транспортной среды; по сути, это просто брокер сообщений. Взаимодействие между пользователем и сервисами также осуществляется через API, но программный интерфейс не содержит никакой бизнес-логики 5 .

Независимость микросервисов друг от друга дает ряд преимуществ для функционирования и развития оперативной информационной системы:

легкая модификация приложений без необходимости обновления всей системы,
простота тестирования и автоматизации отдельных компонентов системы,
Лучшее понимание процесса командой поддержки — если за каждым компонентом следят 1-2 разработчика, каждый точно знает свои задачи.

При выборе интеграционной платформы лучше всего остановиться на гибком решении, которое покрывает все текущие потребности. На данный момент это программное обеспечение с открытым исходным кодом и интеграционные технологии, основанные на архитектуре микросервисов.

Шина имеет свою собственную архитектуру, которая позволяет реализовать ее важнейшие свойства — возможность параллельного подключения практически неограниченного количества внешних устройств и обмена информацией между ними. Архитектура шины состоит из следующих элементов:

Какие компоненты включает в себя системная шина

Системная или процессорная шина (FSB) — используется чипсетами для передачи данных между процессором и видеокартой, оперативной памятью.
Кэш-память — используется для организации обмена данными между кэш-памятью и центральным процессором. Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая увеличивает производительность шины.
Память — интерфейс для связи между центральным процессором и оперативной памятью.
I/O — интерфейсы подключения для внешних устройств.

Статья по теме: Разница между моно и стерео. Что лучше стерео или моно.

Последний тип шин подразделяется на местные и стандартные.

Локальная шина — интерфейс для подключения высокоскоростных устройств (видеоадаптер, сетевая карта) к центральному процессору. В основном это шина PCI-e.

Standard Bus I/O — интерфейс для подключения к другим устройствам медленной шины: мышь, клавиатура, аудиоустройства. Благодаря своей архитектуре он поддерживает параллельное подключение нескольких внешних устройств.

Системная шина является модульной, поэтому модули можно присоединять и отсоединять без негативного влияния на работу компьютера. Модульность также позволяет заменять поврежденные или устаревшие компоненты и расширять функциональность за счет добавления новых устройств: второй видеокарты, жестких дисков, модулей оперативной памяти, взаимодействие которых управляется и координируется процессором.

Логически, основа системы состоит из трех уровней.

Шина данных

Он обеспечивает прямую пересылку пакетов данных между компонентами компьютера и процессором. Чем выше битовая глубина и тактовая частота, тем быстрее происходит обмен данными. Большинство компьютерных материнских плат используют 64-битную линию данных, которая соответствует размеру бит процессора.

Шина адреса

Он необходим для адресации устройств из процессора. Каждый крошечный компонент компьютера имеет свой уникальный адрес: регистр, ячейка оперативной памяти, необходимый для его идентификации. Битовая глубина шины адреса определяет, скольким компонентам компьютера центральный процессор может присвоить идентификатор. Адресное пространство вычисляется по формуле 2n, где n — битовая глубина шины адреса.

Большинство старых ноутбуков и компьютеров с 32-разрядными процессорами используют 32-разрядную шину. Он может адресовать 232 = 4 ГБ устройства. Здесь кроется ответ на вопрос, почему старый компьютер распознает только 3,25 ГБ оперативной памяти: процессор сначала обращается к критическим компонентам системы, затем к видеопамяти, затем к периферийным устройствам, затем к контроллерам. В основной памяти содержится только 3,25 миллиарда из примерно 4 миллиардов адресов. В современном компьютере адресная шина имеет длину 64 бита. Адресного пространства достаточно для размещения 264 компонентов.

Шина управления

Инфраструктура с низкой пропускной способностью для передачи служебных сигналов: готовность к чтению/записи, подтверждение отправки или отмены и управление прерываниями.

Характеристики

Пропускная способность — это количество параллельных каналов связи и, следовательно, количество битов, которые можно передавать параллельно. Первые кабельные комплекты были 8-битными, тогда как сегодня распространены 64-битные.
Частота часов — это количество машинных циклов в секунду. В основном он измеряется в МГц.
Пропускная способность — указывает на количество байтов, передаваемых в единицу времени по сети. Он определяется как скорость передачи битов, умноженная на тактовую частоту.

ISA, EISA, VESA — старые, малоиспользуемые стандарты для подключения карт расширения.
PCI — устаревшая магистраль для коммутации высокоскоростных устройств.
AGP — старый интерфейс для графической подсистемы.
PCIe — современная шина для обмена информацией между процессором и видеокартой.
USB — универсальный интерфейс для высокоскоростного обмена данными — подключения устройств хранения данных, периферийных устройств: Принтеры, многофункциональные устройства.
SATA — набор стандартов для подключения жестких дисков и твердотельных накопителей.
M.2 — инновационное решение для высокоскоростной коммутации твердотельных накопителей.

Тесты

Адресуемый.
Управляется.
Память.

Какая шина обеспечивает связь между различными устройствами компьютера?

Система.
Управляется.
Контроль.

Модульный принцип компьютерного оборудования позволяет пользователю:

Быстро разберите компьютер, чтобы очистить его от пыли.
Обновляйте его самостоятельно.
Устанавливать очень старое оборудование на новые компьютеры.

Как называются правила, используемые для связи по шине?

2. определить, есть ли вход или выход; получить выходные данные или управляющую информацию с шины, если есть выход, и поместить входные данные или информацию о состоянии на шину, если есть вход.

Верхний уровень: от гирлянды до целой рабочей станции

Верхний слой — это то, к чему может прикоснуться простой смертный, контролирующий процесс. В простейшем случае верхний слой состоит из ряда ламп и кнопок. Лампы сообщают оператору, что происходит в системе, а кнопки используются для подачи команд системе управления. Систему часто называют «гирляндой» или «рождественской елкой», потому что она очень похожа на нее (как видно на фотографии в начале статьи).

Если оператор более удачлив, то верхним уровнем является панель оператора — своего рода плоский экран, который получает данные от системы управления и отображает их на экране. Такая панель обычно устанавливается в самом шкафу управления, поэтому управлять ею обычно приходится стоя, что непрактично, а качество и размер изображения — если это небольшая панель — оставляют желать лучшего.

Наконец, аттракцион невиданной щедрости — рабочая станция (и даже некоторые экземпляры), представляющая собой обычный персональный компьютер.

Специальное программное обеспечение используется для визуального отображения информации на рабочих станциях и плоских экранах — системах SCADA. SCADA на человеческом языке означает «Система диспетчерского контроля и сбора данных». Она включает в себя множество элементов, таких как человеко-машинный интерфейс, отображающий технологические процессы, система управления процессом, система архивирования и регистрации параметров, система управления аварийными сигналами и так далее. Все это дает оператору полную картину процессов, происходящих на производстве, а также возможность контролировать их и немедленно реагировать на отклонения от технологического процесса.

Аппаратное обеспечение верхнего уровня должно каким-то образом взаимодействовать с контроллером (что еще ему нужно?). Это требует использования протоколов более высокого уровня и какой-либо технологии передачи данных, например, Ethernet или UART. В случае с «елкой», конечно, такие сложности не нужны — гирлянды включаются по обычным физическим проводам, никаких сложных интерфейсов и протоколов не требуется.

В целом, этот более высокий уровень менее интересен, чем полевая шина, потому что этот более высокий уровень может даже не существовать (кстати, оператору нечего видеть, контроллер сам решает, что и как делать).

«Древние» протоколы передачи данных: Modbus и HART

Мало кто знает, что Бог не отдыхал на седьмой день от сотворения мира, а создал Modbus. Наряду с протоколом HART, протокол Modbus, вероятно, является самым старым протоколом для передачи данных в промышленности, который был разработан еще в 1979 году.

Первоначально в качестве среды передачи данных использовались последовательные интерфейсы, позже Modbus был основан на TCP/IP. Это современный протокол «ведущий-ведомый», использующий концепцию «запрос-ответ». Протокол довольно тяжелый и медленный, скорость обмена зависит от характеристик приемника и передатчика, но обычно находится в диапазоне сотен миллисекунд, особенно при использовании через последовательный интерфейс.

Кроме того, регистр передачи данных Modbus является 16-битным, что напрямую ограничивает передачу данных вещественного и двойного типов. Они передаются либо сегментами, либо с потерей точности. Хотя Modbus по-прежнему широко используется в приложениях, где не требуется высокая скорость передачи данных и потеря данных не критична. Многие производители различных устройств хотят расширить протокол Modbus своим оригинальным способом, добавляя нестандартные функции. Поэтому этот протокол имеет множество мутаций и отклонений от стандарта, но он по-прежнему успешно живет в современном мире. Протокол HART также существует с 1980-х годов. Это промышленный протокол обмена данными по двухпроводной линии токовой петли, который напрямую соединяет датчики 4-20 мА и другие устройства с поддержкой HART.

Для коммутации линий HART используются специальные устройства, называемые HART-модемами. Существуют также преобразователи, которые предоставляют пользователю выход, например, протокола Modbus.

HART, пожалуй, характеризуется тем, что помимо аналоговых сигналов датчиков 4-20 мА в цепи передается цифровой сигнал самого протокола, что позволяет соединить цифровую и аналоговую части на одной кабельной линии. Современные HART-модемы могут быть подключены к USB-порту контроллера, через Bluetooth или традиционным способом через последовательный интерфейс. Около десяти лет назад был также разработан радиостандарт ISM WirelessHART, который похож на Wi-Fi.

Статья по теме: Как устроен биткоин. Как работать с биткоином.

Второе поколение протоколов или не совсем промышленные шины ISA, PCI(e) и VME

Протоколы Modbus и HART были заменены непромышленными шинами, такими как ISA (MicroPC, PC/104) или PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC) и VME.

Это эпоха компьютеров, имеющих универсальную шину данных, к которой могут быть подключены различные модули для обработки какого-то унифицированного сигнала. Обычно в этом случае процессорный модуль (компьютер) вставляется в так называемое шасси, которое обеспечивает взаимодействие шины с другими устройствами. Шасси, или, как его ласково называют в тяжелой автоматике, «коробка», заполняется необходимыми платами ввода/вывода: аналоговыми, дискретными, интерфейсными и т.д., либо все это размещается без шасси — одна плата на другой. Затем эта разновидность связывается по шине (ISA, PCI и т.д.) с процессорным модулем, который получает информацию от датчиков и применяет некоторую логику.

Контроллер и модули ввода/вывода в шасси PXI на шине PCI. Источник: Корпорация National Instruments

С такими шинами ISA, PCI(e) и VME это не имело бы значения, особенно по нынешним временам: и скорость обмена не нарушается, и компоненты системы находятся в одном корпусе, компактном и удобном, горячей замены карт ввода/вывода, может быть, и нет, но она пока и не нужна.

Но в этом деле есть своя муха, и не одна. Распределенную систему в такой конфигурации настроить сложно, шина — это локальный обмен, нужно найти что-то для обмена данными с другими подчиненными узлами или теми же узлами, тот же Modbus по TCP/IP или любой другой протокол, в общем, не совсем удобно. А второй не очень удобен: платы ввода-вывода обычно ожидают только один сигнал, и у них нет гальванической развязки с полевыми устройствами, поэтому приходится ставить множество коммутационных модулей и промежуточных схем, что значительно усложняет компонентную базу.

Взаимосвязанные модули преобразования сигналов с гальванической развязкой. Источник.

«А как насчет протокола связи полевой шины?». — спросите вы. Но ничего. В этом приложении его не существует. По кабельным линиям сигнал от датчиков поступает на преобразователи сигналов, преобразователи подают питание на дискретную или аналоговую карту ввода/вывода, а данные с карты считываются операционной системой через порты ввода/вывода. И все это без каких-либо специальных протоколов.

Инфраструктура с низкой пропускной способностью для передачи служебных сигналов: готовность к чтению/записи, подтверждение отправки или отмены и управление прерываниями.

Верхний уровень: от гирлянды до целой рабочей станции

«Древние» протоколы передачи данных: Modbus и HART

Второе поколение протоколов или не совсем промышленные шины ISA, PCI(e) и VME

Статья по теме: Новейшее оружие России. Что стоит на вооружении российской армии.

Контроллер и модули ввода/вывода в шасси PXI на шине PCI. Источник: Корпорация National Instruments

Взаимосвязанные модули преобразования сигналов с гальванической развязкой. Источник.

Стандартный выход или выход с двумя состояниями (обозначается как 2C, 2S, реже TTL, ТТЛ ),

Как называется правило обмена данными по шине

выход с открытым коллектором (обозначен как OK, OC),

выход с тремя состояниями или (то же самое) с возможностью деактивации (обозначаются как 3C, 3S).

В упрощенном виде эти три типа выходных каскадов могут быть представлены диаграммами на рисунке 1.7.

На выходе 2C две кнопки поочередно замкнуты, что соответствует уровням логической единицы (верхняя кнопка замкнута) и логического нуля (нижняя кнопка замкнута). На выходе ОК закрытый ключ образует логический ноль, а открытый ключ — логическую единицу. На выходе 3C ключи могут быть закрыты по отдельности (как в случае с 2C) или открыты одновременно, создавая третье высокоимпедансное состояние. Переход в третье состояние (состояние Z) управляется сигналом на специальном входе EZ.

Выходные каскады типов 3C и OK позволяют объединить несколько выходов микросхем в мультиплексированные (рис. 1.8) или двунаправленные (рис. 1.9) линии.

При использовании выходов 3C убедитесь, что одновременно активен только один выход в линии и что все остальные выходы находятся в третьем состоянии в данный момент времени, иначе могут возникнуть конфликты. Объединенные выходы UC могут работать одновременно без конфликтов.

Вопрос 1

1. как называется группа линий связи, используемых для обмена данными между различными компьютерными устройствами?
Вопрос 2
2. как вы называете группу линий связи, по которым передаются служебные сигналы для обмена данными?

Варианты ответов

Шина данных

Адресная шина

Шина управления

Тест по теме «Магистрально-модульная организация компьютера»

Вопрос 3

Каковы правила обмена данными на шине?

Вопрос 4

4 Как называется электронная схема для управления внешним устройством и для простой предварительной обработки данных?

Вопрос 5.

Отметьте все верные утверждения о принципе открытой архитектуры.
Варианты ответов
Параметры автобуса открыты для всех

каждый может разрабатывать устройства, соответствующие стандарту

компьютеры имеют стандартные слоты для устройств

любое новое устройство может быть подключено к компьютеру

для каждого нового устройства необходимо установить драйвер

Вопрос 6

6 Определите метод связи с внешним устройством: «Преимущества: 1) простота; 2) не требуется дополнительного оборудования. Недостаток: большая потеря времени обработки. «

Вопрос 5.

Вход/выход с программным управлением
Обмен прерываниями
прямой доступ к памяти
Вопрос 7
7 Определите способ обмена данными с внешним устройством: «Обмен данными происходит по запросу внешнего устройства, при этом процессор выполняет специальную подпрограмму».

Варианты ответов

вход/выход с программным управлением

Вопрос 5.

прямой доступ к памяти
Вопрос 8
8 Определите метод обмена данными с внешним устройством: «Обмен данными инициируется центральным процессором, а затем полностью контролируется контроллером внешнего устройства».

Варианты ответов

Вход/выход с программным управлением

Вопрос 5.

прямой доступ к памяти
Вопрос 8
8 Определите метод обмена данными с внешним устройством: «Обмен данными инициируется центральным процессором, а затем полностью контролируется контроллером внешнего устройства».

Шина — это проводка на материнской плате, с помощью которой компоненты и устройства компьютера обмениваются данными друг с другом. Назначение шины — обеспечить обмен информацией между двумя или более устройствами. Шина, соединяющая только два устройства, называется коннектором. На рисунке 1 показана структура шины.

Шина имеет средства подключения внешних устройств — сокеты, которые таким образом становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными устройствами.

Вопрос 5.

прямой доступ к памяти
Вопрос 8
8 Определите метод обмена данными с внешним устройством: «Обмен данными инициируется центральным процессором, а затем полностью контролируется контроллером внешнего устройства».

Шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью и центральным процессором,

Шины ввода/вывода делятся на стандартные и местные.

Шины персонального компьютера

Локальная шина ввода-вывода — это высокоскоростная шина, используемая для обмена информацией между высокоскоростными периферийными устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами, картами сканеров и т.д.) и системной шиной под управлением центрального процессора. В настоящее время шина PCI используется как локальная шина. Компания Intel разработала шину AGP (Accelerated Graphics Port) для ускорения ввода/вывода видео и повышения производительности компьютера при обработке трехмерной графики.

Стандартная шина ввода-вывода используется для подключения более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модема, старых звуковых карт) к вышеуказанным шинам. До недавнего времени в качестве такой шины использовалась стандартная шина ISA. Сегодня такой шиной является шина USB.

Шина имеет собственную архитектуру для реализации своих важнейших свойств — возможности параллельно подключать практически неограниченное количество внешних устройств и обеспечивать обмен информацией между ними. Каждая архитектура шины включает следующие элементы:

Линии обмена данными (шина данных),

Линии адресации данных (шина адреса),
линии управления данными (шина управления),
контроллер шины.
Контроллер шины управляет процессором обмена данными и служебными сигналами и обычно изготавливается в виде отдельной микросхемы или совместимого чипсета.

Шина данных обеспечивает обмен данными между центральным процессором, картами расширения, установленными в слотах, и основной памятью. Чем больше битовая глубина шины, тем больше данных может быть передано за тактовый цикл и тем выше производительность компьютера. Компьютеры с процессорами 80286 имеют 16-разрядную шину данных, компьютеры с процессорами 80386 и 80486 — 32-разрядную шину данных, а компьютеры с процессорами семейства Pentium — 64-разрядную шину данных.

Шина адреса используется для указания адреса каждого устройства ПК, с которым взаимодействует ЦП. Каждый компонент компьютера, регистр ввода-вывода и ячейка оперативной памяти имеют свой адрес и являются частью общего адресного пространства компьютера. По шине адреса передается идентификационный код (адрес) отправителя и/или получателя данных.

Шина имеет свою собственную архитектуру, которая позволяет реализовать ее важнейшие свойства — возможность параллельного подключения практически неограниченного количества внешних устройств и обмена информацией между ними. Архитектура шины состоит из следующих элементов: