微型计算机控制技术9

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,1,9.1 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,2,9.1 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 多微处理机控制系统的优点,3,9.2 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：,4,9.2 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。,5,9.2 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。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。,6,9.2 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，价格昂贵。,4)电子开关难于设计、制造。,7,9.2 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。,8,9.2 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。,9,9.2 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,10,9.3 多微处理机系统的通信,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,。,11,9.3 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。,12,9.3 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多。,13,9.3 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。如串行RS-232C、RS422A，并行总线IEEE-488等。,14,9.3 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5356,2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,15,9.3 多微处理机系统的通信,(1)串联总线优先级控制,16,9.3 多微处理机系统的通信,(2)并联总线优先级控制。,并联总线优先级控制如图,17,9.3 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，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。,18,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,19,9.3 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：,20,9.3 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,21,9.3 多微处理机系统的通信,3DTE和DCE及DTE和DTE之间的连接,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,22,9.3 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,23,9.3 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,24,9.3 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。,如图所示：,25,9.3 多微处理机系统的通信,各节点都设置一个中继器(或称转发器)，信息在到达目的节点之前，通过中继器传送。中继器工作于串行工作方式，具有缓冲、隔离、放大和重发信息等功能。,26,9.3 多微处理机系统的通信,环路令牌传送的特点：,1)适用于实时监控系统。,2)控制不太复杂，且全部采用数字技术，适用于各种传输媒体。,3)环路中需要有防止令牌增多或令牌丢失的诊断方法，如需检验全部信息中是否有两个以上令牌代码。,4)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。,在串行总线环形通信系统中，机间信息传送控制方法有令牌传送法、时间片法、寄存器插入法等。,27,9.4 多微处理机控制系统的软件和控制,多微处理机控制系统的硬件、软件和用户之间的关系可用图简单示意图表示：,28,9.4 多微处理机控制系统的软件和控制,9.4.1 多微处理机控制系统操作系统,对多微处理机操作系统提出以下性能要求：,(1)结构的灵活性（模块化结构）,(2)并行任务派生（一个程序中有多个并,发程序段，依靠专用指令执行）,(3)进程同步,(4)资源分配,(5)通信和进程调度,9.4.2 并行进程的控制和调度,(一)并行任务的派生和汇合,并行任务的派生和汇合通常用软件来控制，首先要在程序中反映出并行任务的派生和汇合关系。为此采用FORK和JOIN语句来实现并行任务的派生和汇合。,29,9.4 多微处理机控制系统的软件和控制,关于FORK指令：,指令格式：FORK A,指令功能如下：,1)遇到FORK指令时，执行这条指令的原进程，派生出标记符A所对应的新进程。计数器N清零，准备好A进程执行的有关信息，如分配内存，分给访问权等。,2)在它所在的处理机上继续执行原进程。,3)分配空闲的微处理机去执行新派生出来的A进程，如果没有可用的微处理机，则让它排队等待。,关于JOIN指令,30,9.4 多微处理机控制系统的软件和控制,指令格式：JOIN N N2的正整数，表示并行进程的个数(也是正在并行处理的处理机个数)。,指令功能如下：,1)JOIN指令附有一个计数器，其初值为o。执行JOIN指令时，计数器的值加1，并与标记符N进行比较。,2)若计数器的值小于N，则表示并行执行中的第N个进程未执行至JOIN指令，需等待同步。,3)若计数器的值等于N，表示执行中的第N个进程经过JOIN指令，满足汇合条件，在其所在的微处理机上继续执行后继指令。,31,9.4 多微处理机控制系统的软件和控制,(二)并行进程的同步与互斥,在一个多微处理机系统中，为了求解一个较大的问题，控制一个复杂的系统，往往将给定的任务分解成许多子任务(进程)，这些子任务被分配到不同的处理机上去并行执行。但是为了协调地完成给定的任务，这些进程之间需要进行信息交换，以达到进程间的同步或互斥。,同步分为互斥和条件同步两种基本形式。,1互斥：保证一个物理的或虚拟的资源只能被单独占用。,2同步一信号灯同步法：为解决同步问题，也有多种方案，其原理是设计两条相互制约的指令，他们对一些特殊的公共变量进行处理，公共变量称为信号灯。,9.4.3 并行算法,多微处理机系统是实现任务、指令、数组各个级别全面并行的理想结构，它属于多指令流和多数据流并行系统。提高并行性，关键在于算法。,32,9.4 多微处理机控制系统的软件和控制,算术表达式并行算法的求取，是从给出的表达式的最直接形式出发，利用交换律、结合律和分配律，将运算的操作数和运算符号进行适当变形、配对，尽可能作并行运算，以减少运算的级数。,运算的级数称为树高，运用树高的概念，算术表达式的并行算法就是研究如何将算术表达式变形，使树高减少。,（二）线性递归的并行算法,(一)算术表达式的并行算法,许多数学问题可转变为线性递归算法进行。,33,9.5 集散控制系统简介,集散控制系统(Total Distributed control System)，也称为分散或分布式控制系统(Distributed Contr01 System)统一称为集散控制系统，简记Dcs，它是随着现代大型工业生产自动化的发展和过程控制要求的日益复杂而产生的综合控制系统。,9.5.1 集散控制系统的产生及发展,(一)集散控制系统的产生,在生产过程控制中，最先采用的是常规模拟式调节仪表构成的过程控制系统，由于其具有技术成熟、可靠性高、价廉、便于维护和操作等优点，因而在工业控制中得到广泛的应用。,34,9.5 集散控制系统简介,集散控制系统既有计算机控制系统精度高、响应速度快的优点，又有模拟调节仪表控制系统安全可靠、维护方便的优点。,(二)集散控制系统的发展,目前，集散控制系统朝着以下几个方向发展：,1)随着微型计算机向系列化发展，集散控制系统“全微机化”，不仅在直接控制级都用微型机，而且在过程监控级使用高性能的微型计算机。,2)集散榨制系统向小规模发展，如单回路控制器发展很快。,3)在直接控制的调节器一级，将逐步采用一些较为有效的新算法。,4)通信功能和人机联系功能将进一步加强。,9.5.2 集散控制系统的组成,35,9.5 集散控制系统简介,它主要由监督计算机、高速数据通道、CRT操作站、数据采集器、基本控制器等部分所组成：,基本控制器是集散控制系统的最基本的单元，其构成框图,如图所示：,36,9.5 集散控制系统简介,基本控制器具有如下几个特点：,1)基本控制器是一个微机小系统，带有固化软件，除监控程序外，固化有多种标准算法。如TDCS一2000系统的基本调节器是以微处理机CP一1600为核心的一个部件。,2)算法可以组态，形成相对高级的控制算法。,37,9.5 集散控制系统简介,3)基本控制器通过高速数据通道与上级监督计算机配合，完成高级控制功能，如最优化控制规律控制。,4)功能可变，改变控制方案不必更换硬件。,5)可以在就地操作员单元上显示和调整各种参数。,6)基本控制器的CPU具有逻辑判断功能、自诊断功能。,9.5.3 集散控制系统的优点,1系统具有很高的可靠性,2系统功能全面，可实现控制和管理一体化,3系统使用、操作方便,4性能/价格比好,38,9.6 多微处理机控制系统举例,9.6.1 系统构成,多微处理机数控系统构成框图如图所示。它是一个总线结构式紧耦合的多微机系统。采用公共存储器(Shared RAM，下简写为sRAM)实现机间高速通信。,39,9.6 多微处理机控制系统举例,9.6.2 8098单片机模板,其主要特点如下：,1)模板自身带有RAM、EPROM、高速输入输出口、带有采样保持电路的10位AD转换器、中断控制器、一个同步异步串行口、两个16位定时器，一个可供DA转换器使用的脉冲宽度调制(PwM)输出等。,2)符合STD总线规范，多个单片机系统可在公用STD总线的前提下，通过共享sRAM互连方式构成紧耦合的多微机系统。,3)板内设计了带掉电保护的程序和数据存储器。,9.6.3 总线管理和机间通信,本系统的总线管理、机间通信、共享设备采用主从式结构。1”cPu模板为主机，其余单片机模板为从机，共有五个从机。,40,9.6 多微处理机控制系统举例,(一)通信机构SRAM和STD总线,SRAM模板上有一8KB RAM区(6264)，作为多微机系统数据交换的公共存储器(SRAM)。SRAM通过总线缓冲器与STD总线相连接。通常SRAM与主机相接。,(二)总线优先权仲裁和机间通信。,系统中为了实现实时共享SRAM，必然要使用总线，采用了中断方法进行总线仲裁，采用一片Intel8259A可编程序控制器，可实现8级优先权中断。SRAM和总线优先权仲裁电路简化框图如图所示。,41,9.6 多微处理机控制系统举例,42,9.6 多微处理机控制系统举例,9.6.4 任务的分解和协调同步,1任务的分解,本系统划分给各微机完成的主要功能如下：,(1)1#8098主机模板完成主控程序、插补运算预处理、总线和SRAM管理等。,(2)2#8098从机完成插补计算。,(3)3#8098从机作为键盘管理和图形显示模板，完成加工程序输入编译、加工图形仿真和加工过程中动态跟踪图形显示、系统操作控制等。,(4)4#5#6#从机作为伺服控制模板，实现对各轴位置检测和位置控制。,2加工过程的协调同步,根据数控系统的控制特点，主机通过SRAM与各从机交换信息，借助各种标识(类似信号灯)来协调同步。,43,