2.4 固话电路交换机的软件系统
2.4.1 交换软件组成
交换软件可以分为两种类型，即运行软件系统和支援软件系统，如图2.32所示。
图2.32 交换软件系统的分类
1.运行软件系统
运行软件，指存放在交换机处理系统中，对交换机的各种业务进行处理的软件。根据功能的不同，运行软件系统又可分为操作系统、数据库系统和应用软件系统3个子系统。
交换机配置实时操作系统，以有效地管理资源和支持应用软件的执行。操作系统的主要功能是任务调度、通信控制、存储器管理、时间管理、系统安全和恢复。此外，还有外设处理、文件管理、装入引导等功能。总之，操作系统的功能是提供相关应用的实时处理平台。
数据库系统对软件系统中的大量数据进行集中管理，实现各部分软件对数据的共享访问功能，并提供数据保护等功能。
应用软件系统通常包括呼叫处理程序、管理程序和维护程序三部分。
呼叫处理程序主要用来完成交换机的呼叫处理功能。普通的呼叫处理过程从一方用户摘机开始，然后接收用户的拨号数字，经过数字分析后接通通话双方，一直到双方用户全部挂机为止。
管理程序的主要作用包括3个方面：① 协助实现交换机软、硬件系统的更新；② 计费管理；③ 监督交换机的工作情况，确保交换机的服务质量。
维护程序实现交换机故障检测、诊断和恢复功能，保证交换机可靠地工作。
2.支援软件系统
支援软件系统包括软件开发、生产工具和环境，以及软件维护管理工具和环境两种。交换机的成本和质量在很大程度上取决于软件系统，因此，软件的开发和生产效率及质量是直接影响交换机成本和质量的关键。
程控交换软件系统的维护工作量比一般软件系统更大。维护工作从系统投入运行开始，一直延续到交换机退出服役为止，软件总成本中，一般有50%～60%用在维护上，所以，提高程控软件的维护水平（包括效率和质量）对提高程控交换系统的质量和降低成本具有十分重要的作用。
支援软件系统的另一个重要功能就是提供先进的软件维护工具和环境。
3.交换机的数据
在交换机中，所有有关交换机的信息都通过数据来体现，如交换机的硬件配置、使用环境、编号方案、用户当前状态、资源（如中继、路由等）的当前状态、接续路由地址等。
根据信息存在的时间特性，数据可分为半固定数据和暂时性数据两类。
半固定数据用来描述静态信息，它基本上有两种类型：一种是与用户有关的数据，称为用户数据，包括用户号码、设备号码、话机类型、用户呼叫权限、用户业务类型等；另一种是与整个交换局有关的数据，称为局数据，包括局间中继设备码、中继类型、中继方式、信令方式、计费方案、编号方案等。用户数据和局数据一旦输入，一般较少改动，因此也叫做半固定数据。半固定数据可由操作人员输入一定格式的命令加以修改。
呼叫处理过程中许多数据不断变化，需要暂存。为方便处理和使用，这类数据按照其性质被组织成紧凑的表结构。从总体上讲包括以下几种表：忙闲信息表、事件登记表、监视表、输出登记表（作为输出缓冲区，暂存主机准备向驱动器或其他外围设备发送的信息，如驱动输出登记表、话单打印表等）和新业务登记表（缩位拨号登记表、转移呼叫登记表、热线服务登记表等）。
2.4.2 呼叫处理程序
1.呼叫处理程序的组成
呼叫处理程序用来控制呼叫，包括用户扫描、信令扫描、数字分析、路由选择、信道选择、输出驱动等功能块。
（1）用户扫描
用户扫描用来检测用户环路的状态变化。用户摘机（环路接通），用户挂机（环路断开），即从用户环路的当前状态和用户原有的呼叫状态可以判断用户是摘机还是挂机。例如，环路接通可能是主叫呼出，也可能是被叫应答。
（2）信令扫描
信令扫描泛指对用户线进行的收号扫描。
（3）数字分析
数字分析的主要任务是根据所收到的地址信令或其前几位号码判定接续的性质，例如判别本局呼叫、出局呼叫、汇接呼叫、长途呼叫、特种业务呼叫等。对于非本局呼叫，通过数字分析和翻译功能，可以获得用于路由选择的有关数据。
（4）路由选择
路由选择的任务是根据路由表，确定对应呼叫去向的中继线群，从中选择一条空闲的出中继线。如果线群全忙，还可以依次确定各个迂回路由并选择空闲中继线。路由表在交换局开局时由维护人员设置，设置好后一般不再改变，只有在局间中继线调整时才会发生变化。
（5）信道选择
信道选择在数字分析和路由选择后执行，在交换网络指定的入端与出端之间选择一条空闲的通路。软件进行信道选择的依据是存储器中链路忙闲状态的转换表。
（6）输出驱动
输出驱动程序是软件与话路子系统中各种硬件的接口，用来驱动硬件电路的动作。例如驱动数字交换网络的通路连接或释放，驱动用户电路中振铃电路的动作等。
2.呼叫处理程序的结构
呼叫处理程序的结构如图2.33所示，为呼叫建立而执行的处理任务可分为3种类型：输入处理、内部处理和输出处理。
图2.33 呼叫处理程序的结构
（1）输入处理
收集话路设备的状态变化和有关的信令信息称为输入处理。各种扫描程序都属于输入处理。输入处理通常在时钟中断控制下按一定周期执行，主要任务是发现事件而不是处理事件。输入处理的实时性要求高。
（2）内部处理
内部处理是呼叫处理的高层软件，与硬件无直接关系。例如数字分析、路由选择、信道选择等。呼叫建立过程的主要处理任务都在内部分析、处理中完成。内部处理程序的一个共同特点是通过查表进行一系列的分析、译码和判断。内部处理程序的结果是启动另一个内部处理程序或者启动输出处理。
（3）输出处理
扫描是处理机输入信息，驱动是处理机输出信息，它们是处理机在呼叫处理过程中与硬件联系的两种基本方式。
呼叫处理过程可以看成是输入处理、内部处理和输出处理的不断循环。
例如，从用户摘机到听到拨号音，输入处理是用户状态扫描；内部处理是查找主叫用户的服务类别，选择空闲的双音频接收器和相应的连接通路；输出处理是驱动通路接通并送出拨号音。
再如，本局呼叫从用户拨号到用户听到回铃音，输入处理是收号扫描；内部处理是数字分析和信道选择；输出处理是向被叫送振铃音和向主叫送回铃音。输入处理发现呼叫请求，通过内部处理的分析判断由输出处理完成对请求的响应。硬件执行输出处理的驱动命令后，改变了硬件的状态，使得硬件设备从原有的稳定状态转移到另一个稳定状态，硬件设备在软件中的映射状态也随之而变，以始终保持一致。因此，呼叫处理过程反映的是用户状态不断转移的过程。
3.呼叫处理技术的实现
（1）用户摘挂机识别
用户挂机时，用户线为断开状态，假定扫描点输出为“1”。摘机时，用户线为闭合状态，扫描点输出为“0”。用户线状态从挂机到摘机的转折，表示用户摘机，反之表示用户挂机。
处理机每隔大约200ms对每一个用户扫描一次，读出用户线的状态并存入“这次扫描结果SCN”，然后从存储区中调出“前次扫描结果LM”，将SCN∧LM，结果为1，就识别到用户摘机。如果SCN∧L-M为1，则识别的是用户挂机。上述识别过程见图2.34。
图2.34 用户摘挂机识别
在大型交换机中常采用“群处理”的方法，即每次对一组用户的状态进行检测，从而达到省时、提高扫描速度的目的。
（2）DTMF收号识别
双音多频（DTMF）话机送出的拨号号码由两个音频组成。这两个音频分别属于高频组和低频组，每组各有4个频率。每拨一个号码就从高频组和低频组中各取一个频率（4中取1）。具体话机的按键和相应频率的关系如图2.35所示。DTMF收号器的基本结构如图2.36所示。
图2.35 DTMF话机的号盘示意图
图2.36 DTMF收号器的基本结构
CPU从DTMF收号器读取号码信息时采用查询方式，即首先读状态信息SP。若SP=0，表明有信息送来，可以读取号码信息。若SP=l，则不能读取。读SP后也要进行逻辑运算，识别SP脉冲的前沿，然后读出数据。这个方法和前面识别摘挂机的方法一样，这里不再重复。DTMF收号原理如图2.37所示。一般DTMF信号传输时间大于40ms，因此用16ms扫描周期就可以识别。
图2.37 DTMF收号原理
（3）数字分析
数字分析即翻译被叫号码，以确定接续方向是本局还是出局。对于出局呼叫应找出相应的中继线群。数字分析通过查表实现。
（4）路由选择
数字分析结果如果是出局接续，那么可以得到一个中继群号，根据群号查路由表，可以找到相应中继群中的空闲中继线。如果根据首选中继群没找到空闲中继线，可以按照次选中继群继续查找，直到标志为“0”时停止，路由表如图2.38所示。
图2.38 路由表
（5）信道选择
以TST三级交换网络为例。图2.28所示的TST网络的工作原理图中任何一对入、出线之间都存在32条内部链路，为了实现交换，这32条链路中至少应有一条空闲，即组成该链路的1-2级间链路和2-3级间链路必须同时空闲。控制系统在信道选择时，首先调出对应入线的第一级链路的忙闲状态，再调出对应出线的第二级链路的忙闲状态，通过运算找出可以使用的空闲内部链路。32条内部链路忙闲状态运算过程如下（其中，“0”表示链路忙，“1”表示链路闲）：
通过上述逻辑运算结果，即可选择1-2级间链路和2-3级间链路皆空闲（即“逻辑与运算结果”为1）的内部链路。
（6）会议电话的实现
如果要召开一个电话会议，参加会议的任意一台话机接口的输出信号都必须同时送到其他所有话机接口的接收端，即接收端收到的信号是其他所有模拟语音的叠加。由于语音编码后是非线性码，不能将若干路语音简单相加，因此必须有专门的信号合成电路，图2.39所示为会议信号合成电路。
图2.39 会议信号合成电路
2.4.3 程序的执行管理
交换处理程序包括输入处理、内部处理和输出处理程序。它由多种执行一定功能的程序组成，以满足各种处理要求。有些处理要求实时性强，交换机必须立即响应；有些处理对时间要求不是很严格，可以稍加延迟处理。因此，必须预先安排好各种程序的执行计划，在一定的时刻，选择执行最合适的处理任务。这种按照计划依次执行各种程序以满足不同处理要求的功能，就是程序的执行管理，它属于操作系统（Operating System，OS）级的功能。
1.程序的执行级别和原则
依照实时性要求的严格程度，交换处理程序划分为若干级别，一般可分为中断级、时钟级和基本级。时间要求越严，级别越高，执行时优先级就越高。
中断级程序实时性要求最高，一旦出现必须立即得到处理。这类程序包括硬件故障和电源报警等随机事件。
时钟级程序的执行有一定的周期性。各种扫描程序都具有一定的周期性，故属时钟级程序。
为了确保时钟级程序的周期性执行，核心控制设备具有时钟中断的性能。例如，每隔4ms或8ms就向CPU发出中断请求。CPU接收时钟中断后，就进入中断处理，执行时钟级程序。
基本级程序有些有周期性，有些没有周期性。对于没有周期性的程序，有任务就执行。而对于有周期性的程序，一般来说，其周期较长。总之，基本级程序执行时间的要求没有时钟级严格。内部处理程序一般属于基本级。
基本级程序级别低于时钟级程序。在执行基本级程序时，如果有时钟中断到来，就暂停执行基本级程序，转去执行时钟级程序。等到时钟级程序执行完毕，返回中断点，再恢复基本级程序的执行。
2.时钟级程序的调度
按照预定的计划，有条不紊地执行各种程序，满足各种程序不同执行周期的要求。采用时间表，是一种简便而有效的方法。
（1）时间表的结构
图2.40所示为时间表的结构。它由四部分组成：时间计数器（HTMR）、有效指示器（HACT）、时间表（HTBL）和转移表（HJUMP）。
时间表纵向对应时间，每往下一行表示增加一个时间单位，实际上相当于一个时钟中断的周期。时间表横向表示管理的程序类别，每一比特表示一种程序，总比特数即计算机字长，故一张时间表可容纳的程序类别数等于字长。当时间表某行某位填入l时，表示执行程序，填入0表示不执行程序。
时间计数器的任务是软件计数，按计数值取时间表的相应单元。
有效指示器表示对应比特位程序的有效性，为“1”表示有效，为“0”表示无效。其作用是便于对时间表中某些任务进行暂时删除（抑制执行）和恢复。
转移表又叫任务地址表，每个单元分别记载着对应任务（程序）的入口地址。
（2）时间表的工作过程
首先从时间计数器中取值，每次时钟中断到来时，时间计数器加1。以时间计数器的值为指针，依次读取时间表的相应单元，将该单元的内容与HACT的内容相“与”，再进行寻“1”操作。寻到1，则转向该位对应的程序入口地址，执行该程序，执行完毕返回时间表，再执行其他为“1”的相应程序。如不为“1”，则不执行。当所有单元寻1完毕，则转向低一级的程序。在最后一个单元的最后一位上，将时间计数器清0，以便在下一周期重新开始。
调用过程中，后面程序的执行时刻取决于前面的程序是否启动执行，因此，对运行间隔有严格要求的程序应排在表的最前边，无严格要求的可相应排在后边。时间间隔应小于所有程序的最小执行间隔要求，而总的行数等于各程序执行周期与最短程序周期之比的最小公倍数。最后，为使CPU在各时隙期间的负荷均匀，应使每行中所含程序数大致相同。
由于各种程序的执行周期可能差异很大，而且对时间精度的要求不同，实际应用时可根据情况设置几种时间表。
图2.40 时间表结构
3.基本级程序的调度
基本级中一部分程序具有周期性，可用时间表控制执行。而基本级中大部分处理任务没有周期性，可采用队列处理。同一级的处理要求可按到达的先后次序排成队列，采用先到先处理的原则处理。
基本级中的队列就是各种事件登记表的队列。事件登记表是在发现处理要求的程序中登记的。例如，用户扫描发现用户呼出，就登记呼出事件登记表，包括应启动的程序地址、要求处理的内容和处理中必需的一些数据等。按照先到先处理的原则，依次取出每一张表进行处理。
2.4.4 故障处理
交换机在长期的运转中，总会发生故障。为了保证交换系统能可靠工作，要求交换系统迅速地对故障进行处理，缩小故障所造成的影响。这就是故障处理程序要完成的任务。它是维护运行管理程序的组成部分。
1.故障处理的过程
（1）故障的识别
各种设备中都配有检验电路，以核对每次动作的结果。如果识别到不正常情况，就由故障“（中断）报告”CPU，通过故障处理程序中的故障识别和分析程序，可以大致分析发生了什么性质的故障和哪一个设备发生故障。
（2）系统再组成
当故障识别程序找到有故障的设备后，自动关闭故障设备，并将系统切换到备用设备上工作，以保证正常交换处理的进行。这种可重新组成能够正常工作的设备系列，称为系统再组成，它由系统再组成程序执行。
（3）恢复处理
故障发生后，进行故障处理并暂停呼叫处理工作。在系统再组成后应恢复正常的呼叫处理，由恢复处理程序进行恢复处理。对于一般的故障中断，切断故障设备并换上备用设备后，从呼叫处理程序的中断点恢复。
（4）故障告警和打印
交换机恢复正常工作后，将故障状况通知维护人员，进行故障告警和故障打印。
（5）诊断测试
维护人员根据打印机输出的故障状况，用键盘发出诊断指令。CPU接收诊断指令后，启动故障诊断程序对故障设备进行诊断测试，诊断结果再由打印机输出。
诊断测试也可由软件自动调度执行。
（6）故障的修理
打印出的诊断结果表示了设备正常与否，维护人员据此查找故障字典可以找出故障插件或确定可疑插件的范围，进一步减少维护人员的工作量。
（7）修复设备返回整机系统
故障设备修复后，由维护人员输入指令，将修复设备变为可用状态，返回交换机的工作系统。
2.故障的检测和识别
要进行故障处理，首先必须发现故障。可由硬件或软件发现故障。此外，还可以进行用户线和中继线的自动测试。
（1）由硬件发现故障
硬件故障可通过奇偶校验、动作顺序校验、工作状态校验、非法命令检测等手段发现。一般在硬件设备中加入一些校验电路来监视工作情况。如发现异常，可以通过“中断”启动相关处理软件。
① 中央处理机故障：用微同步方式较易发现处理机硬件故障。如果比较电路发现双机运算结果不一致，就表示处理机发生故障，产生“故障中断”。
进入“故障中断”后，首先确定是真正的故障还是偶发差错。如果是偶发差错，则进行恢复处理。如果是真正的故障，则要通过初测程序判断是哪一台处理机不良，然后进行系统再组成和恢复处理。如果不能恢复，就启动“紧急动作电路”。
② 存储器故障：主要是接收处理机的指令不回应或读出信息有错误这类故障。对于接收指令不回应的情况，可用定时器监视；对于信息的错误，一般用奇偶校验，要求高的也可用汉明码校验。汉明码校验可纠正1比特差错和检测出多比特的差错。
③ 话路控制设备故障：主要包括扫描器和驱动器故障，可加入一些检验电路。例如，检验是否符合n中取1的译码组合等，以发现故障。
④ 偶发性差错：硬件设备由于偶然性杂音、干扰等影响发生瞬间故障或间歇性失常，这种情况下不需立即进行故障处理。为了区分这些暂时故障（差错）和固定故障，可对各种硬件设备设置软件计数器，每次发生故障中断时，差错计数器进行累加，超过一定值就当做固定故障，执行设备切换等故障处理。
当设备元件劣化，间歇性障碍增多时，差错计数器的值就会急剧上升，视为固定故障来处理。
（2）由软件发现故障
① 控制混乱识别：程序陷入无限循环状态，属控制混乱。此外，还有逻辑上的混乱，例如，查寻表格时所用的地址超出范围等。
要监视程序是否出现无限循环，可根据该程序的正常执行时长进行时间监视，如超出时长就认为是控制混乱。低级别程序可由高级别程序监视，最高级别的程序可由硬件监视。
② 数据检验：软件中有一些核查程序可通过自动定时启动，来核查中继器和链路长期占用情况，核对忙闲表和硬件状态是否一致，以及监视公用存储区长期占用等不正常情况。如发现异常，自动打印出故障信息。
2.4.5 呼叫处理实例
下面以用户的一次成功呼叫简要地说明呼叫处理过程，如图2.41所示。
初始时，主叫用户和被叫用户都处于空闲状态，交换机扫描，监视用户线状态。（1）主叫用户A摘机呼叫
① 交换机检测到主叫用户A摘机；
② 交换机审查用户A的类别，区分是一般电话、投币电话机还是PAB X的用户等。
（2）送拨号音，准备收号
① 交换机搜寻一个空闲收号器以及它和主叫用户间的空闲路由；
② 寻找主叫用户和信号音发生器间的一个空闲路由，向主叫用户送拨号音；
③ 监视收号器的输入信号，准备收号。
（3）收号
① 由收号器接收用户所拨号码；
② 收到第一位号后，停止发送拨号音；
③ 对收到的号码按位存储；
④ 对“应收位”、“已收位”进行计数；
⑤ 将号首送数字分析程序进行初步分析。
（4）号码分析
① 初始分析号首，以决定呼叫类别（本局、出局、长途、特服等），并决定该收几位号。初始分析后如果是本局呼叫，则执行②步骤；如果是出局、长途、特服呼叫，则交换机根据事先确定的路由表，选择通达目的地的中继线，并用信令通知对端局，对端局执行②步骤；
② 检查是否允许本次呼叫接通（是否为限制用户等）；
③ 检查被叫用户是否空闲，若空闲，则改成忙。
图2.41 呼叫处理过程
（5）接至被叫用户
测试并预占空闲路由，包括：
① 向主叫用户送回铃音路由；
② 向被叫用户振铃音路由；
③ 预占主、被叫用户通话路由。
（6）向被叫用户振铃
① 向被叫用户B送振铃音；
② 向主叫用户A送回铃音；
③ 监视主、被叫用户状态。
（7）被叫应答通话
① 被叫摘机应答，交换机检测到以后，停止发送振铃音和回铃音。
② 建立A、B用户间通话路由，开始通话；
③ 启动计费设备计费；
④ 监视主、被叫用户状态。
（8）主叫先挂机，通话结束
① 主叫先挂机，交换机检测到以后，路由复原；
② 停止计费；
③ 向被叫用户送催挂音。
（9）被叫先挂机，通话结束
① 被叫先挂机，交换机检测到以后，路由复原；
② 停止计费；
③ 向主叫用户送催挂音。