微型计算机控制技术7

第七章多微处理机控制系统第一节概述第二节多微处理机控制系统的结构形式第三节多微处理机系统的通信第四节多微处理机控制系统的软件和控制第五节集散控制系统简介第六节多微处理机控制系统举例第一节概述一、多微处理机控制系统的定义及分类多机系统泛指多微处理器系统和多计算机系统。所谓多微处理机系统是指一个具有两个或多个微处理机并能相互进行通信以协同解决一个大的给定问题的微机系统；二、多微处理机控制系统的优点具有以下优点：1)有两个或多个微处理机。2)共享存储器或高速通信网络。3)共享输入／输出设备。4)机间硬件和软件有交互作用。共特点是：1．有较高的处理速度2．提高系统的可靠性3．系统便于扩充和修改4·实现复杂分散控制和管理一体化5·通过多微处理机实现并行处理，是开发超级计算机的重要途径三、多微处理机控制系统中应解决的问题1．系统的结构形式和通信方案2．任务分割和开发并行性问题3．正确处理资源竞争和死锁问题4．提高系统可靠性和动态重组问题第二节多微处理机控制系统的结构形式一、紧耦合系统所谓耦合系统是指通过电信号连接在一起的系统，或者说是一个共享公共硬件资源的系统1．公用总线结构总线结构是多微处理机系统最简单的一种结构形式，分别示出了单总线连接和多总线连接的多微处理机系统的示意图公用总线结构具有以下特点：1)结构简单，价格便宜。2)系统硬件扩充性好，在系统上增加或减少模块非常灵活方便。3)系统效率及可靠性均受总线限制，如果总线失效会导致整个系统的失效。4)由于存在总线控制和竞争的问题，随着微处理机数目的增加，功能的扩展，系统效率会下降。2．多端口存储器结构多端口存储器的多微处理机系统的结构如图所示。它具有以下特点：1)访问快，吞吐量大，系统效率高。2)可靠性较高。3)存储器模块结构复杂，价格较贵。4)由于系统可利用的存储器端口数有限，因此限制了系统的扩展。3．交叉开关结构交叉开关结构的多微处理机系统如图所示。该类系统具有以下特点：1)系统并行处理能力高，具有最高的传送效率。2)可采用关键部件的冗余结构，提高系统的可靠性。3)系统结构复杂，价格昂贵。4)电子开关难于曝计、制造。二、松耦合系统三种主要的结构形式：1．总线型结构多个微机通过控制装置和公共通信媒体结合成一个总线型网络。以太网的总线型结构图。以太网的工作过程实际上是争用和发送交替的过程，各个工作站通过竞争占用总线，这种竞争总线系统通常采用两种存取控制方法：一是载波侦听多重访问／冲突检测法(CSMA／CD)；二是时间片法。2．环型结构一些微处理机或外围设备通过接口连接到一条高速环型数据通道上，便形成所谓环型系统。如图所示。3．星形结构星形结构是将分布于各处的微处理机连到中央处理机上(主结点)。

如图所示三、分级结构形式在这类结构中，各微处理机之间存在着较明显的层次关系如图图中，中央处理机为系统的最高级、现场处理机为最低级，按系统的大小，中间可能还有一级或二、三级。如图所示第三节多微处理机系统的通信对多微处理机系统通信的主要要求是：1)具有高的可靠性，在硬件和软件的设计中，要妥善解决冲突，不出现死锁。在信息中增加冗余码，以便于检错和纠错；采用冗余传送方式等。2)具有高的传送效率，提高并行处理能力，减少完成一个信息交换所需的通信次数。3)有足够的缓冲区的容量。为了解决通信过程中的拥挤现象，应根据信息的长短和可能同时通信的微机的多少，而留有足够的缓冲区。一、数据通信方式实现计算机之间的数据通信至少有四种方式。1．总线连接的通信方式如图所示：2．调制一解调连接的通信方式如图所示：3．用过程输入／输出装置连接的通信方式如图所示4．高速数据通道连接的通信方式如图所示二、通信线路——总线介绍总线是计算机系统内各独立模块之间传递各种信息的渠道，它定义了各引线的信号、电气和机械特性。总线的种类很多，通常按其功能和结构可以分为；单总线结构和多总线结构、内部总线和外部总线等(一)STD总线1．STD总线引脚分配STD总线一共有56根线可分为5个功能组，备组引脚及功能如下：逻辑电源线引脚1～6数据总线引脚7～14地址总线引脚15～30控制总线引脚31～52辅助电源线引脚53～562．总线优先级控制它有两种总线优先级控制方法：(1)串联总线优先级控制结构如图(2)并联总线优先级控制。并联总线优先级控制如图3．兼容式的总线结构STD总线具有兼容式的总线结构，该总线支持Intel公司的80系Motorala公司的68系列，ziloG公司的z一80系列和美国半导体公司的NSC800系列。(二)多总线(MULTIBUS)多总线支持8位和16位的数据通道，具有高达16M字节的内存寻址能力和64K字节的I／O接口的寻址空间，数据传输速率可达10M字节／s。目前已推出了适应32位微机的多总线标准，可支持多达16个总线控制器，适于构成多微处理器系统。多总线定义的插件板有P1和P2两个插头，P1是主插头，有86条引线，P2是可选插头，有60扩条引线多总线系统采用模块或称组件结构，诸组件划分为主组件和丛组件，带微处理器的都可作为主组件，可以申请占用总线，并启动总线上的数据传送操作。利用总线控制线中的信号，可以实现总线控制权的串联裁决，其示意图如图所示。(1)串联裁决法(2)并联裁决法并联总线裁决法示意图如图所示(三)PC总线Pc总线最早是IBM公司为其IBMPc微机而设计的一种总线，它也是工业控制计算机中常用的总线之一。PC／AT总线适用于Intel8086、80286、80386以及80486系列微处理器，目前各厂家生产的工业控制PC机都采用PC／AT总线。(四)RS一232C和RS一422A串行通信总线1．RS一232C总线的引脚定义RS一232C总线分别定义了机械特性标准和电气特性标准。RS一232C总线连接器引线的定义。2．RS一232C的电气信号特征3．DTE和DCE及DTE和DTE之间的连接目前大多数微计算机系统的RS一232C接口都选用+12V或+15V表示逻辑”0”电平，用一12V或一15V表示逻辑”1”电平。按RS一232C规定，两个设备连接应用25条引线(扁平电缆)，但在简单的应用中只用三线连接即可，常用的还有9线连接。如图所示4．RS一422A总线RS一232C总线规定DTE和DCE之间的通信距离不大于15m，传送速率不大于20K波特，每个信号使用一根导线，在公用一根信号地线。5．20mA电流环接口电路线路上有20mA电流通过时，表示逻辑”1”，无电流通过时表示逻辑”0”。6．RS一232C异步通信接口驱动程序举例串行异步通信接口的操作基本上可以分为三种：初始化串行通信接口、发送一个字符、接受一个字符。三、紧耦合多微机系统的共享存储器通信(一)多端口公共存储器通信多端口公共存储器构成多微机系统的通信结构如图所示(二)共享存储器多微机系统举例四、松耦合多微机系统的通信(一)集中控制式并行总线结构的通信该系统总线具有提供给多微机系统进行通信所必要的控制线：——请求占用总线信号——传送方向信号——允许占用总线信号——传送启动信号——传送回答信号——交换结束信号——全机清除信号(二)多微机控制系统中串行数据通信在局部网中，一种常用的结构形式是通过串行总线接成环形结构。如图所示：各节点都设置一个中继器(或称转发器)，信息在到达目的节点之前，通过中继器传送。中继器工作于串行工作方式，具有缓冲、隔离、放大和重发信息等功能。环路令牌传送的特点：1)适用于实时监控系统。2)控制不太复杂，且全部采用数字技术，适用于各种传输媒体。3)环路中需要有防止令牌增多或令牌丢失的诊断方法，如需检验全部信息中是否有两个以上令牌代码。4)当环中某一节点忙于别的事或出故障时，环接口应通过程序设定将旁路开关合上，以保证环路仍能继续工作。在串行总线环形通信系统中，机间信息传送控制方法有令牌传送法、时间片法、寄存器插入法等。第四节多微处理机控制系统的软件和控制多微处理机控制系统的硬件、软件和用户之间的关系可用图简单示意图表示：一、多微处理机控制系统操作系统对多微处理机操作系统提出以下性能要求：(1)结构的灵活性(2)并行任务派生(3)进程同步(4)资源分配(5)通信和进程调度二、并行进程的控制和调度(一)并行任务的派生和汇合并行任务的派生和汇合通常用软件来控制，首先要在程序中反映出并行任务的派生和汇合关系。为此采用FORK和JOIN语句来实现并行任务的派生和汇合。关于FORK指令：指令格式：FORKA指令功能如下：1)遇到FORK指令时，执行这条指令的原进程，派生出标记符A所对应的新进程。计数器N清零，准备好A进程执行的有关信息，如分配内存，分给访问权等。2)在它所在的处理机上继续执行原进程。3)分配空闲的微处理机去执行新派生出来的A进程，如果没有可用的微处理机，则让它排队等待。关于JOIN指令指令格式：JOINNN≥2的正整数，表示并行进程的个数(也是正在并行处理的处理机个数)。指令功能如下：1)JOIN指令附有一个计数器，其初值为o。执行JOIN指令时，计数器的值加1，并与标记符N进行比较。2)若计数器的值小于N，则表示并行执行中的第N个进程未执行至JOIN指令，需等待同步。3)若计数器的值等于N，表示执行中的第N个进程经过JOIN指令，满足汇合条件，在其所在的微处理机上继续执行后继指令。(二)并行进程的同步与互斥在一个多微处理机系统中，为了求解一个较大的问题，控制一个复杂的系统，往往将给定的任务分解成许多子任务(进程)，这些子任务被分配到不同的处理机上去并行执行。但是为了协调地完成给定的任务，这些进程之间需要进行信息交换，以达到进程间的同步或互斥。同步分为互斥和条件同步两种基本形式。1．互斥2．同步一信号灯同步法三、并行算法(一)算术表达式的并行算法算术表达式并行算法的求取，是从给出的表达式的最直接形式出发，利用交换律、结合律和分配律，将运算的操作数和运算符号进行适当变形、配对，尽可能作并行运算，以减少运算的级数。运算的级数称为树高，运用树高的概念，算术表达式的并行算法就是研究如何将算术表达式变形，是树高减少。（二）线性递归的并行算法第五节集散控制系统简介集散控制系统(TotalDistributedcontrolSystem)，也称为分散或分布式控制系统(Dis—tributedContr01System)统一称为集散控制系统，简记Dcs，它是随着现代大型工业生产自动化的发展和过程控制要求的日益复杂而产生的综合控制系统：一、集散控制系统的产生及发展(一)集散控制系统的产生在生产过程控制中，最先采用的是常规模拟式调节仪表构成的过程控制系统，由于其具有技术成熟、可靠性高、价廉、便于维护和操作等优点，因而在工业控制中得到广泛的应用。集散控制系统既有计算机控制系统精度高、响应速度快的优点，又有模拟调节仪表控制系统安全可靠、维护方便的优点。(二)集散控制系统的发展目前，集散控制系统朝着以下几个方向发展：1)随着微型计算机向系列化发展，集散控制系统“全微机化”，不仅在直接控制级都用微型机，而且在过程监控级使用高性能的微型计算机。2)集散榨制系统向小规模发展，如单回路控制器发展很快。3)在直接控制的调节器一级，将逐步采用一些较为有效的新算法。4)通信功能和人机联系功能将进一步加强。二、集散控制系统的组成它主要由监督计算机、高速数据通道、CRT操作站、数据采集器、基本控制器等部分所组成：基本控制器是集散控制系统的最基本的单元，其构成框图如图所示：基本控制器具有如下几个特点：1)基本控制器是一个微机小系统，带有固化软件，除监控程序外，固化有多种标准算法。如TDCS一2000系统的基本调节器是以微处理机CP一1600为核心的一个部件。2)算法可以组态，形成相对高级的控制算法。3)基本控制器通过高速数据通道与上级监督计算机配合，完成高级控制功能，如最优化控制规律控制。4)功能可变，改变控制方案不必更换硬件。5)可以在就地操作员单元上显示和调整各种参数。6)基本控制器的CPU具有逻辑判断功能、自诊断功能。三、集散控制系统的优点1．系统具有很高的可靠性2．系统功能全面，可实现控制和管理一体化3．系统使用、操作方便4．性能/价格比好第六节多微处理机控制系统举例一、系统构成多微处理机数控系统构成框图如图所示。它是一个总线结构式紧耦合的多微机系统。采用公共存储器(SharedRAM，下简写为s—RAM)实现机间高速通信。二、8098单片机模杉其主要特点如下：1)模板自身带有RAM、EPROM、高速输入／输出口、带有采样／保持电路的10位A／D转换器、中断控制器、一个同步／异步串行口、两个16位定时器，一个可供D／A转换器使用的脉冲宽度调制(PwM)输出等。2)符合STD总线规范，多个单片机系统可在公用STD总线的前提下，通过共享s—R