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1、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
2、 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
3、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
4、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。
5、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
6、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(CSMACD)；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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、。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1STD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16数据总线 引脚714地址总线 引脚1530控制总线 引脚3152辅助电源线 引脚53562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9.3 多微处理机系统的通信(1)串联总线优先级控制9.3 多微处理机系统的通信(2)并联总线优先级控制。并
12、联总线优先级控制如图9.3 多微处理机系统的通信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)INTEL公司提出的一种计算机系统总线多总线支持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IO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
13、，有60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从组件，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，而公用存储器、公用I/O为从组件。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。9.3 多微处理机系统的通信多个主从组件可以插到总线上，但是任何时候，只能在一主一从两个组件间利用总线通信。多总线系统允许同时有多个主组件，它们都可以获得总线控制权，一般采用串联裁决和并联裁决两种方法通过仲裁器解决各主组件间总线控制权的优先级排队问题。(1)串联裁决法9.3 多微处理机系统的通信并联总线裁决法示意图如图所示(2)并联裁决法：
14、9.3 多微处理机系统的通信(三)PC总线PC总线最早是IBM公司为其IBM PC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，早期的PC总线共62条线，后期AT扩展36条线。PCAT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PCAT总线。 (四)RS一232C和RS一422A串行通信总线1RS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。2RS一232C的电气信号特征9.3 多微处理机系统的通信3DTE和DCE及DTE和DTE之间的连接
15、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9.3 多微处理机系统的通信4RS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，再公用一根信号地线，易引入干扰。RS-422A规定使用双端发送器和接收器，无公共地线，单向平衡式传送，克服干扰进入。520mA电流环接口电路线路上有20mA电流通过时，表示逻辑”1”，无电
16、流通过时表示逻辑”0”。 6RS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。 9.3.3 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9.3 多微处理机系统的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9.3 多微处理机系统的通信9.3.4 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（传送距离大于10米）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
