第七章多微處理機控制系統第一節概述第二節多微處理機控制系統的結構形式第三節多微處理機系統的通信第四節多微處理機控制系統的軟件和控制第五節集散控制系統簡介第六節多微處理機控制系統舉例第一節概述一、多微處理機控制系統的定義及分類多機系統泛指多微處理器系統和多計算機系統。所謂多微處理機系統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同解決一個大的給定問題的微機系統；二、多微處理機控制系統的優點具有以下優點：1)有兩個或多個微處理機。2)共享存儲器或高速通信網絡。3)共享輸入／輸出設備。4)機間硬件和軟件有交互作用。共特點是：1．有較高的處理速度2．提高系統的可靠性3．系統便于擴充和修改4·實現復雜分散控制和管理一體化5·通過多微處理機實現并行處理，是開發超級計算機的重要途徑三、多微處理機控制系統中應解決的問題1．系統的結構形式和通信方案2．任務分割和開發并行性問題3．正確處理資源競爭和死鎖問題4．提高系統可靠性和動態重組問題第二節多微處理機控制系統的結構形式一、緊耦合系統所謂耦合系統是指通過電信號連接在一起的系統，或者說是一個共享公共硬件資源的系統1．公用總線結構總線結構是多微處理機系統最簡單的一種結構形式，分別示出了單總線連接和多總線連接的多微處理機系統的示意圖公用總線結構具有以下特點：1)結構簡單，價格便宜。2)系統硬件擴充性好，在系統上增加或減少模塊非常靈活方便。3)系統效率及可靠性均受總線限制，如果總線失效會導致整個系統的失效。4)由于存在總線控制和競爭的問題，隨著微處理機數目的增加，功能的擴展，系統效率會下降。2．多端口存儲器結構多端口存儲器的多微處理機系統的結構如圖所示。它具有以下特點：1)訪問快，吞吐量大，系統效率高。2)可靠性較高。3)存儲器模塊結構復雜，價格較貴。4)由于系統可利用的存儲器端口數有限，因此限制了系統的擴展。3．交叉開關結構交叉開關結構的多微處理機系統如圖所示。該類系統具有以下特點：1)系統并行處理能力高，具有最高的傳送效率。2)可采用關鍵部件的冗余結構，提高系統的可靠性。3)系統結構復雜，價格昂貴。4)電子開關難于曝計、制造。二、松耦合系統三種主要的結構形式：1．總線型結構多個微機通過控制裝置和公共通信媒體結合成一個總線型網絡。以太網的總線型結構圖。以太網的工作過程實際上是爭用和發送交替的過程，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．環型結構一些微處理機或外圍設備通過接口連接到一條高速環型數據通道上，便形成所謂環型系統。如圖所示。3．星形結構星形結構是將分布于各處的微處理機連到中央處理機上(主結點)。

如圖所示三、分級結構形式在這類結構中，各微處理機之間存在著較明顯的層次關系如圖圖中，中央處理機為系統的最高級、現場處理機為最低級，按系統的大小，中間可能還有一級或二、三級。如圖所示第三節多微處理機系統的通信對多微處理機系統通信的主要要求是：1)具有高的可靠性，在硬件和軟件的設計中，要妥善解決沖突，不出現死鎖。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。3)有足夠的緩沖區的容量。為了解決通信過程中的擁擠現象，應根據信息的長短和可能同時通信的微機的多少，而留有足夠的緩沖區。一、數據通信方式實現計算機之間的數據通信至少有四種方式。1．總線連接的通信方式如圖所示：2．調制一解調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．高速數據通道連接的通信方式如圖所示二、通信線路——總線介紹總線是計算機系統內各獨立模塊之間傳遞各種信息的渠道，它定義了各引線的信號、電氣和機械特性。總線的種類很多，通常按其功能和結構可以分為；單總線結構和多總線結構、內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數據總線引腳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．總線優先級控制它有兩種總線優先級控制方法：(1)串聯總線優先級控制結構如圖(2)并聯總線優先級控制。并聯總線優先級控制如圖3．兼容式的總線結構STD總線具有兼容式的總線結構，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系列和美國半導體公司的NSC800系列。(二)多總線(MULTIBUS)多總線支持8位和16位的數據通道，具有高達16M字節的內存尋址能力和64K字節的I／O接口的尋址空間，數據傳輸速率可達10M字節／s。目前已推出了適應32位微機的多總線標準，可支持多達16個總線控制器，適于構成多微處理器系統。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擴條引線多總線系統采用模塊或稱組件結構，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，并啟動總線上的數據傳送操作。利用總線控制線中的信號，可以實現總線控制權的串聯裁決，其示意圖如圖所示。(1)串聯裁決法(2)并聯裁決法并聯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微機而設計的一種總線，它也是工業控制計算機中常用的總線之一。PC／AT總線適用于Intel8086、80286、80386以及80486系列微處理器，目前各廠家生產的工業控制PC機都采用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總線分別定義了機械特性標準和電氣特性標準。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微計算機系統的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規定，兩個設備連接應用25條引線(扁平電纜)，但在簡單的應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線，在公用一根信號地線。5．20mA電流環接口電路線路上有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、發送一個字符、接受一個字符。三、緊耦合多微機系統的共享存儲器通信(一)多端口公共存儲器通信多端口公共存儲器構成多微機系統的通信結構如圖所示(二)共享存儲器多微機系統舉例四、松耦合多微機系統的通信(一)集中控制式并行總線結構的通信該系統總線具有提供給多微機系統進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——交換結束信號——全機清除信號(二)多微機控制系統中串行數據通信在局部網中，一種常用的結構形式是通過串行總線接成環形結構。如圖所示：各節點都設置一個中繼器(或稱轉發器)，信息在到達目的節點之前，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、放大和重發信息等功能。環路令牌傳送的特點：1)適用于實時監控系統。2)控制不太復雜，且全部采用數字技術，適用于各種傳輸媒體。3)環路中需要有防止令牌增多或令牌丟失的診斷方法，如需檢驗全部信息中是否有兩個以上令牌代碼。4)當環中某一節點忙于別的事或出故障時，環接口應通過程序設定將旁路開關合上，以保證環路仍能繼續工作。在串行總線環形通信系統中，機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。第四節多微處理機控制系統的軟件和控制多微處理機控制系統的硬件、軟件和用戶之間的關系可用圖簡單示意圖表示：一、多微處理機控制系統操作系統對多微處理機操作系統提出以下性能要求：(1)結構的靈活性(2)并行任務派生(3)進程同步(4)資源分配(5)通信和進程調度二、并行進程的控制和調度(一)并行任務的派生和匯合并行任務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的派生和匯合關系。為此采用FORK和JOIN語句來實現并行任務的派生和匯合。關于FORK指令：指令格式：FORKA指令功能如下：1)遇到FORK指令時，執行這條指令的原進程，派生出標記符A所對應的新進程。計數器N清零，準備好A進程執行的有關信息，如分配內存，分給訪問權等。2)在它所在的處理機上繼續執行原進程。3)分配空閑的微處理機去執行新派生出來的A進程，如果沒有可用的微處理機，則讓它排隊等待。關于JOIN指令指令格式：JOINNN≥2的正整數，表示并行進程的個數(也是正在并行處理的處理機個數)。指令功能如下：1)JOIN指令附有一個計數器，其初值為o。執行JOIN指令時，計數器的值加1，并與標記符N進行比較。2)若計數器的值小于N，則表示并行執行中的第N個進程未執行至JOIN指令，需等待同步。3)若計數器的值等于N，表示執行中的第N個進程經過JOIN指令，滿足匯合條件，在其所在的微處理機上繼續執行后繼指令。(二)并行進程的同步與互斥在一個多微處理機系統中，為了求解一個較大的問題，控制一個復雜的系統，往往將給定的任務分解成許多子任務(進程)，這些子任務被分配到不同的處理機上去并行執行。但是為了協調地完成給定的任務，這些進程之間需要進行信息交換，以達到進程間的同步或互斥。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)算術表達式的并行算法算術表達式并行算法的求取，是從給出的表達式的最直接形式出發，利用交換律、結合律和分配律，將運算的操作數和運算符號進行適當變形、配對，盡可能作并行運算，以減少運算的級數。運算的級數稱為樹高，運用樹高的概念，算術表達式的并行算法就是研究如何將算術表達式變形，是樹高減少。（二）線性遞歸的并行算法第五節集散控制系統簡介集散控制系統(TotalDistributedcontrolSystem)，也稱為分散或分布式控制系統(Dis—tributedContr01System)統一稱為集散控制系統，簡記Dcs，它是隨著現代大型工業生產自動化的發展和過程控制要求的日益復雜而產生的綜合控制系統：一、集散控制系統的產生及發展(一)集散控制系統的產生在生產過程控制中，最先采用的是常規模擬式調節儀表構成的過程控制系統，由于其具有技術成熟、可靠性高、價廉、便于維護和操作等優點，因而在工業控制中得到廣泛的應用。集散控制系統既有計算機控制系統精度高、響應速度快的優點，又有模擬調節儀表控制系統安全可靠、維護方便的優點。(二)集散控制系統的發展目前，集散控制系統朝著以下幾個方向發展：1)隨著微型計算機向系列化發展，集散控制系統“全微機化”，不僅在直接控制級都用微型機，而且在過程監控級使用高性能的微型計算機。2)集散榨制系統向小規模發展，如單回路控制器發展很快。3)在直接控制的調節器一級，將逐步采用一些較為有效的新算法。4)通信功能和人機聯系功能將進一步加強。二、集散控制系統的組成它主要由監督計算機、高速數據通道、CRT操作站、數據采集器、基本控制器等部分所組成：基本控制器是集散控制系統的最基本的單元，其構成框圖如圖所示：基本控制器具有如下幾個特點：1)基本控制器是一個微機小系統，帶有固化軟件，除監控程序外，固化有多種標準算法。如TDCS一2000系統的基本調節器是以微處理機CP一1600為核心的一個部件。2)算法可以組態，形成相對高級的控制算法。3)基本控制器通過高速數據通道與上級監督計算機配合，完成高級控制功能，如最優化控制規律控制。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整各種參數。6)基本控制器的CPU具有邏輯判斷功能、自診斷功能。三、集散控制系統的優點1．系統具有很高的可靠性2．系統功能全面，可實現控制和管理一體化3．系統使用、操作方便4．性能/價格比好第六節多微處理機控制系統舉例一、系統構成多微處理機數控系統構成框圖如圖所示。它是一個總線結構式緊耦合的多微機系統。采用公共存儲器(SharedRAM，下簡寫為s—RAM)實現機間高速通信。二、8098單片機模杉其主要特點如下：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轉換器使用的脈沖寬度調制(PwM)輸出等。2)符合STD總線規范，多個單片機系統可在公用STD總線的前提下，通過共享s—R