（计算机应用技术专业论文）可用于全军的通信指挥自动化系统设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着光纤通信系统在我军通信领域中的广泛使用，我军军事通信网的容量、 速率有了极大的提高，同时这又对我军的通信指挥，保障工作提出了更高的要 求。本文针对我军现行的人工的通信指挥、值勤维护管理工作特点，结合计算 机、数据库及单片机技术理论的研究，提出了可用于全军的通信指挥自动化系 统，解决了现有人工操作中存在的时蚓性、科学性、效率性不佳的问题。 首先，本文讲述了我军通信网发展概况、通信指挥保障现状，同时指出了现 行通信指挥保障中人工操作存在的各种问题。 其次，针对目前人工操作中存在的问题提出了解决方案，阐述了新系统设计 的目标、任务，并结合人工手动操作实例实现了通信指挥调度终端硬件系统及 驱动程序；同时通过对系统结构和功能方面的分析，进行了软件方面的分析与 设计，并综合采用s o c k d 编程技术、多进程线程编程技术、数据库编程技术系 统地、完整地实现了了软件系统各个功能模块。系统经过测试达到了预期设计 的目的。 最后，本文对可用于全军的通信指挥自动化系统进行了简单的讨论，根据发 展趋势，给出了本系统的总结和发展前景。 关键字：通信指挥，电路调度，系统 了 a b s t r a c t a b s t r a c t 晰t l lm e 、】l ，i d e s p r e a du s eo ff i b e ro o m m 砌c a t i s y s t e mi i im ep l m c c a p a b i l i qa n dv e l o c i t yo f m a r t i a lc o m m i l i l i c a t i o nn e t w o f ko f t l l ep l a h a v ei m p r o v e d v e r ym u c h a tt h es 锄et i m e t 1 1 a td e m a n d st l l ec o 埘_ 1 1 1 l l i l i c a t i o nc o m m a i l do f m ep l a 酊m r 姐t e ew o r k i n gg e t sb e t t e r a i m i n ga tt h ew o r k i n gf e a t u r e so fg o t - u pc o m m a n d o f t h ep l a ，m el i mo fd u 吼m a i m e n 鲫c e ，m 锄a g e m e n ta i l dc o m b i n j n gc o m p u t 蛐b a a n ds i n 9 1 ec h i pm a c l l i n et e c h n o l o 百e s ，t h e 也e s i sp m p o s e sc 咖m u n i c a t i o n a u t o i m m u n i 髓t i o nc o m m 跏ds y s t c mf o rt l l ep l a 趾ds o l v e st l l ep m b l e m st h a te x i s t s i i ig o t - u ps y s t e i i l s u c h 髂t i m e ，i e n c e 锄de m c i e n c yp r o b l e m f i f s t l y ，t l l et i l e s i sd i s c 璐s e sn l ed e v e l o p m e n ta c t i l a l i 劬c o m m u n i c a t i o n 毋l a r a n t e e a c n 豫l i 哆o f c o m m u l l i c a t i o nn e t w o r ko f t h ep l a a n dp o i n t so u tt 1 1 ep r o b l e i t l sm a te x i s t ma c = t i l 脚g o t u ps y s t 咖 s e c o n d l y a i l i l i n ga tt h ep r o b l e m sm a te x i s ti na c t u a lg o t u ps y s t e m ，m et l l e s i s p u t sf o n 佃r ds c h 锄ea i l d s t a t e st i 把g o a i ，c o i i t e n t so fs y s t e ma r i d d e s i g na 1 1 d i m p l e r n e n t ss c h c d l l l e 咖i n a lh a r d w a 坨s y s t e ma 1 1 d t i l ed r i v e r s o nt i l eb a s i so f a 1 1 a l y z i n gs o n w a r es 眦t l l 】c 锄d 铀c t i o i l t h et 量l e s i sd o e ss o 丘w a r e sa i l a l y s i sa n d d e s i g n t h es y s t c mu s 嚣s o c k e tp r o g r a 咖i n g ，m u i t i t l l r e a d i n gp f o 黟i n ga f i d d a t a b 鹤et e c h l o l o 百e st oi m p l e m e ma l lf i l n c t i o nm o d u l e ss y s t e m i c a l l ya n dt o t a l l y 1 h o u 班t e s t i n g ，m es y 豇e ma c h i e v e s l ea i mw h i c hi s 既p e c t e d l t l y ，m et l l e s i sd i s c l l s s c sc o m m u n i c a t i a u t o i m m l 】i l i z a t i o ns y s t e ms i m p l y a 1 1 d a c c o r d i n gt od e v e l o p m e n tc u 小m t ，p r e s e r i t st h es 删n g u pa n dd “e l o p m 明t p r o s p e c t k e ) r w o r d ：c o 衄u n i c a t i o ng i l i d a r i c e ，c i r c u i ts c h e d u l i n 岛s y s t e m 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关丁收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位沦文的印刷奉和电子版本；学校有权保存学 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x c r 缩写t m ) 形式，即通常两个相邻台站之间的通信联 络主要是由“点对点”对开设备方式进行。这时，上游节点传过来的一部分信 号下地自己使用，一部分通过物理端口转接到下一个站后继续i ；i 传。如下图所 示： - 一一r k 硅叠信信i t 一一一+ 图1 1 通信网系统组织图 第一章绪论 因此，当信息从起始节点按指定路由到达目的节点时，需要路由中各节点相互配 合进行站内转接，从而实现信息的长途传输，转接通常是在数字分配架d d f 或音 频分配架v d f 上完成的，这整个过程在军方的值勤业务中称为“电路调度”【l 】幽， 通信保障中使用的“专线”也是通过这种方式来建立的。 在上述系统中，当某节点或节点日j 光缆出现通信故障时，信号的长途传输 在该点上将中断，为了使信号能够继续i i f 传到达目的地，此时需要将这些信号 的电路从其它路由迂回而继续前传，这时也需要相关通信节点进行信号的站内 转接，也就是军方电路调度的另一个目的：故障处理。 在本地网内也部分地存在另一种类型的网络：自愈环网。在这种系统内信 号的传输也是由点对点的连接方式进行，不同的是系统容量是双倍冗余的，即 在正常情况下，总有一部分容量是闲置着的，只有在某点出现故障时( 如某点 光缆中断) ，系统自动启动自愈功能，不需要人为转接干预自动用另一部分闲置 的通道来进行自愈导通，从而避免通信中断，这给军方通信网的故障处理带来 了极大的方便。但由于自愈功能平时需要双倍的容量作开销，对于大容量的长 途传输系统来说不经济实用，因而只是部分地用于本地网内。 第二节我军通信保障现状及存在问题 随着传输系统容量的日益增加和对通信保障要求的提高，我军成立了专门 的通信指挥保障分队，专门完成全军各通信部队的通信保障工作，各通信台站 也就是在这样的需求下建立的。通信台站一方面主要负责维护、测试通信设备， 确保通信设备处于良好的工作状态。另一方面负责组织通信电路的指挥调度工 作，以便于为各部队提供通信信道和故障处理。具体工作如下： 对本站内通信设备资源进行登记，记录下已使用的和空闲的信道端口并 写在机历本上，实时更新端口的使用情况； 定期对空闲的通信端口进行信道误码率测试、空闲的模拟信道通话质量 测试并作好记录，有误码的端口要查出故障原因，并进行处理以及在机 历本上作好记录。 进行电路调度工作。遇到抢险救灾、战备训练、临战、演习等特殊情况， 需要进行长途电路调度工作，以建立相应的长途通信信道专线束满足战 场需求，所需的专线有数字类型的，也有模拟类型的，持续使用时间也 2 第一章绪论 不固定，由几个小时至数月，这些需求是现有的程控交换机和移动电话 不能满足的。由于长途传输系统是由若干个通信台站组成，两个相邻台 站之日j 的通信联络主要是由“点对点”对开设备方式进行，所以调度时 需要各个通信台站之间相互配合完成电路的转接，实现信号的长途传 输。另外，当遇到某通信站或某点光缆线路出现故障时，需要将信号从 其它站迂回，从而实现信号的长途传输，这时也需要进行电路调度工作。 报文密电处理、收发文件、传达各级指示等业务工作。 然而，我军固定通信台站对于长途通信传输系统的管理仍然是传统的人工管 理和纸介质存储：电路调度指挥工作主要是靠人工组织，操作方式主要是手动 完成，因此出现了以下问题： 随着长途传输系统容量的不断增加，通信台站人工维护的工作量越来越 大，负担越来越重； 电路调度方案得不到优化。问题严重时将导致全网某点资源瓶颈、短缺 情况出现。现在的人工操作系统中，电路调度指挥工作是人工组织，由 于调度指挥员不可能实时掌握网络中各节点通信资源使用情况，因此在 根据起点站和目的站决定调度的路由时带有一定主观盲目性，在这种情 况下决定的调度方案存在隐患。在实际工作中，也经常由于这种盲目性 导致调度时由于某路由节点资源缺乏而不得不修改路由方案重来； 电路调度时间过长。在现有的人工系统中，具体调度步骤为：指挥员根 据起点站、目的站和作战意图决定路由经过的节点，然后把调度命令( 包 括全程路由和电路参数) 传达给起点站，由起点站组织进行调度；起点 站接收到调度命令后，立即查阅登记有通信端口的机历本，约定与下一 站将要使用的空闲端口( 由于相邻台站问设备是点对点对开的) ，并进 行端口的人工手动连接，同时电话通知其下一站和传达指挥员的命令， 下一站收到命令后也是按照查阅机历本资料、确定与上一站使用的物理 端口、确定与下一站使用的物理端口、人工手动连接确定的两个物理端 口，同时电话通知再下一站，这样逐站通知、转接直到全线调通。整 个调度过程需要很多的人力资源参与，组织、协调、请示、汇报需要花 费大量的时日j ，如果遇到特殊情况如某点出现资源不足时，需要逐级请 示报告，重新修改调度路由进行调度，这时更是需要漫长的时间。这可 以从我军固定通信台站值勤维护管理条例的规定中看出：调度一条 3 第一章绪论 2 m 数字链路2 0 分钟，每经过一次转接需要l o 分钟。这种工作模式已不 能满足现代战争对通信保障快速、敏捷、准确的需要。科学化、智能化 的通信值勤维护管理、调度：稳定、可靠的通信保障越来提上了新的日 程。 第三节本文主要工作 本文结合目前我军固定通信台站通信指挥调度工作的实例，研究并实现了可 用于全军的通信指挥自动化系统软件、硬件系统。 本文主要工作为： 第二章根据目前存在的问题，提出了解决方案，分析了采用的技术路线 及涉及用到的方法。 第三章通过对硬件终端功能的分析，进行了模块化的电路设计，运用单 片机技术实现了终端硬件系统及驱动程序。 第四章对系统功能进行了分析研究，重点对系统的软件方面进行了模块 化的分析与设计。 第五章对系统实现用到的关键技术进行介绍、阐述，并实现了软件部分 各个功能模块。 第六章总结全文，指出了系统的特点和存在的不足。 4 第二章解决方案的提出及相关知识点 第二章解决方案的提出及相关知识点 近几十年来随着计算机技术、数据库技术，智能信息处理技术、信息安全技 术等关键技术的同臻成熟，为全军通信指挥自动化系统的研究和开发提供了技 术支持。 第一节系统分析 系统分析是应用系统思想和方法，把复杂的对象分解成简单的组成部分，找出 这些部分的基本属性和彼此之间的关系。方法是把事物作为一个整体来研究， 把一个研究对象看作一个系统，从系统整体观点出发研究系统内部各组成部分 之间的有机联系和与系统外部环境的相互关系及变化过程，它所注意的焦点是 如何改进或重新设计人类系统以及如何设计更有效地达到目标的全新系统 【3 1 1 4 1 【5 1 。 系统分析的任务就是借助于当前系统的逻辑模型导出目标系统的逻辑模型， 要回答新系统“做什么”这个关键性问题。其实现步骤如下图2 1 所示，只有明 确了问题，才有可能解决问题。否则，方向不明，无的放失1 6 j 。 图2 1 参考当前系统建立目标系统 全军通信指挥自动化系统在系统分析阶段的基本任务是：引导用户，和用户 一起，用系统的思想和方法，充分了解用户的要求，对其业务活动进行全面的调 查分析，详细掌握有关的工作流程，收集业务资料、报表等，分析现行系统的局 限性和不足之处，找出制约现行系统的“瓶颈”，确定新系统的逻辑功能，根据 5 第二章解决方案的提出及相关知识点 目| j 的条件，找出可靠的方案。针对现行人工系统中存在的问题，本文提出如 下总体部署方案( 见图2 2 ) 图2 2 系统总体部署 该系统由广域网、通信资源信息数据库、硬件交叉连接终端和应用软件系统 操作平台几部分组成： 广域网：本文想依托现有的军事通信专用网，建立全军范围内的广域网。各 个通信站( 节点) 均加入到网络中，实现所有业务均在网上作业。目前军队 内部大部分节点已纳入了军队内部专用广域网，这给系统的开发提供了网络 支持，对于那些目i ； 还没有入网的节点，可以方便利用现有的s d h 等通信 设备提供的宽带以太网接口接入军事通信专用网。 通信资源信息数据库系统：保存有各节点通信资源端口的使用信息以及相关 业务需求信息。由于网络覆盖面广，节点数量众多，结合部队行政上下级组 织结构和权限等级要求，采用了分饰式数据库系统。 智能调度终端：这是一个程控的交叉连接系统，它不仅能完成模拟话音的转 接，也能完成数字信号的转接工作。主要负责完成站内各种通信物理端口的 多路交叉连接，代替原有的人工转接操作方式。 6 第二章解决方窠的提出及相关知识点 软件系统操作平台：这是一个集通信值勤、指挥和测试为一体的通信指挥平 台，在这个操作平台上可以完成目前通信保障中各种各样的需求。 第二节系统的主要功能 本系统具有以下主要功能 通信值勤无纸化作业。设备、人员管理自动化。 电路调度方案最优化。自动从全网的角度考虑调度路由，来保证方案的最优， 达到全军、全网各通信节点通信资源负载均衡，有效防止某点电路资源不足 甚至短缺。 调度过程自动化。调度时数字电路的转接、音频电路等的连接由计算机和单 片机协调控制，不需要人工手动操作。 远程资源共享。系统运行时只要轻点鼠标，即可方便地查看权限范围内远程 各通信站通信资源使用情况，为调度指挥员提供辅助决策。 第三节系统软件、硬件环境设计 2 3 1 面向对象的方法 在开发企业应用过程中，结构化程序设计语占和结构化分析与设计起到一 定的作用，随着应用的不断扩展，结构化方法开始无法满足用户需求的变化。 提高软件质量，缩短软件开发周期，提高软件可靠性、可扩充性和可重用性迫 使软件界人士不断研究新方法、新技术，探索新途径。 面向对象的方法是一种分析方法、设计方法和思维方法。面向对象方法学 的出发点和所追求的基本目标是使人们分析、设计与实现一个系统的方法尽可 能接近人们认识一个系统的方法。也就是使描述问题的问题空间和解决问题的 方法空间在结构上尽可能一致。其基本思想是：对问题空间进行自然分割，以 更接近人类思维的方式建立问题域模型，以便对客观实体进行结构模拟和行为 模拟，从而使设计出的软件尽可能直接地描述现实世界，构造出模块化的、可 重用的、维护性好的软件，同时限制软件的复杂性和降低开发维护费用。 面向对象程序设计方法起源于六十年代末期，到了七十年代末期，软件行 业正受到软件危机的困扰，结构化的开发方法不能够很好地解决软件危机。面 7 第二章解决方案的提出及相戈知识点 向对象语占的出现，进一步发展和完善了面向对象的程序设计语占，从此面向 对象也和开发方法开始结合，出现了面向对象的开发方法。自8 0 年代后期以来， 相继出现了多种面向对象开发方法，如r 啪b a u 业的o m t ，b o o c h 的 o o d ，c o a d - y o u r d o n 的o o a d ，j a c o b s o n 的o o s e 等，并且在建模符号，图形表达 方式上，各有不同。面对众多的建模语言，用户由于没有能力区别不同语言之 间的差别，因此很难找到一种比较适合其应用特点的语占：其次，众多的建模 语言实际上各有千秋；第三，虽然不同的建模语占大多类同，但仍存在某些细 微的差别，极大地妨碍了用户之日j 的交流。因此在客观上，极有必要在精心比 较不同的建模语言优缺点及总结面向对象技术应用实践的基础上，组织联合设 计小组，根据应用需求，取其精华，去其糟粕，求同存异，统一建模语言。九 十年代中期，产生了u m l ( 统一建模语占) ，并被0 m g ( 0 b j e c t m 黝g e m e m g r 0 1 l p ) 采纳。这是软件工程领域具有划时代重大意义的成果之一。 2 3 1 1 面向对象开发注意的问题 面向对象的程序设计过程中应该注意以下几个问题： 模块化设计。面向对象的设计提供了把系统分解成模块的自然支持，模 块提供对外的统一接口，而隐藏内部实现。但要注意模块的组成要实现 松散耦合、强内聚。模块的组合可以是一个对象或者多个具有消息触发 的对象的组合。 信息封装。通过分离对象的接口和对象的实现来实现信息封装，通过一 定的存取权限来达到用户的安全性操作。 弱耦合、强内聚。无论面向对象的设计还是面向过程的结构化设计，耦 合度和聚合度是表征系统设计优劣的一个标准。 可扩充可重用。面向对象设计重要的两个特征就是多态和继承，多态用 于扩充系统，继承用于重用系统，我们应当尽量运用继承和多态，避免 代码冗余。 2 3 2 统一建模语言i m ， 面向对象的设计方法提出采用建模方法来实现系统分析，分析阶段就是设计 阶段的主要组成部分，所以在系统开发过程中统一建模的表现形式成为面向对 象歼发的重要工作。在1 9 9 5 年由r a t i o n a l 公司提出统一的提倡，于1 9 9 7 年正式 8 第二章解决方案的提出及相关知识点 发布了u m l1 0 。目前u m l 的最新版本是u m l1 3ou m l 用图形方式来进行系 统建模，其主要内容包括： 例视图( u 辩c a d i a g r 蛐) ，主要柬描述外部用户所能观察到的系统功能 的模型图。一个用例就是系统中的一个功能单元，可以描述参与者与系 统之问的一次交互。系统的用例视图应该尽量列出系统中的用例和参与 者，并显示哪个参与者参与了哪个具体的用例。 交互视图( i m e m c t i o nd i a 彤吼) ，交互视图描述了执行系统功能的各个角 色之问相互传递消息的顺序关系，交互视图描述了跨越多个对象的系统 控制流程。主要有两种：顺序图( s e q 咖c ed i a g r 锄) 和协作图( c o l l a b o 豫t i o n d i a g r 锄) 。顺序图表示了对象之间传递消息的时间顺序，用垂直线代表 整个交互过程中对象的生命周期，生命线之间的连线代表消息，顺序图 可以用来说明一个事务的执行过程以及行为顺序。写作图主要用来描述 一次交互中对象和对象之间的关系，也就是对象的具体实现。顺序图和 协作图都可以表示对象的交互关系，但侧重点不同。顺序图用消息的几 何排队关系来表达消息的时间顺序，各角色之日j 的相关关系是隐含的： 协作图用各个对象的几何排列来表示对象间的关系，并用消息来说明这 些关系。 类图( c l 越s d i a 蓼锄) ，主要描述系统中类的组成以及类问的相互关系，关 系主要包括：关联、泛化、依赖。类是应用领域或应用解决方案中概念 的描述。类图可以用不同的精度和抽象级别来描述，在设计初期阶段， 我们可以只建立逻辑模型，设计后期，我们再逐步细化，在模型中增添 类的实现细节，完善类的交互作用。 状态图( s t a t e c h a nd i a 彤吼) ，主要用束描述对象所有可能经历过的所有历 程的模型图。状态图由对象的各个状态和连接这些状态的转换组成，每 个状态时对象在其生命周期中满足某种条件时的模型，当事件发生时( 也 是一种消息) ，触发状态转换。扩态图可以用于描述用户接口、设备控制 器和其它具有反馈的子系统，还可用于描述在对象的生命周期中跨越不 同性质阶段的被动对象的行为，在每个阶段对象有其特殊的行为。 活动图( t i v 时d i a 彤1 1 1 1 ) ，可以看作状态图的一个变体，用来描述执行算 法的工作流程中涉及的活动，即一个工作步骤或一个操作的执行，活动 视图常用来描述一组顺序或并发的活动。 9 第二章解决方案的提出及相关知识点 实现图( 曲p l e m e n 诅t i o nd i a g r a m ) ，主要包括部件图( c o m p o n e md i a g r a m ) 和部署图( d e p l o y m e md i a g r 柚) 。实现图主要为系统的构件以及构件间的 依赖建模，通过这些依赖关系我们可以估计对系统构件的修改带来的影 响，所以系统的实现图可以有效直观的估计构件日j 的耦合度；部署图描 述位于节点实例上的运行构件实例的安排。 在系统建模过程中，我们将建模分为两部分，一部分称为静态视图，包括用 例视图、类图、实现图以及扩展机制的包图，主要提供给设计者系统所用到的 对象、对象问的关系、用户的操作和界面，以及系统的模块结构；另一部分称为 动态视图，包括顺序图、活动图、协作图、状态图，主要提供对象问的消息触 发、触发顺序，以及某个触发时的状态。主要建模方法有两种，一种是面向责 任驱动，将建模重点放在对象的责任和合作，这种建模方式有利于控制复杂度： 另一种是面向数据驱动的建模方法，将建模重点放在数据语义建模、功能建模。 2 3 3 分布式数据库系统 分布式数据库系统( d i s 蛹b u t e dd a t ab 硒es y s t e m ，缩写d d b s ) ，是指数掘物理 上分布而逻辑上集中的数据库系统。分布式数据库系统示意图如下图所示。 图2 3 分布式数据库系统的示意图 物理上分布是指分布式数据库系统中的数据分稚在由网络连接起来的、地 理位置分散的不同站点上，逻辑上集中是指各数据库站点之间在逻辑上是一个 l o 第二章解决方案的提出及相关知识点 整体，并由统一的数据库管理系统进行管理，同时各站点又具有管理本地数据 的能力。被计算机连接起来的不同逻辑单位称为站点或结点，这些站点分散在 不同的地方，大可为不同的国家，小可为同一建筑内的不同位置。 因此，分布式数据库系统可以看成是：计算机网络与数据库系统的有机结合。 当一个用户只访问他所注册的那个站点上的数据时，称为本地( 或局部) 用户 或局部应用：如果用户的访问涉及两个或两个以上站点上的数据，则称为全局用 户或全局应用。 2 3 3 1 分布式数据库系统特点 分布式数据库具有如下基本特点1 7 1 1 8 | 1 9 | ： 物理分布性：分白式数据库系统中的数据不是存储在一个站点上，而是分散 存储在由计算机网络联结起来的多个站点上。所以，分布式数据库系统的数 据具有物理分却性。 逻辑整体性：分都式数据库系统中的数据物理上是分散在各个站点上，但这 些分散的数据逻辑上却是一个整体，它们被分布式数据库系统的所有用户共 享，并由一个分却式数据库系统统一管理。这是分布式数据库的“逻辑整体 性”特点，也是与分散式数据库的最大区别。区别一个数据库是分散式还是 分布式，只要判断它是否支持全局应用，如果支持则是分向式数据库。 站点自治性：站点自治性也称场地自治性，是指各站点上的数据由本地的 d b m s 管理，具有自治处理能力，本地d b m s 可以完成本地局部应用。 由以上三个基本特点，可以导出分布式数据库系统的其他特点，包括： 数据独立性：数据独立性是数据库方法追求的主要目标之一。分布式数据库 系统的数据独立性包括数据的逻辑独立性，物理独立性和分白透明性。分布 透明性指用户不必关心数掘的逻辑分片，不必关心数据是否复制及复制的个 数，分布的物理位置，也不必关心局部位置上数据模型的种类，这些全部由 分布式数据库系统来完成。 集中与自治相结合的控制机制：在分布式数据库系统中，同一站点上的局部 用户共享本站点上的数掘，并由本地数据库进行管理，而在全局范围内，全 局用户共享系统中各个站点上的数据，这种共享由集中的控制机制统一管 理。 适当增加数据的冗余度：在分布式数据库系统中，通过数据冗余来提高系统 第二章解决方案的提出及相关知识点 的可靠性、可用性和改善系统的性能，通过在多个站点上存储数据的副本， 使得当某一站点上的数据破坏时，系统仍可以正常运行。另外，系统还可以 选择用户最近的数据副本进行操作，减少通信代价。 事务管理的分在性：数据的分布性必然造成事务执行和管理的分布性。即， 一个全局事务的执行可分解为在若干个站点上的子事务的执行。同样事务的 原子性、一致性、可串行性、隔离性和永久性以及事务的恢复都要考虑分布 性。 2 3 3 2 分布式数据库系统的分类 可以按两种不同的分类方法对分布式数据库系统进行分类：一种是按构成 分布式数据库系统的局部数据库管理系统的模型来进行分类；另一种是按分布 式数据库系统的全局控制系统的类型进行分类。 按局部数据库管理系统的模型可以将分布式数据库系统分为两大类；同构型 d d b s 和异构型d d b s 。同构型d d b s 指各个站点上的局部数据模型均是同一 类型( 例如都是关系型) ，若各个站点上的局部数据模型为不同类型，则称该数据 库系统为异构型d d b s 。在同构型d d b s 中又可以分为同构同质型和同构异质 型。如果各个站点上的数掘库的数掘模型是同一类型，且是同一种d b m s 则称 该分布式数据库系统是同构同质的，否则称其为同构异质。 按分布式数据库系统的全局控制系统的类型可以将分布式数据库系统分为 三类：集中型d d b s 、分散型d d b s 、可变型d d b s 。如果d d b s 中的全局信息 位于一个中心站点时，称为集中型d d b s 。如果每一个站点上包含全局控制信息 的一个副本，称为分散型d d b s 。可变型d d b s 中，所有站点分成两组，一组 站点包含全局控制信息副本，称为主站点，而另一组站点不包含全局控制信息 的副本，称为副站点。 2 3 3 3 分布式数据库管理系统的功能结构 分布式数据库系统中除系统本身的硬件和软件( 包括操作系统、语言及语占 编译程序、应用程序) 外，主要组成部分有：局部数据库、全局数据库、局部数 据库管理系统，全局数据库管理系统、局部用户和全局用户。 局部数据库管理系统( l d b m s ) 和全局数据库管理系统( g d b m s ) 共同构成 分布式数据库的管理系统( d d b m s ) ，它是分布式数据库系统的核心，负责实现 1 2 第二章解决方案的提出及相关知识点 分布式数据库的建立、查询、更新、复制、维护等功能。包括提供分布透明性， 查询优化、协调全局事务的执行，协调各局部d b m s 共同完成全局应用，保证 数据库的全局一致性，执行并发控制，实现更新同步和全局恢复等。 d d b m s 中，每个站点是相互独立的，每个站点都要具有相同的功能。这些 功能包括对用户进行登录和授权检查；对用户的查询程序进行编译；对查询进行 优化处理；对事务进行管理，以保证网络上的多个结点，每个结点上的多个用户 对d d b 进行并发存取时不发生冲突：在发生故障时能安全恢复，以确保系统的安 全可靠和数掘的可用性；对用户的查询提供快速高效的执行和响应：保证网络各 结点问的高效可靠通讯：以及与操作系统的高效可靠接口。 根据分布式数掘库管理系统的功能，一般将分布式数据库管理系统分为四 个基本功能模块剐9 l ： 查询处理模块：负责对用户查询进行分析和优化，减少查询处理的代价，降 低网络传输代价。 完整性处理模块：负责维护数据库的完整性和一致性，检查完整性规则，处 理多副本数据的同步更新等。另外，由于在分布式数掘库系统中，数据可能 会有多个副本分布于网络的不同站点上，所以当查询处理模块分析出查询所 需数据后，完整性模块与查询模块一起确定执行查询的策略。 调度处理模块：当确定查询策略后，调度处理模块负责向有关站点发布命令， 使相应站点的d b m s 执行这些局部处理。与此同时，调度处理模块还需要 与各站点的通信管理软件相互配合，以便在相应站点之目j 进行必要的数据传 输。最后，完成查询并把结果送回发出i 幺查询的站点。 可靠性处理模块：分布式数据库基于计算机网络，因此自然会增加产生故障 的因素，可靠性处理模块负责不断地监视系统的各个部分是否有故障出现， 当故障修复后，可靠性处理模块负责将该部分重新并入系统，使之继续有效 地运行，并保持数据库的一致状态。系统各处理模块之间关系如图2 4 所示。 1 3 第二章解决方案的提出及相关知识点 图2 4 分布式数据库管理系统功能结构 鼻 2 3 4 单片机应用系统 单片机s c m ( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，即m i c r o c o n t r o l i e r ，是把微型计算 机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。主要包括了微处理器 ( c p u ) 、存储器( r o m ，& a m ) 、输入输出口( 1 ，o 口) 和定时器，计数器、中断系统 等功能部件i i o i i l l l 。单片机自7 0 年代出现以来，已经有了很大的发展，被广泛应 用于机械，测量控制、工业自动化、智能接口和智能仪表等许多领域。例如：单 片机与传统的机械产品相结合后简化产品结构，实现控制智能化，成为新一代 的机、电一体化产品；利用单片机来构成各种工业控制系统、数据采集系统等； 在大型工业测控系统中，单片机进行接口的控制与管理，与计算机主机并行工 作，可以大大提高系统运行速度。目曲国内以i n t e l 公司m c s 4 8 m c s 5 l ， m c s 一9 6 为主流系列产品，其中m c s 5 1 系列单片机的应用最为广泛。 本系统设计时选用单片机构成硬件系统主要是基于以下几点考虑： 单片机构成的应用系统有较大的可靠性。 系统扩展和系统配置比较典型和规范，容易构成各种规模的应用系统。 由于构成的应用系统是一个计算机系统，相当多的测控功能由软件实 现，故具有柔性特点。 有优异的性能价格比。对广大的应用型技术人员而言，日l ； 所面临的 单片机应用技术是使用单片机和可编程逻辑器件相结合构成的新一代 电子应用技术。这是工程应用技术发展的一个新趋势。 1 4 第二章解决方案的提出及相关知识点 2 3 4 1 单片机应用系统的构成方式 目前用户在构成应用系统时，有三种构成方式可供选择“”“”。 专用系统。系统的扩展与配置完全按照应用系统的功能要求设计 的。硬件系统的性能配置比近于l 。系统中只配备有应用软件，故 系统有最佳配置，系统的软、硬件资源能获得充分利用，但这种系 统无再歼发能力。采用这种方式要求有较强的硬件开发基础。从本 系统需求使用特点出发，这也是开发本系统的一种最佳方式。 模块化系统。鉴于单片机应用系统的系统扩展与配置电路具有典型 性，因此，有些厂家将这些典型配置做成用户系列板，供用户选择 使用。用户可根据应用系统的需要选择适当的模块板组合成各种 测、控系统。有些用户系列板在结构上做成s t d 总线型。模块化结 构是中、大型应用系统发展方向。它可以大大减少用户在硬件开发 上投入的力量。但目前系统模块化产品水平尚不高，软硬件配套工 作还不完善，有待于进一步发展。 单片单板机系统。受通用c p u 单板机的影响，国内有用单片机来 构成单片单板机，其硬件按照典型应用系统配置，并配有监控程序， 具有再开发能力。但是，单板机的固定结构形式常使应用系统不能 获得最佳配置。产品批量大时，软、硬件资源浪费较大，但可大大 减少系统研制时的硬件工作量，并具有二次开发能力。 1 5 第三章智能调度终端硬件系统的设计与实现 第三章智能调度终端硬件系统的设计与实现 第一节智能调度终端系统需求分析 硬件终端主要完成接收计算机的指令，并根据p c 机指令完成信号的物理端 口转接工作，转接信号类型有2 m b i 以、6 4 k b i 以数字信号和模拟话音信号，下面 将分类阐述。 3 1 16 4 k b i 洮数字话音信号调度分析 6 4 k b i 以数字话音信号转接有以下两种解决方案： 基于基群信号输入的调度，在这种方式下，输入、输出智能调度终 端的信号是2 m 信号，交叉连接的是6 4 k 信号，如图3 1 所示。 图3 1 基于基群信号输入的调度框图 图中，2 m b 彬s 输入电路的主要作用是将接收到的2 m b i 以h d b 3 码基群 信号转换成n r z 码，并分解成3 0 个6 4 k b i 讹单路数字话音信号、帧同步码 ( t s o ) 和信令帧( t s l 6 ) 送往连接控制电路；连接控制电路的主要作用是 通过r s 2 3 2 接口与计算机相连，接收计算机送来电路调度信息，并控制和各 单路数字话音信号进行交叉连接；2 m b i 体输出电路的主要作用是将连接控 1 6 第三章智能调度终端硬什系统的设计与实现 制电路送来的单路数字信号，按照标准基群帧结构进行组合，将n r z 码转 换成h d b 3 码输出。 系统工作原理为：从配线架来的3 0 个模拟话音信号被p c m 组合成1 个 标准的2 m b i 体基群信号。经过交叉连接硬件终端，4 个2 m b i 体基群信号被 分解成1 2 0 个“k b s 数字话音信号。在计算机的控制下，1 2 0 个6 4 k b i 以 数字信号经过交叉连接后，重新组成合4 个2 m b i 讹基群信号，从而实现了 调度的功能。 这种方式的优点是系统转接信号的引脚连线较少，缺点是由于硬件逻辑 较多，导致开销较大。 基于“k b i 体信号输入的调度，在这种方式下，输入到调度终端系 统的信号为若干路6 4 k b i 以话音信号或模拟信号，调度终端系统按 需要完成相应的输入、输出端交叉连接。如图3 2 所示。 图3 2 基于6 4 k 输入的交叉连接示意图 这种方式下缺点是输入的信号连接较多，优点是其硬件开销较小，易于推广 使用，这也是本系统硬件设计选择的方案。 3 1 22 m b i 愧数字信号调度分析 智能调度终端2 m b 彬s 数字信号转接功能如图3 3 所示。 1 7 第二章智能调度终端硬件系统的设计与实现 圈3 32 l i b i t s 数字信号调度示意图 智能调度系统主要负责将复接设备送来的2 m b i 以数字信号按需求进行 转接，从而实现复接设备之间信号的物理交叉连接，这种方式与6 4 k b i 以数 字话音的调度过程非常相似，不同点在于调度的信号带宽不同。 3 1 3 系统设计困难分析 根据上述对终端系统的功能分析，可知系统设计时有以下几个方面的困难： 智能调度终端交换容量问题。在目j ； 实际需求中，一般站点有几十 路空闲电路就可以满足业务需求，但随着通信容量的增加，这种需 求也会不断增加，可能增加至上百路甚至更高。因此系统在设计时 需要考虑系统的可扩展性，能方便地进行系统扩容。 智能调度终端建立电路状态动态变化问题。系统在运行过程中，电 路的建立是动态变化的，实时在增加或拆除电路，建立的电路数量 又是众多的，因此，需要有一种机制保存已建立的电路状态，并在 维持这种状态下继续调度新的电路。为了解决这个问题，系统采用 锁存器存储端口状态，并通过软件将端口与数据库进行绑定，实现 电路建立的动态变化。 信号通道的双向性和带宽问题。系统调度的电路方向是双向的，电 路信号有模拟的也有数字的，这对元器件的选择有了很大的限制。 1 8 第二章智能调度终端硬们系统的设计与实现 针对这个问题，系统选用了双向模拟开关实现信号的转接。 3 1 4 系统部件设计 3 1 4 1 系统基本逻辑单元 智能调度终端系统能够实现多路信号的物理交叉连接，其中任意一点到其 它任意一点都有一条独立的通道，其基本逻辑单元与c r o s s b a r 相似，如图3 4 。 篁g 、蠢 一一_ 峨、 ul j 上：，m 1 一r，一， 一一 1 一 一 ，咋一， 一一 - 1 1 ， 一 ， 图3 qn 个输入m 个输出的c r o s 如a r 终端系统每个基本逻辑单元具有如图3 5 所示四种工作模式： 官囟 茵密 图3 5c r o s s b ”的四种亡作模式 3 1 4 2 系统逻辑模型 系统由若干基本逻辑单元组成，每种基本逻辑单元工作于上述四种工作模 式之中，从任何一点到另外任何一点至少存在一条独立通道，因此结构上类似 于一个动态网m i n ( l t i s t a g ei n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r k ) ，见图3 6 ，不同点 1 9 第二章智能调度终端硬件系统的设计与实现 是其路由方式并非自主路由。电路的调度转接工作由控制这些基本逻辑单元来 完成。 s d h 卞明p c m ， 镄碴，卫星 横批数据 ( “h “) 端口 s d h ，p d h ，h ：m ， 徽疲，卫譬 楔甜缸据 ( m h m ) 柚n 图3 6 硬件系统逻辑模型 上述重点对系统控制逻辑部分进行了分析，同时系统还应具有串口通 信、端口状态记忆等功能。因此系统由以下几部分组成： 电源模块。为硬件系统运行提供稳定的电源电压。 通信模块。负责接收和应答p c 机的指令，同时包括数据本身的比特 差错校验。 端口状态记忆模块。该模块负责与数据库配合记忆各端口使用状态。 控制模块。该模块负责p c 机指令的具体实施，完成电路调度的物理 端口转接操作。 第二节智能调度系统硬件终端的实现 3 2 1 电源模块 硬件设计中采用自带电源方式，电源部分原理图如图3 7 所示。 第三章智能调度终端硬件系统的设计与实现 崆 图3 7 电源部分原理图 3 2 2 通信模块的实现 系统使用5