微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)7

第七章多微處理機(jī)控制系統(tǒng)第一節(jié)概述第二節(jié)多微處理機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式第三節(jié)多微處理機(jī)系統(tǒng)的通信第四節(jié)多微處理機(jī)控制系統(tǒng)的軟件和控制第五節(jié)集散控制系統(tǒng)簡介第六節(jié)多微處理機(jī)控制系統(tǒng)舉例第一節(jié)概述一、多微處理機(jī)控制系統(tǒng)的定義及分類多機(jī)系統(tǒng)泛指多微處理器系統(tǒng)和多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。所謂多微處理機(jī)系統(tǒng)是指一個具有兩個或多個微處理機(jī)并能相互進(jìn)行通信以協(xié)同解決一個大的給定問題的微機(jī)系統(tǒng)；二、多微處理機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)有兩個或多個微處理機(jī)。2)共享存儲器或高速通信網(wǎng)絡(luò)。3)共享輸入／輸出設(shè)備。4)機(jī)間硬件和軟件有交互作用。共特點(diǎn)是：1．有較高的處理速度2．提高系統(tǒng)的可靠性3．系統(tǒng)便于擴(kuò)充和修改4·實(shí)現(xiàn)復(fù)雜分散控制和管理一體化5·通過多微處理機(jī)實(shí)現(xiàn)并行處理，是開發(fā)超級計(jì)算機(jī)的重要途徑三、多微處理機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)解決的問題1．系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和通信方案2．任務(wù)分割和開發(fā)并行性問題3．正確處理資源競爭和死鎖問題4．提高系統(tǒng)可靠性和動態(tài)重組問題第二節(jié)多微處理機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式一、緊耦合系統(tǒng)所謂耦合系統(tǒng)是指通過電信號連接在一起的系統(tǒng)，或者說是一個共享公共硬件資源的系統(tǒng)1．公用總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)是多微處理機(jī)系統(tǒng)最簡單的一種結(jié)構(gòu)形式，分別示出了單總線連接和多總線連接的多微處理機(jī)系統(tǒng)的示意圖公用總線結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：1)結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。2)系統(tǒng)硬件擴(kuò)充性好，在系統(tǒng)上增加或減少模塊非常靈活方便。3)系統(tǒng)效率及可靠性均受總線限制，如果總線失效會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的失效。4)由于存在總線控制和競爭的問題，隨著微處理機(jī)數(shù)目的增加，功能的擴(kuò)展，系統(tǒng)效率會下降。2．多端口存儲器結(jié)構(gòu)多端口存儲器的多微處理機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示。它具有以下特點(diǎn)：1)訪問快，吞吐量大，系統(tǒng)效率高。2)可靠性較高。3)存儲器模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴。4)由于系統(tǒng)可利用的存儲器端口數(shù)有限，因此限制了系統(tǒng)的擴(kuò)展。3．交叉開關(guān)結(jié)構(gòu)交叉開關(guān)結(jié)構(gòu)的多微處理機(jī)系統(tǒng)如圖所示。該類系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1)系統(tǒng)并行處理能力高，具有最高的傳送效率。2)可采用關(guān)鍵部件的冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性。3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。4)電子開關(guān)難于曝計(jì)、制造。二、松耦合系統(tǒng)三種主要的結(jié)構(gòu)形式：1．總線型結(jié)構(gòu)多個微機(jī)通過控制裝置和公共通信媒體結(jié)合成一個總線型網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)的總線型結(jié)構(gòu)圖。以太網(wǎng)的工作過程實(shí)際上是爭用和發(fā)送交替的過程，各個工作站通過競爭占用總線，這種競爭總線系統(tǒng)通常采用兩種存取控制方法：一是載波偵聽多重訪問／沖突檢測法(CSMA／CD)；二是時間片法。2．環(huán)型結(jié)構(gòu)一些微處理機(jī)或外圍設(shè)備通過接口連接到一條高速環(huán)型數(shù)據(jù)通道上，便形成所謂環(huán)型系統(tǒng)。如圖所示。3．星形結(jié)構(gòu)星形結(jié)構(gòu)是將分布于各處的微處理機(jī)連到中央處理機(jī)上(主結(jié)點(diǎn))。

如圖所示三、分級結(jié)構(gòu)形式在這類結(jié)構(gòu)中，各微處理機(jī)之間存在著較明顯的層次關(guān)系如圖圖中，中央處理機(jī)為系統(tǒng)的最高級、現(xiàn)場處理機(jī)為最低級，按系統(tǒng)的大小，中間可能還有一級或二、三級。如圖所示第三節(jié)多微處理機(jī)系統(tǒng)的通信對多微處理機(jī)系統(tǒng)通信的主要要求是：1)具有高的可靠性，在硬件和軟件的設(shè)計(jì)中，要妥善解決沖突，不出現(xiàn)死鎖。在信息中增加冗余碼，以便于檢錯和糾錯；采用冗余傳送方式等。2)具有高的傳送效率，提高并行處理能力，減少完成一個信息交換所需的通信次數(shù)。3)有足夠的緩沖區(qū)的容量。為了解決通信過程中的擁擠現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)信息的長短和可能同時通信的微機(jī)的多少，而留有足夠的緩沖區(qū)。一、數(shù)據(jù)通信方式實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信至少有四種方式。1．總線連接的通信方式如圖所示：2．調(diào)制一解調(diào)連接的通信方式如圖所示：3．用過程輸入／輸出裝置連接的通信方式如圖所示4．高速數(shù)據(jù)通道連接的通信方式如圖所示二、通信線路——總線介紹總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各獨(dú)立模塊之間傳遞各種信息的渠道，它定義了各引線的信號、電氣和機(jī)械特性?？偩€的種類很多，通常按其功能和結(jié)構(gòu)可以分為；單總線結(jié)構(gòu)和多總線結(jié)構(gòu)、內(nèi)部總線和外部總線等(一)STD總線1．STD總線引腳分配STD總線一共有56根線可分為5個功能組，備組引腳及功能如下：邏輯電源線引腳1～6數(shù)據(jù)總線引腳7～14地址總線引腳15～30控制總線引腳31～52輔助電源線引腳53～562．總線優(yōu)先級控制它有兩種總線優(yōu)先級控制方法：(1)串聯(lián)總線優(yōu)先級控制結(jié)構(gòu)如圖(2)并聯(lián)總線優(yōu)先級控制。并聯(lián)總線優(yōu)先級控制如圖3．兼容式的總線結(jié)構(gòu)STD總線具有兼容式的總線結(jié)構(gòu)，該總線支持Intel公司的80系Motorala公司的68系列，ziloG公司的z一80系列和美國半導(dǎo)體公司的NSC800系列。(二)多總線(MULTIBUS)多總線支持8位和16位的數(shù)據(jù)通道，具有高達(dá)16M字節(jié)的內(nèi)存尋址能力和64K字節(jié)的I／O接口的尋址空間，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10M字節(jié)／s。目前已推出了適應(yīng)32位微機(jī)的多總線標(biāo)準(zhǔn)，可支持多達(dá)16個總線控制器，適于構(gòu)成多微處理器系統(tǒng)。多總線定義的插件板有P1和P2兩個插頭，P1是主插頭，有86條引線，P2是可選插頭，有60擴(kuò)條引線多總線系統(tǒng)采用模塊或稱組件結(jié)構(gòu)，諸組件劃分為主組件和叢組件，帶微處理器的都可作為主組件，可以申請占用總線，并啟動總線上的數(shù)據(jù)傳送操作。利用總線控制線中的信號，可以實(shí)現(xiàn)總線控制權(quán)的串聯(lián)裁決，其示意圖如圖所示。(1)串聯(lián)裁決法(2)并聯(lián)裁決法并聯(lián)總線裁決法示意圖如圖所示(三)PC總線Pc總線最早是IBM公司為其IBMPc微機(jī)而設(shè)計(jì)的一種總線，它也是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中常用的總線之一。PC／AT總線適用于Intel8086、80286、80386以及80486系列微處理器，目前各廠家生產(chǎn)的工業(yè)控制PC機(jī)都采用PC／AT總線。(四)RS一232C和RS一422A串行通信總線1．RS一232C總線的引腳定義RS一232C總線分別定義了機(jī)械特性標(biāo)準(zhǔn)和電氣特性標(biāo)準(zhǔn)。RS一232C總線連接器引線的定義。2．RS一232C的電氣信號特征3．DTE和DCE及DTE和DTE之間的連接目前大多數(shù)微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的RS一232C接口都選用+12V或+15V表示邏輯”0”電平，用一12V或一15V表示邏輯”1”電平。按RS一232C規(guī)定，兩個設(shè)備連接應(yīng)用25條引線(扁平電纜)，但在簡單的應(yīng)用中只用三線連接即可，常用的還有9線連接。如圖所示4．RS一422A總線RS一232C總線規(guī)定DTE和DCE之間的通信距離不大于15m，傳送速率不大于20K波特，每個信號使用一根導(dǎo)線，在公用一根信號地線。5．20mA電流環(huán)接口電路線路上有20mA電流通過時，表示邏輯”1”，無電流通過時表示邏輯”0”。6．RS一232C異步通信接口驅(qū)動程序舉例串行異步通信接口的操作基本上可以分為三種：初始化串行通信接口、發(fā)送一個字符、接受一個字符。三、緊耦合多微機(jī)系統(tǒng)的共享存儲器通信(一)多端口公共存儲器通信多端口公共存儲器構(gòu)成多微機(jī)系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)如圖所示(二)共享存儲器多微機(jī)系統(tǒng)舉例四、松耦合多微機(jī)系統(tǒng)的通信(一)集中控制式并行總線結(jié)構(gòu)的通信該系統(tǒng)總線具有提供給多微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信所必要的控制線：——請求占用總線信號——傳送方向信號——允許占用總線信號——傳送啟動信號——傳送回答信號——交換結(jié)束信號——全機(jī)清除信號(二)多微機(jī)控制系統(tǒng)中串行數(shù)據(jù)通信在局部網(wǎng)中，一種常用的結(jié)構(gòu)形式是通過串行總線接成環(huán)形結(jié)構(gòu)。如圖所示：各節(jié)點(diǎn)都設(shè)置一個中繼器(或稱轉(zhuǎn)發(fā)器)，信息在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)之前，通過中繼器傳送。中繼器工作于串行工作方式，具有緩沖、隔離、放大和重發(fā)信息等功能。環(huán)路令牌傳送的特點(diǎn)：1)適用于實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)。2)控制不太復(fù)雜，且全部采用數(shù)字技術(shù)，適用于各種傳輸媒體。3)環(huán)路中需要有防止令牌增多或令牌丟失的診斷方法，如需檢驗(yàn)全部信息中是否有兩個以上令牌代碼。4)當(dāng)環(huán)中某一節(jié)點(diǎn)忙于別的事或出故障時，環(huán)接口應(yīng)通過程序設(shè)定將旁路開關(guān)合上，以保證環(huán)路仍能繼續(xù)工作。在串行總線環(huán)形通信系統(tǒng)中，機(jī)間信息傳送控制方法有令牌傳送法、時間片法、寄存器插入法等。第四節(jié)多微處理機(jī)控制系統(tǒng)的軟件和控制多微處理機(jī)控制系統(tǒng)的硬件、軟件和用戶之間的關(guān)系可用圖簡單示意圖表示：一、多微處理機(jī)控制系統(tǒng)操作系統(tǒng)對多微處理機(jī)操作系統(tǒng)提出以下性能要求：(1)結(jié)構(gòu)的靈活性(2)并行任務(wù)派生(3)進(jìn)程同步(4)資源分配(5)通信和進(jìn)程調(diào)度二、并行進(jìn)程的控制和調(diào)度(一)并行任務(wù)的派生和匯合并行任務(wù)的派生和匯合通常用軟件來控制，首先要在程序中反映出并行任務(wù)的派生和匯合關(guān)系。為此采用FORK和JOIN語句來實(shí)現(xiàn)并行任務(wù)的派生和匯合。關(guān)于FORK指令：指令格式：FORKA指令功能如下：1)遇到FORK指令時，執(zhí)行這條指令的原進(jìn)程，派生出標(biāo)記符A所對應(yīng)的新進(jìn)程。計(jì)數(shù)器N清零，準(zhǔn)備好A進(jìn)程執(zhí)行的有關(guān)信息，如分配內(nèi)存，分給訪問權(quán)等。2)在它所在的處理機(jī)上繼續(xù)執(zhí)行原進(jìn)程。3)分配空閑的微處理機(jī)去執(zhí)行新派生出來的A進(jìn)程，如果沒有可用的微處理機(jī)，則讓它排隊(duì)等待。關(guān)于JOIN指令指令格式：JOINNN≥2的正整數(shù)，表示并行進(jìn)程的個數(shù)(也是正在并行處理的處理機(jī)個數(shù))。指令功能如下：1)JOIN指令附有一個計(jì)數(shù)器，其初值為o。執(zhí)行JOIN指令時，計(jì)數(shù)器的值加1，并與標(biāo)記符N進(jìn)行比較。2)若計(jì)數(shù)器的值小于N，則表示并行執(zhí)行中的第N個進(jìn)程未執(zhí)行至JOIN指令，需等待同步。3)若計(jì)數(shù)器的值等于N，表示執(zhí)行中的第N個進(jìn)程經(jīng)過JOIN指令，滿足匯合條件，在其所在的微處理機(jī)上繼續(xù)執(zhí)行后繼指令。(二)并行進(jìn)程的同步與互斥在一個多微處理機(jī)系統(tǒng)中，為了求解一個較大的問題，控制一個復(fù)雜的系統(tǒng)，往往將給定的任務(wù)分解成許多子任務(wù)(進(jìn)程)，這些子任務(wù)被分配到不同的處理機(jī)上去并行執(zhí)行。但是為了協(xié)調(diào)地完成給定的任務(wù)，這些進(jìn)程之間需要進(jìn)行信息交換，以達(dá)到進(jìn)程間的同步或互斥。同步分為互斥和條件同步兩種基本形式。1．互斥2．同步一信號燈同步法三、并行算法(一)算術(shù)表達(dá)式的并行算法算術(shù)表達(dá)式并行算法的求取，是從給出的表達(dá)式的最直接形式出發(fā)，利用交換律、結(jié)合律和分配律，將運(yùn)算的操作數(shù)和運(yùn)算符號進(jìn)行適當(dāng)變形、配對，盡可能作并行運(yùn)算，以減少運(yùn)算的級數(shù)。運(yùn)算的級數(shù)稱為樹高，運(yùn)用樹高的概念，算術(shù)表達(dá)式的并行算法就是研究如何將算術(shù)表達(dá)式變形，是樹高減少。（二）線性遞歸的并行算法第五節(jié)集散控制系統(tǒng)簡介集散控制系統(tǒng)(TotalDistributedcontrolSystem)，也稱為分散或分布式控制系統(tǒng)(Dis—tributedContr01System)統(tǒng)一稱為集散控制系統(tǒng)，簡記Dcs，它是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動化的發(fā)展和過程控制要求的日益復(fù)雜而產(chǎn)生的綜合控制系統(tǒng)：一、集散控制系統(tǒng)的產(chǎn)生及發(fā)展(一)集散控制系統(tǒng)的產(chǎn)生在生產(chǎn)過程控制中，最先采用的是常規(guī)模擬式調(diào)節(jié)儀表構(gòu)成的過程控制系統(tǒng)，由于其具有技術(shù)成熟、可靠性高、價廉、便于維護(hù)和操作等優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用。集散控制系統(tǒng)既有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又有模擬調(diào)節(jié)儀表控制系統(tǒng)安全可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。(二)集散控制系統(tǒng)的發(fā)展目前，集散控制系統(tǒng)朝著以下幾個方向發(fā)展：1)隨著微型計(jì)算機(jī)向系列化發(fā)展，集散控制系統(tǒng)“全微機(jī)化”，不僅在直接控制級都用微型機(jī)，而且在過程監(jiān)控級使用高性能的微型計(jì)算機(jī)。2)集散榨制系統(tǒng)向小規(guī)模發(fā)展，如單回路控制器發(fā)展很快。3)在直接控制的調(diào)節(jié)器一級，將逐步采用一些較為有效的新算法。4)通信功能和人機(jī)聯(lián)系功能將進(jìn)一步加強(qiáng)。二、集散控制系統(tǒng)的組成它主要由監(jiān)督計(jì)算機(jī)、高速數(shù)據(jù)通道、CRT操作站、數(shù)據(jù)采集器、基本控制器等部分所組成：基本控制器是集散控制系統(tǒng)的最基本的單元，其構(gòu)成框圖如圖所示：基本控制器具有如下幾個特點(diǎn)：1)基本控制器是一個微機(jī)小系統(tǒng)，帶有固化軟件，除監(jiān)控程序外，固化有多種標(biāo)準(zhǔn)算法。如TDCS一2000系統(tǒng)的基本調(diào)節(jié)器是以微處理機(jī)CP一1600為核心的一個部件。2)算法可以組態(tài)，形成相對高級的控制算法。3)基本控制器通過高速數(shù)據(jù)通道與上級監(jiān)督計(jì)算機(jī)配合，完成高級控制功能，如最優(yōu)化控制規(guī)律控制。4)功能可變，改變控制方案不必更換硬件。5)可以在就地操作員單元上顯示和調(diào)整各種參數(shù)。6)基本控制器的CPU具有邏輯判斷功能、自診斷功能。三、集散控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1．系統(tǒng)具有很高的可靠性2．系統(tǒng)功能全面，可實(shí)現(xiàn)控制和管理一體化3．系統(tǒng)使用、操作方便4．性能/價格比好第六節(jié)多微處理機(jī)控制系統(tǒng)舉例一、系統(tǒng)構(gòu)成多微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖所示。它是一個總線結(jié)構(gòu)式緊耦合的多微機(jī)系統(tǒng)。采用公共存儲器(SharedRAM，下簡寫為s—RAM)實(shí)現(xiàn)機(jī)間高速通信。二、8098單片機(jī)模杉其主要特點(diǎn)如下：1)模板自身帶有RAM、EPROM、高速輸入／輸出口、帶有采樣／保持電路的10位A／D轉(zhuǎn)換器、中斷控制器、一個同步／異步串行口、兩個16位定時器，一個可供D／A轉(zhuǎn)換器使用的脈沖寬度調(diào)制(PwM)輸出等。2)符合STD總線規(guī)范，多個單片機(jī)系統(tǒng)可在公用STD總線的前提下，通過共享s—R