1、第七章 多微處理機控制系統(tǒng),7.1 概 述,一、多微處理機控制系統(tǒng)的定義及分類 多微處理機系統(tǒng)：是指一個具有兩個或多個微處理機并能相互進行通信以協(xié)同工作的微機系統(tǒng)。 特點：,緊耦合系統(tǒng)(TCS) 松耦合系統(tǒng)(LCS) 分級結(jié)構(gòu)系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式分類：, 有兩個或多個微處理機。 共享存儲器或高速通信網(wǎng)絡(luò)。 共享輸入輸出設(shè)備。 機間硬件和軟件有交互作用。,二、多微處理機控制系統(tǒng)的優(yōu)點 有較高的處理速度,并行處理形式： 采用單指令流多數(shù)據(jù)流, 采用多指令流多數(shù)據(jù)流, 采用流水線作業(yè)方式, 提高系統(tǒng)的可靠性 系統(tǒng)便于擴充和修改 實現(xiàn)復(fù)雜分散控制和管理一體化 通過多微處理機實現(xiàn)并行處理，是開發(fā)超級計算機

2、的重要途徑。 三、多微處理機控制系統(tǒng)中應(yīng)解決的問題 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和通信方案 任務(wù)分割和開發(fā)并行性問題 正確處理資源競爭和死鎖問題 提高系統(tǒng)可靠性和動態(tài)重組問題,7.2 多微處理機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式 多微處理機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式有： 緊耦合系統(tǒng)(TCS) 松耦合系統(tǒng)(LCS) 分級結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。 一、緊耦合系統(tǒng) 緊耦合系統(tǒng)：是指通過電信號連接在一起共享公共硬件資源的系統(tǒng)。 緊耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式有：公用總線結(jié)構(gòu) 多端口存儲器結(jié)構(gòu) 交叉開關(guān)結(jié)構(gòu) 總線窗口結(jié)構(gòu),1公用總線結(jié)構(gòu),特點： 構(gòu)簡單，價格便宜。 系統(tǒng)硬件擴充性好 系統(tǒng)效率及可靠性均受總線限制 隨著微處理機數(shù)目的增加，功能的擴展及系統(tǒng)效率會下降。,

3、2多端口存儲器結(jié)構(gòu),公共存儲器的特點： 訪問快，吞吐量大，系統(tǒng)效率高。 可靠性較高。 存儲器模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴。 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)的擴展。,3交叉開關(guān)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)特點： 系統(tǒng)并行處理能力高，具有最高的傳送效率。 可采用關(guān)鍵部件的冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。 電子開關(guān)難于設(shè)計、制造。,二、松耦合系統(tǒng),總線型 環(huán)型 星形 樹型 混合型,松耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式有：,1總線型結(jié)構(gòu),總線型結(jié)構(gòu)：多個微機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)。 結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)簡單、擴展性好，可靠性高，總線型局域網(wǎng)絡(luò)中某一結(jié)點發(fā)生故障時不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的工作。

4、,存在問題：當總線本身出現(xiàn)故障時，會導(dǎo)致整個局部網(wǎng)絡(luò)不能工作。,工作站之間傳送信息采用串行信息幀。 幀：所傳送信息的結(jié)構(gòu)。 同步通信信息幀包括：同步序列（同步字符）、目的地址、源地址、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)塊和冗余檢驗碼。 冗余檢驗碼： 提高傳輸質(zhì)量的方法有兩種： 改善信道的電性能，使誤碼率降低； 接收端檢驗出錯誤后，自動糾正錯誤，或讓發(fā)送端重新發(fā)送，直到接收到正確的信息為止。 冗余校驗就是差錯控制技術(shù)中檢驗錯誤的一種方法。 競爭總線系統(tǒng)存取信息控制方法： 載波偵聽多重訪問沖突檢測法(CSMACD) 時間片法,2環(huán)型結(jié)構(gòu),優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，控制邏輯也比較簡單，成本低。它是全互連結(jié)構(gòu)的簡化。 缺點：可靠性

5、差，因為接口采用串行結(jié)構(gòu)，因此接口的故障將嚴重地影響整個系統(tǒng)。,3星形結(jié)構(gòu),優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單明了，主結(jié)點到各站延時固定，易于信息匯集、轉(zhuǎn)接。 缺點：可靠性差、容易產(chǎn)生信息阻塞，線路利用率不高。,三、分級結(jié)構(gòu)形式,分級結(jié)構(gòu)形式有兩重含義： 縱向分層：在縱向上需要多種功能。這些功能應(yīng)當分成層次，下一層功能是上一層功能的基礎(chǔ)。 橫向分解：在縱向分層的基礎(chǔ)上，應(yīng)當再進一步對同一層的任務(wù)進行橫向分解。,7.3 多微處理機控制系統(tǒng)的總線技術(shù) 一、總線 總線：就是計算機系統(tǒng)內(nèi)部各獨立模塊之間傳遞各種信息的渠道，也是一組線的集合。 總線的電氣連線： 數(shù)據(jù)和地址線 控制、時序和中斷信號線 電源線和地線 備用線 ,

6、二、總線的分類 計算機控制系統(tǒng) ：,總線按功能和結(jié)構(gòu)可分為：,內(nèi)部總線 外部總線 并行總線 串行總線,1、內(nèi)部總線和外部總線 內(nèi)部總線：計算機系統(tǒng)內(nèi)部的模板和模板之間進行通信的總線，又稱插件板極總線。 總線功能： 數(shù)據(jù)總線 地址總線 控制總線 電源總線 機械要素：模板尺寸、接插件尺寸、針數(shù)。 電氣要素：信號的電平、信號的時序。,2、并行總線和串行總線,并行總線的優(yōu)點：信號線各自獨立，信號傳輸快，接口簡單。 缺點：電纜線數(shù)多。 串行總線的優(yōu)點：電纜線數(shù)少，便于遠距離傳輸。 缺點：信號傳輸慢，接口復(fù)雜。,外部總線：計算機系統(tǒng)和系統(tǒng)或計算機系統(tǒng)與外設(shè)之間進行通信的總線。 機械要素：插件型號、電纜線。

7、 電氣要素：發(fā)送與接收信號的電平、發(fā)送與接收信號的時序。 功能要素：發(fā)送與接收的管理能力、發(fā)送與接收的控制能力、發(fā)送與接收的編碼規(guī)則。,三、 STD總線（內(nèi)部總線）, STD總線是一種面向工業(yè)控制的8位微機總線，通過對原STD總線進行改造，使它升格為8位/16位兼容總線，32位STD總線標準也已推出。 用STD總線標準設(shè)計的模塊計算機系列，稱為STD總線模塊式工業(yè)控制計算機。,1STD總線引腳分配 STD總線采用小板結(jié)構(gòu)（114.3mm*165.1mm），它是56線的同步總線，可分為5個功能組。,各組引腳及功能如下： 邏輯電源線： 引腳16 （1、2 +5V；3、4GND；5、6 -5V） 數(shù)

8、據(jù)總線： 引腳714 （D0D7） 地址總線： 引腳1530 （A0A15） 控制總線： 引腳3152 22根 輔助電源線： 引腳5356 53、54：/AUXGND附加電源地 55：+12V附加+12V電源 56：-12V附加-12V電源,數(shù)據(jù)總線是8位、雙向、三態(tài)、高有效的總線。定義引腳是D。D7，擴展地址是A16A23。 地址總線是16位、三態(tài)、高有效的總線。定義引腳是A8Al5數(shù)據(jù)總線擴展是D8D15。 控制總線 STD總線信號功能： 存儲器、I/O操作 存儲器擴展 存儲器映象I/O 動態(tài)存儲器刷新, 直接訪存、 多微處理器結(jié)構(gòu) 電源掉電再啟動 優(yōu)先級矢量中斷 總線響應(yīng),存儲器和IO控

9、制 31） /WR：寫控制信號 32）/RD：讀控制信 33）/IORQ：I/O地址選擇信號 34）/MEMRQ：存儲器地址選擇信號 35）IOEXP：I/O擴展信號 36）MEMEX：存儲器擴展信號 外圍設(shè)備定時 37）/REFRESH：存儲器刷新信號 38）/MCSYNC：CPU機器周期同步信號 39）/STATUS1 40）/STATUS0, CPU狀態(tài)信號線, 中斷和總線控制 41）/BUSAK：總線響應(yīng)信號 42）/BUSRQ：總線請求信號 43）/INTAK：中斷響應(yīng)信號 44）/INTRQ：中斷請求信號 45）/WAITRQ：等待請求信號 46）/NMIRQ：非屏蔽中斷請求信號

10、時鐘和復(fù)位 47）/SYSRESET：系統(tǒng)復(fù)位信號線 48）/PBRESET：按鈕復(fù)位信號線 49）/CLOCK：處理器時鐘信號 50）/CNTRL：附加同步信號線 串行優(yōu)先級鏈 51）BAO：優(yōu)先級鏈輸出信號 52）BAI：優(yōu)先級鏈輸入信號,2總線優(yōu)先級控制 串聯(lián)總線優(yōu)先級控制, 并聯(lián)總線優(yōu)先級控制,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)，它的兼容性很強。STD總線支持各種系列的計算機。,四、PC總線 （內(nèi)部總線）,PC總線是工業(yè)控制計算機中常用的一種總線 。 PC總線定義了 62根引腳信號： 8位雙向數(shù)據(jù)總線， 20位地址總線、 6級中斷、 存儲器與IO讀寫控制線， 時鐘與定時

11、線， 3個DMA通道的控制線、 存儲器刷新定時控制線、 通道檢查線、 四種電源線+ 5V、-5V、+12V、-12V 地線,五、RS-232C標準接口總線 1、RS-232C總線的特點和引腳定義 特點： 信號線少 有多種可供選擇的信息傳送速率 傳送距離遠 引線： RS-232C接口包括有兩條通道： 初級通道 次級通道,輔助通道 返回通道,2、RS232C總線的標準 機械特性標準 連接器采用DB-25插頭和插座,電氣特征標準,RS232C總線信號采用負邏輯。 在TxD和RxD線上： “1”-3V-25V ； “0”+3V+25V 在RTS、CTS、DSR、CD線上： “ON”+3V+25V ；

12、“OFF-3V-25V,在連接RS232C標準總線傳送數(shù)據(jù)時，必須進行電平轉(zhuǎn)換。,3、終端/計算機通信互連方式,六、RS422A總線, RS-422A總線規(guī)定使用雙端發(fā)送器和接收器 ，每個信號使用二根導(dǎo)線，DTE和DCE之間無公共地線，進行單向平衡式傳送，可以有效地克服干擾的影響。, RS-422A總線信號也采用負邏輯，邏輯“1”狀態(tài)電平為-6V至-2V；邏輯”“0”狀態(tài)電平為+2V至+6V，其中-2V至+2V用作信號狀態(tài)的變遷區(qū)。, RS422A接口驅(qū)動和接收可采用集成電路來實現(xiàn), RS422A在幾十米的傳送距離上，其速率可達10M波特，若傳輸波特率在20K波特以下，其傳送距離可達1500m

13、。,注意：以上RS-232C和RS422A總線的總線標準是采用電壓信號， DTE和DCE之間沒有光電隔離，容易受外界干擾的影響 。20mA電流環(huán)接口電路增加了光電隔離電路，提高了系統(tǒng)抗干擾的能力。,7.4 多微處理機控制系統(tǒng)的通信技術(shù) 通信要求： 具有高可靠性。 具有高傳送效率，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)。 有足夠的緩沖區(qū)容量。,7.4.1 數(shù)據(jù)通信方式 1總線連接的通信方式,2調(diào)制-解調(diào)連接的通信方式,調(diào)制有三種方式： 調(diào)幅方式：指載波的頻率和相位都不變，而振幅隨信號變化。 調(diào)頻方式：指載波的振幅和相位都不變，而頻率隨信號變化。 調(diào)相方式：指載波的振幅和頻率都不變，

14、而相位隨信號變化。 實現(xiàn)這種調(diào)制-解調(diào)的設(shè)備叫調(diào)制-解調(diào)器。 通信距離可達數(shù)百米至數(shù)千米，通信速度一般只有幾千波特。,3用過程輸入輸出裝置連接的通信方式,優(yōu)點：程序處理方便。 缺點：不能遠距離通信，通信能力有限，傳送速度較低，傳送距離通常限制在500m左右。,4高速數(shù)據(jù)通道連接的通信方式,優(yōu)點：對主機運行的干擾少，傳送速率較高，傳送距離較遠。且配線簡單，通用性強、擴展容易，集散控制系統(tǒng)大都采用高速數(shù)據(jù)通道。,7.4.2 緊耦合多微機系統(tǒng)的共享存儲器通信 1、 多端口公共存儲器通信,結(jié)構(gòu)特點： 工作過程： 優(yōu)點：提供了大量的微機之間的通信路徑，通信速度快。 缺點： 微機臺數(shù)增加，多路通道復(fù)雜，通

15、信效率則下降。,2、共享存儲器多微機系統(tǒng)舉例,7.4.3 松耦合多微機系統(tǒng)的通信 1、集中控制式并行總線結(jié)構(gòu)的通信,系統(tǒng)總線通信控制線： /REQ /DIR /ALL /STA /ANS /END /RESET,通信過程：pipj,串行傳送方式：在數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)編碼字符不是同時發(fā)送的，而是按一定順序，一位接一位在通信線路中被發(fā)送和接收的。 1) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu),2、多微機控制系統(tǒng)中串行數(shù)據(jù)通信,串行信息傳送的方法有： 令牌傳送法 時間片法 寄存器插入法,2) 令牌傳送方式,信息幀格式：,標志和令牌是特殊規(guī)定的代碼 美國阿波羅系統(tǒng)中規(guī)定： 標志(FLAG)011111101 令牌(TOKEN)011

16、111100 TBnet局部網(wǎng)： 標志(FLAG)011111110 令牌(TOKEN)01111110,3) 令牌傳送和存取控制工作過程,網(wǎng)絡(luò)中的信息分布況為：,傳送信息中只剩下節(jié)點D發(fā)往節(jié)點B的信息時。信息分布為：,4) 環(huán)路令牌傳送的要點及特點： 環(huán)路令牌傳送的要點： 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為一環(huán)路。 由令牌來控制對信息的訪問權(quán)。 任何一個站，允許保持令牌的時間是限定的。 令牌是根據(jù)站地址及其邏輯環(huán)上的順序進行傳遞的。,環(huán)路令牌傳送的特點： 適用于實時監(jiān)控系統(tǒng)。 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 環(huán)路中需要有防止令牌增多或令牌丟失的診斷方法。 當環(huán)中某一節(jié)點忙于別的事或出故障時

17、，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。,7.5 多微處理機控制系統(tǒng)舉例,多微處理機CNC數(shù)控系統(tǒng) 一、系統(tǒng)構(gòu)成, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)特點 采用總線緊耦合結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)按主從式結(jié)構(gòu)設(shè)計, STD總線作為微機之間通信通道 采用了鍵盤管理和圖形顯示模板,二、8098單片機模板,8098是Intel公司的準16位微處理器。 8098單片機模板的特點： 模板自成微機小系統(tǒng) 符合STD總線規(guī)范 設(shè)計了掉電保護存儲器,三、總線管理和機間通信 1、 通信機構(gòu),2、總線優(yōu)先權(quán)仲裁和機間通信,四、任務(wù)的分解和協(xié)調(diào)同步 1任務(wù)的分解 子任務(wù)劃分應(yīng)考慮： 各微機完成的功能要有它的完整性和獨立性 各微機之間的信息交換量、通信次數(shù)及通信時間應(yīng)盡可能少 應(yīng)滿足系統(tǒng)快速實時控制的要求 各微機的負擔應(yīng)趨于平衡,本系統(tǒng)各微機完成的主要功能： 1#8098主機模板： 完成主控程序、插補