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1、第七章多微处理机控制系统 8 1概述 一 多微处理机控制系统的定义及分类多微处理机系统 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工作的微机系统 特点 紧耦合系统 TCS 松耦合系统 LCS 分级结构系统 系统结构形式分类 有两个或多个微处理机 共享存储器或高速通信网络 共享输入 输出设备 机间硬件和软件有交互作用 1 二 多微处理机控制系统的优点 有较高的处理速度 并行处理形式 采用单指令流多数据流 2 采用多指令流多数据流 采用流水线作业方式 3 提高系统的可靠性 系统便于扩充和修改 实现复杂分散控制和管理一体化 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
2、理机控制系统中应解决的问题 系统的结构形式和通信方案 任务分割和开发并行性问题 正确处理资源竞争和死锁问题 提高系统可靠性和动态重组问题 4 7 2多微处理机控制系统的结构形式多微处理机控制系统的结构形式有 紧耦合系统 TCS 松耦合系统 LCS 分级结构系统 一 紧耦合系统紧耦合系统 是指通过电信号连接在一起共享公共硬件资源的系统 紧耦合系统结构形式有 公用总线结构多端口存储器结构交叉开关结构总线窗口结构 5 1 公用总线结构 特点 构简单 价格便宜 系统硬件扩充性好 系统效率及可靠性均受总线限制 随着微处理机数目的增加 功能的扩展及系统效率会下降 6 2 多端口存储器结构 公共存储器的特点
3、 访问快 吞吐量大 系统效率高 可靠性较高 存储器模块结构复杂 价格较贵 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 7 3 交叉开关结构 系统特点 系统并行处理能力高 具有最高的传送效率 可采用关键部件的冗余结构 提高系统的可靠性 系统结构复杂 价格昂贵 电子开关难于设计 制造 8 二 松耦合系统 总线型环型星形树型混合型 松耦合系统结构形式有 1 总线型结构 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 结构特点 结构简单 扩展性好 可靠性高 总线型局域网络中某一结点发生故障时不会影响整个网络的工作 9 存在问题 当总线本身出现故障时 会导致整个局部网络不
4、能工作 10 工作站之间传送信息采用串行信息帧 帧 所传送信息的结构 同步通信信息帧包括 同步序列 同步字符 目的地址 源地址 数据类型 数据块和冗余检验码 冗余检验码 提高传输质量的方法有两种 改善信道的电性能 使误码率降低 接收端检验出错误后 自动纠正错误 或让发送端重新发送 直到接收到正确的信息为止 冗余校验就是差错控制技术中检验错误的一种方法 竞争总线系统存取信息控制方法 载波侦听多重访问 冲突检测法 CSMA CD 时间片法 11 2 环型结构 优点 结构简单 控制逻辑也比较简单 成本低 它是全互连结构的简化 缺点 可靠性差 因为接口采用串行结构 因此接口的故障将严重地影响整个系统
5、12 3 星形结构 优点 结构简单明了 主结点到各站延时固定 易于信息汇集 转接 缺点 可靠性差 容易产生信息阻塞 线路利用率不高 13 三 分级结构形式 分级结构形式有两重含义 纵向分层 在纵向上需要多种功能 这些功能应当分成层次 下一层功能是上一层功能的基础 横向分解 在纵向分层的基础上 应当再进一步对同一层的任务进行横向分解 14 7 3多微处理机控制系统的总线技术一 总线总线 就是计算机系统内部各独立模块之间传递各种信息的渠道 也是一组线的集合 总线的电气连线 数据和地址线 控制 时序和中断信号线 电源线和地线 备用线 15 二 总线的分类计算机控制系统 总线按功能和结构可分为 内部总
6、线外部总线并行总线串行总线 16 1 内部总线和外部总线内部总线 计算机系统内部的模板和模板之间进行通信的总线 又称插件板极总线 总线功能 数据总线 地址总线 控制总线 电源总线机械要素 模板尺寸 接插件尺寸 针数 电气要素 信号的电平 信号的时序 17 2 并行总线和串行总线 并行总线的优点 信号线各自独立 信号传输快 接口简单 缺点 电缆线数多 串行总线的优点 电缆线数少 便于远距离传输 缺点 信号传输慢 接口复杂 外部总线 计算机系统和系统或计算机系统与外设之间进行通信的总线 机械要素 插件型号 电缆线 电气要素 发送与接收信号的电平 发送与接收信号的时序 功能要素 发送与接收的管理能力
7、 发送与接收的控制能力 发送与接收的编码规则 18 三 STD总线 内部总线 STD总线是一种面向工业控制的8位微机总线 通过对原STD总线进行改造 使它升格为8位 16位兼容总线 32位STD总线标准也已推出 用STD总线标准设计的模块计算机系列 称为STD总线模块式工业控制计算机 1 STD总线引脚分配STD总线采用小板结构 114 3mm 165 1mm 它是56线的同步总线 可分为5个功能组 19 各组引脚及功能如下 逻辑电源线 引脚1 6 1 2 5V 3 4 GND 5 6 5V 数据总线 引脚7 14 D0 D7 地址总线 引脚15 30 A0 A15 控制总线 引脚31 522
8、2根 辅助电源线 引脚53 5653 54 AUXGND附加电源地55 12V附加 12V电源56 12V附加 12V电源 20 数据总线是8位 双向 三态 高有效的总线 定义引脚是D D7 扩展地址是A16 A23 地址总线是16位 三态 高有效的总线 定义引脚是A8 Al5 数据总线扩展是D8 D15 控制总线STD总线信号功能 存储器 I O操作 存储器扩展 存储器映象I O 动态存储器刷新 直接访存 多微处理器结构 电源掉电再启动 优先级矢量中断 总线响应 21 存储器和I O控制31 WR 写控制信号32 RD 读控制信33 IORQ I O地址选择信号34 MEMRQ 存储器地址选
9、择信号35 IOEXP I O扩展信号36 MEMEX 存储器扩展信号 外围设备定时37 REFRESH 存储器刷新信号38 MCSYNC CPU机器周期同步信号39 STATUS140 STATUS0 CPU状态信号线 22 中断和总线控制41 BUSAK 总线响应信号42 BUSRQ 总线请求信号43 INTAK 中断响应信号44 INTRQ 中断请求信号45 WAITRQ 等待请求信号46 NMIRQ 非屏蔽中断请求信号 时钟和复位47 SYSRESET 系统复位信号线48 PBRESET 按钮复位信号线49 CLOCK 处理器时钟信号50 CNTRL 附加同步信号线 串行优先级链51
10、BAO 优先级链输出信号52 BAI 优先级链输入信号 23 2 总线优先级控制 串联总线优先级控制 24 并联总线优先级控制 3 兼容式的总线结构STD总线具有兼容式的总线结构 它的兼容性很强 STD总线支持各种系列的计算机 25 四 PC总线 内部总线 PC总线是工业控制计算机中常用的一种总线 PC总线定义了62根引脚信号 8位双向数据总线 20位地址总线 6级中断 存储器与I O读写控制线 时钟与定时线 3个DMA通道的控制线 存储器刷新定时控制线 通道检查线 四种电源线 5V 5V 12V 12V 地线 26 五 RS 232C标准接口总线1 RS 232C总线的特点和引脚定义特点 信
11、号线少 有多种可供选择的信息传送速率 传送距离远引线 RS 232C接口包括有两条通道 初级通道次级通道 辅助通道返回通道 27 28 2 RS 232C总线的标准机械特性标准连接器采用DB 25插头和插座 电气特征标准 RS 232C总线信号采用负逻辑 在TxD和RxD线上 1 3V 25V 0 3V 25V在RTS CTS DSR CD线上 ON 3V 25V OFF 3V 25V 29 在连接RS 232C标准总线传送数据时 必须进行电平转换 30 3 终端 计算机通信互连方式 31 六 RS 422A总线 RS 422A总线规定使用双端发送器和接收器 每个信号使用二根导线 DTE和DC
12、E之间无公共地线 进行单向平衡式传送 可以有效地克服干扰的影响 RS 422A总线信号也采用负逻辑 逻辑 1 状态电平为 6V至 2V 逻辑 0 状态电平为 2V至 6V 其中 2V至 2V用作信号状态的变迁区 32 RS 422A接口驱动和接收可采用集成电路来实现 RS 422A在几十米的传送距离上 其速率可达10M波特 若传输波特率在20K波特以下 其传送距离可达1500m 33 注意 以上RS 232C和RS 422A总线的总线标准是采用电压信号 DTE和DCE之间没有光电隔离 容易受外界干扰的影响 20mA电流环接口电路增加了光电隔离电路 提高了系统抗干扰的能力 34 7 4多微处理机
13、控制系统的通信技术通信要求 具有高可靠性 具有高传送效率 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 有足够的缓冲区容量 35 8 4 1数据通信方式1 总线连接的通信方式 2 调制 解调连接的通信方式 36 调制有三种方式 调幅方式 指载波的频率和相位都不变 而振幅随信号变化 调频方式 指载波的振幅和相位都不变 而频率随信号变化 调相方式 指载波的振幅和频率都不变 而相位随信号变化 实现这种调制 解调的设备叫调制 解调器 通信距离可达数百米至数千米 通信速度一般只有几千波特 37 3 用过程输入 输出装置连接的通信方式 优点 程序处理方便 缺点 不能远距离通信 通信能力有限 传送速
14、度较低 传送距离通常限制在500m左右 38 4 高速数据通道连接的通信方式 优点 对主机运行的干扰少 传送速率较高 传送距离较远 且配线简单 通用性强 扩展容易 集散控制系统大都采用高速数据通道 39 7 4 2紧耦合多微机系统的共享存储器通信1 多端口公共存储器通信 结构特点 工作过程 优点 提供了大量的微机之间的通信路径 通信速度快 缺点 微机台数增加 多路通道复杂 通信效率则下降 40 2 共享存储器多微机系统举例 41 7 4 3松耦合多微机系统的通信1 集中控制式并行总线结构的通信 系统总线通信控制线 REQ DIR ALL STA ANS END RESET 42 通信过程 pi
15、 pj 43 串行传送方式 在数据传输时 数据编码字符不是同时发送的 而是按一定顺序 一位接一位在通信线路中被发送和接收的 1 系统结构 2 多微机控制系统中串行数据通信 串行信息传送的方法有 令牌传送法时间片法寄存器插入法 44 2 令牌传送方式 信息帧格式 标志和令牌是特殊规定的代码美国阿波罗系统中规定 标志 FLAG 011111101令牌 TOKEN 011111100TBnet局部网 标志 FLAG 011111110令牌 TOKEN 01111110 45 3 令牌传送和存取控制工作过程 网络中的信息分布况为 46 传送信息中只剩下节点D发往节点B的信息时 信息分布为 47 4 环
16、路令牌传送的要点及特点 环路令牌传送的要点 网络拓扑结构为一环路 由令牌来控制对信息的访问权 任何一个站 允许保持令牌的时间是限定的 令牌是根据站地址及其逻辑环上的顺序进行传递的 48 环路令牌传送的特点 适用于实时监控系统 控制不太复杂 且全部采用数字技术 适用于各种传输媒体 环路中需要有防止令牌增多或令牌丢失的诊断方法 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 49 7 5多微处理机控制系统举例 多微处理机CNC数控系统一 系统构成 系统结构 结构特点 采用总线紧耦合结构 系统按主从式结构设计 STD总线作为微机之间通信通道 采用了键盘管理和图形显示模板 50 二 8098单片机模板 8098是Intel公司的准16位微处理器 8098单片机模板的特点 模板自成微机小系统 符合STD总线规范 设计了掉电保护存储器 三 总线管理和机间通信1 通信机构 51 2 总线优先权仲裁和机间通信 52 四 任务的分解和协调同步1 任务的分解子任务划分应考虑 各微机完成的功能要有它的完整性和独立性 各微机之间的信息交换量 通信次数及通信时间应
