微型计算机控制技术2

第9章多微处理机控制系统9.1概述9.2多微处理机控制系统的结构形式9.3多微处理机系统的通信9.4多微处理机控制系统的软件和控制9.5集散控制系统简介9.6多微处理机控制系统举例9.1概述9.1.1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；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。其特点是：根据系统结构分类：1、紧耦合系统（TCS）2、松耦合系统（LCS）3、分级结构系统9.1概述1．有较高的处理速度：把任务划分成多个子任务，由各个微处理机分别承担。2．提高系统的可靠性：可构成硬件冗余，大大提高系统的可靠性。3．系统便于扩充和修改：采用模块化结构。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9.1.3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：结构形式多种正确选择结构形式及通信方式。2．任务分割和开发并行性问题：尽可能发挥各个微机利用率，提高效率。3．正确处理资源竞争和死锁问题：共用资源使用正确处理，避免死锁现象。4．提高系统可靠性和动态重组问题：考虑软硬件冗余及自检功能，做到系统动态重组9.1.2多微处理机控制系统的优点9.2多微处理机控制系统的结构形式9.2.1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。紧耦合多处理机是通过一个共享的高速主存来实现多处理机间更紧密的联系，各微处理机之间可在指令一级上实现并行处理。根据结构不同可分为：公用总线结构、多端口存储器结构、交叉开关结构及总线窗口结构。

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：9.2多微处理机控制系统的结构形式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。工作原理：整个系统共用一条、二条或多条总线（数据线、地址线、控制线等）。每个微处理机的内部存储器分为局部存储器和公用存储器两部分，共用存储器对各个微处理器来说是其内存的一部分，统一编址。各微处理器之间信息交换借助S-RAM，通过分时占用总线实现，按主从关系动作，微处理器为主、S-RAM为从，获准使用权的计算机可占用总线，建立通信关系。9.2多微处理机控制系统的结构形式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。各微处理器通过相应的端口或公共I/O接口可分时访问S-RAM，实现信息交换。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。

9.2多微处理机控制系统的结构形式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。在系统中交叉开关阵列将微处理器、I/O设备与每一个存储器模块的总线相连，同一时刻，使微处理机和I/O设备可并行访问存储器，提高了通信效率。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)电子开关难于设计、制造。9.2多微处理机控制系统的结构形式9.2.2松耦合系统三种主要的结构形式：总线型、环型、星型。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。优点：结构简单、扩展性好、可靠性高，某一节点发生故障不会影响整个网络工作。缺点：总线本身出现故障时，会导致整个局部网络不能工作。9.2多微处理机控制系统的结构形式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。各微处理器能够独立运行，之间通过高速环型母线通信联络。优点：结构简单、成本低。缺点：可靠性差，接口故障率高且影响系统运行。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)。优点：结构简单，易于实现信息汇集、转接。缺点：可靠性差，易产生信息阻塞且线路利用率低。9.2多微处理机控制系统的结构形式如图所示9.2.3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9.3多微处理机系统的通信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。9.3.1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。总线连接的通信方式、调制-解调连接的通信方式、用过程输入/输出装置连接的通信方式及高速数据通道连接的通信方式。9.3多微处理机系统的通信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：一般采用串行通信方式，双芯线传输。优点：结构简单、速率高，可达兆级。缺点：只能在同类、同系列的计算机之间传送，适用范围较窄，通信距离短。优点：使用范围宽，通信距离远，可达数百米至数千米。缺点：通信速率不高，一般只有几千波特。9.3多微处理机系统的通信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用计算机的输入输出功能传送数据。优点：程序处理方便。缺点：通信能力有限，传送速度较低，传送距离通常限制在500m左右。二进制串行数据高速传送方式，DMA操作。优点：干扰少，传送速率高，传送距离远，配线简单，通用性强，扩展容易，集散控制系统使用较多。9.3多微处理机系统的通信9.3.2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单总线结构：CPU内外及I/O设备共用一条总线。多总线结构：CPU与存储器、I/O设备等之间使用两条及以上总线，减少总线竞争，提高效率。内部总线：计算机内部总线，用于计算机系统内模块与模块之间进行通信的总线。一般为并行总线，按其功能可分为：数据总线、地址总线、控制总线、电源总线。外部总线：又称通信总线，计算机系统与系统之间或计算机系统与设备之间的通信总线。如串行RS-232C、RS422A，并行总线IEEE-488等。9.3多微处理机系统的通信(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，各组引脚及功能如下：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．总线优先级控制当STD系统总线上有多个总线控制器时，必须保证在某一时刻将总线让给提出请求的优先级最高的总线控制器使用总线，它有两种总线优先级控制方法：串联总线优先级控制、并联总线优先级控制9.模3多微茎处理今机系却统的壮通信(1贷)串联瓜总线欠优先锣级控馋制9.肃3多微砌处理哨机系庸统的姐通信(2岛)并联板总线灿优先译级控搜制。并联姻总线凡优先谷级控理制如捆图9.号3多微痒处理辟机系衬统的贷通信3．兼出容式砍的总召线结功构ST斗D总线首具有赔兼容鱼式的奋总线傲结构辅，该量总线醉支持In活te厉l公司旋的80系Mo宴to谱ra菌la公司润的68系列糊，zi必lo掀G公司脖的z一80系列菠和美购国半惑导体般公司幸的NS运C8状00系列钞。(二)多总愧线(M马UL毕TI窄BU治S)物——库IN爹TE徐L公司夫提出够的一配种计务算机已系统稍总线多总偿线支妙持8位和16位的凉数据留通道冷，具珠有高茅达16艳M字节像的内柏存寻依址能裳力和64杠K字节苗的I／O接口蹈的寻屯址空柴间，婆数据旬传输炊速率省可达10抽M字节滴／s。目祖前已糠推出了味适应32位微蒸机的爽多总能线标蹲准，拢可支酒持多告达16个总地线控管制器孩，适哀于构摆成多微处迅理器魔系统嚷。多总输线定胁义的主插件商板有P1和P2两个战插头腔，P1是主随插头秤，有86条引现线，P2是可葬选插始头，指有60条引图线。字多总跑线系辉统采尿用模蹦块或弹称组抬件结满构，奇诸组琴件划分吼为主注组件示和从魂组件巾，带姐微处骡理器驶的都棚可作谈为主纠组件诸，可扎以申梳请占爷用总纲线，并启烈动总深线上诸的数搏据传递送操束作，剧而公璃用存腰储器尚、公休用I/注O为从殖组件盾。利用砖总线己控制弊线中伯的哄信号愧，可却以实谋现总昼线控娃制权关的串屯联裁费决，缴其示身意图玻如图粘所示狂。9.足3多微筛处理祖机系诉统的齐通信多个零主从锦组件登可以窄插到胶总线零上，絮但是爪任何敞时候尿，只馅能在柿一主赠一从杰两个趣组件撤间利神用总跳线通悟信。厌多总牺线系执统允勿许同铅时有幸多个滋主组迎件，血它们答都可压以获途得总询线控钳制权仿，一付般采给用串择联裁迷决和米并联通裁决挪两种夺方法蚁通过纪仲裁陡器解脾决各洪主组套件间衫总线趴控制条权的透优先爷级排覆队问格题。(1宴)串联羡裁决陈法9.罢3多微慎处理旺机系滨统的全通信并联股总线室裁决言法示验意图如图鼻所示(2挡)并联问裁决哄法：9.锐3多微著处理缩慧机系孝统的既通信(三)P勺C总线PC总线督最早火是IB挪M公司绩为其IB父M坐PC微机弯而设问计的差一种叫总线纯，它歇也是斜工业驻控制脾计算湖机中歇常用认的总彩线之捉一，穗早期集的PC总线兆共62条线桥，后姥期AT扩展36条线豪。PC／AT总线抱适用渠于In病te绩l8催08般6、80成28鱼6、80征38窑6以及80狠48粘6系列纽奉微处钞理器渔，目畅前各危厂家左生产扛的工仁业控烧制PC机都因采用PC／AT总线惰。(四)R租S一23材2C和RS一42芹2A串行删通信习总线1．RS一23僚2C总线绕的引照脚定逝义RS一23键2C总线帖分别隔定义炊了机恭械特世性标心准和犬电气刘特性板标准左。RS一23裙2C总线横连接烈器引愈线的元定义希。2．RS一23计2C的电劫气信源号特智征9.单3多微章处理等机系说统的洞通信3．DT咱E和DC著E及DT滥E和DT猜E之间泉的连话接目前近大多坏数微承计算左机系哄统的RS一23吴2C接口鼻都选省用+1耗2V或+1滔5V表示认逻辑娇”0”电平吵，用傅一12迈V或一15的V表示角逻辑愁”1”电平质。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9.掏3多微敞处理炼机系齐统的穷通信4．RS一42另2A总线RS一23哗2C总线概规定DT被E和DC记E之间集的通洋信距尾离不幻玉大于15蕉m，传绪送速词率不框大于20泛K波特翼，每醉个信权号使蔬用一锤根导钉线，禽再公序用一夸根信搭号地连线，被易引顶入干畅扰。RS饭-4麻22悉A规定较使用瓶双端赞发送冶器和约接收通器，筛无公归共地析线，贩单向场平衡狼式传寻送，酷克服俱干扰展进入呀。5．20览mA电流菊环接岭口电劈燕路线路贞上有20低mA电流桑通过旱时，妖表示甘逻辑口”1”，无歇电流差通过齿时表切示逻邪辑”0”。6．RS一23班2C异步阅通信养接口厉驱动咏程序碍举例串行析异步贞通信弯接口匪的操族作基配本上贝可以馆分为挂三种锤：初蓬始化光串行较通信希接口券、发勉送一知个字羽符、振接受母一个卵字符毕。9.铸3.唇3紧耦剖合多陪微机蚕系统坐的共齐享存洪储器俱通信(一)多端悦口公扒共存肃储器纪通信9.度3多微鸭处理毙机系剪统的助通信多端缸口公疼共存邀储器减构成兔多微条机系储统的虏通信她结构叼如图马所示(二)共享伞存储香器多费微机已系统垃举例9.佣3多微愁处理烘机系闹统的依通信9.醉3.赏4松耦刃合多罪微机参系统贤的通冬信(一)集中内控制冠式并爬行总父线结锤构的湿通信该系涌统总及线具咸有提柏供给平多微医机系康统进尸行通股信所跃必要棵的控揉制线蚕：——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)多微欣机控楚制系艇统中贼串行晶数据针通信夸（传铲送距哭离大勿于10米）在局架部网面中，醉一种关常用坛的结腰构形泼式是恭通过敌串行泻总线条接成低环形刮结构督。如图刑所示招：9.工3多微荒处理省机系押统的勺通信各节衫点都罢设置谁一个激中继耕器(或称纺转发率器)，信栗息在饭到达减目的机节点鼠之前贫，通折过中咸继器斗传送逆。中神继器喝工作偶于串乖行工纤作方沃式，案具有踢缓冲驳、隔警离、赞放大绢和重麦发信隐息等躬功能丙。9.贺3多微门处理柜机系姓统的者通信环路俗令牌乱传送粪的特业点：1)适用据于实糠时监崭控系遭统。2)控制毅不太脊复杂即，且剃全部原采用汽数字直技术矮，适亭用于宅各种阅传输潜媒体蚕。3)环路浩中需虑要有章防止写令牌制增多从或令点牌丢杏失的兄诊断染方法扁，如碰需检校验全滚部信宏息中白是否南有两犯个以庭上令因牌代燥码。4)当环师中某峰一节殿点忙慌于别活的事唤或出股故障朝时，价环接烦口应坡通过脸程序严设定阶将旁男路开艺关合致上，躲以保洪证环诸路仍喂能继池续工蕉作。在串霉行总浮线环星形通良信系躬统中计，机征间信李息传翻送控括制方元法有怀令牌贯传送飞法、槽时间德片法飘、寄肉存器周插入煎法等甩。9.夜4多微袋处理换机控雀制系殊统的榴软件赔和控植制多微争处理狡机控月制系仿统的役硬件曾、软他件和雨用户漠之间屑的关默系可狼用图举简单贫示意最图表勇示：9.捉4多微崇处理示机控劲制系蛮统的姑软件描和控汉制9.纠4.姿1多微禁处理拆机控叙制系便统操飘作系迎统对多誓微处书理机魔操作依系统讲提出驱以下到性能编要求华：(1搏)结构聪的灵伯活性食（模吉块化维结构熟）(2并)并行类任务川派生户（一遵个程缝序中蹲有多令个并发程娘序段罚，依跳靠专棍用指堪令执表行）(3唐)进程胡同步(4梳)资源明分配(5局)通信食和进孤程调织度9.客4.惑2并行仆进程垄的控赴制和猛调度(一)并行紫任务凡的派汪生和宵汇合并行惕任务群的派楼生和品汇合摔通常蚊用软称件来筐控制帅，首唯先要厚在程碌序中速反映圾出并窃行任惕务的撒派生且和汇迁合关混系。候为此钉采用FO弓RK和JO满IN语句怠来实筒现并胶行任纠务的好派生渔和汇轧合。9.暴4多微费处理烧机控棵制系葛统的膨软件果和控念制关于FO秋RK指令宾：指令炭格式牧：FO馅RK泊A指令浴功能农如下顿：1)遇到FO再RK指令疫时，丛执行缴这条秀指令挨的原篇进程刊，派江生出是标记蓄符A所对枕应的享新进祝程。容计数墓器N清零深，准绳备好A进程阁执行付的有裳关信显息，爹如分痒配内驶存，扣分给缴访问冒权等强。2)在它策所在爹的处董理机按上继料续执穴行原沸进程半。3)分配富空闲偷的微喷处理不机去沾执行桥新派陪生出抗来的A进程井，如勿果没斗有可塑用的劫微处碌理机哭，则必让它棚排队驳等待则。关于JO舟IN指令9.霞4多微跌处理政机控猎制系另统的颤软件兆和控象制指令延格式绘：JO避IN士N讽N≥野2的正帮整数雪，表谨示并渐行进寄程的深个数(也是氧正在烘并行染处理足的处处理机衣个数)。指令近功能导如下饱：1)担JO爬IN指令婆附有拐一个胆计数冠器，梅其初灿值为o。执执行JO壤IN指令阶时，围计数蜻器的决值加1，并矮与标遇记符N进行旋比较测。2)若计窝数器压的值半小于N，则霞表示美并行珍执行洋中的饶第N个进狡程未念执行屋至JO还IN指令夏，需梨等待枯同步来。3)若计喇数器互的值役等于N，表睁示执随行中她的第N个进蛇程经泄过JO佳IN指令笨，满雷足汇故合条沿件，逗在其湖所在退的微截处理极机上锄继续翁执行沫后继采指令您。9.贞4多微言处理缩慧机控萄制系月统的而软件唯和控贝制(二)并行用进程肆的同张步与谣互斥在一息个多坟微处库理机颈系统柳中，甲为了婆求解赶一个腥较大揉的问仁题，默控制撑一个朽复杂浓的系巨统，友往往芬将给修定的顾任务惜分解秀成许饰多子日任务(进程)，这劫些子证任务歇被分璃配到唇不同鸽的处仆理机昨上去悼并行湖执行萄。但握是为斗了协头调地穿完成毙给定葡的任盒务，种这些冒进程坚之间派需要房诚进行静信息滤交换术，以壤达到樱进程简间的茄同步傲或互龙斥。同步漆分为菌互斥晴和条模件同弦步两固种基柱本形柔式。1．互猴斥：嫌保证剖一个凡物理渡的或饺虚拟寄的资搅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