多CPU間通信技術(shù)

數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)---多CPU常用通信方法與結(jié)構(gòu)2022/12/71多微機(jī)系統(tǒng)通信大數(shù)據(jù)量和實(shí)時(shí)性已成為控制領(lǐng)域信號(hào)處理的一個(gè)基本特點(diǎn)單處理器運(yùn)算能力限制，一個(gè)大型復(fù)雜系統(tǒng)往往有多個(gè)處理器，處理器間要協(xié)同工作就必須交換數(shù)據(jù)三個(gè)淵源借鑒：多CPU組成大型計(jì)算機(jī)的并行體系結(jié)構(gòu)用開關(guān)陣列連接多臺(tái)CPU、MEM—2X2陣列采用：按標(biāo)準(zhǔn)總線制作OEM產(chǎn)品構(gòu)成開放型系統(tǒng)的方法吸取：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用的通信技術(shù)控制：實(shí)時(shí)、可靠、易擴(kuò)展

2022/12/72三個(gè)層次芯片級(jí)：雙口RAM,FIFO,公共內(nèi)存，DMA系統(tǒng)級(jí)PC機(jī)的I/O口：RS232，RS485，PIO緊湊型總線：STD,ISA,cPCI,VME,PC104,3XBUS網(wǎng)絡(luò)級(jí)Internet,Intranet現(xiàn)場總線/控制網(wǎng)絡(luò)

芯片之間（CPU-CPU）的通信

OEM模板之間的通信微機(jī)之間的通信片間總線模板總線現(xiàn)場總線2022/12/73多微機(jī)系統(tǒng)常用通信方法共享存儲(chǔ)區(qū)：都能訪問的區(qū)域?yàn)橹薪殡p口RAM；單總線；開關(guān)矩陣；總線窗口PIO/標(biāo)準(zhǔn)并行內(nèi)總線，易于實(shí)現(xiàn)，多采用主從方式，中斷、查詢點(diǎn)-點(diǎn)；星形；主從；環(huán)形；菊花鏈SIO：異步協(xié)議，主從方式，硬線聯(lián)絡(luò)，短距離點(diǎn)-點(diǎn)；星形；主從232，SPI，IICLAN2022/12/74多端口公用存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)形式多端口公用存儲(chǔ)器系統(tǒng)多端口公用存儲(chǔ)器多臺(tái)微處理器多端口共用I/O以共享存儲(chǔ)區(qū)作為多微處理器交換數(shù)據(jù)的場所（緊耦合，速度快）多CPU智能化儀器儀表雙機(jī)冗余控制系統(tǒng)多微機(jī)動(dòng)態(tài)仿真2022/12/75多cpu間共享存儲(chǔ)區(qū)兩個(gè)處理器要交換數(shù)據(jù)則必須要有兩個(gè)處理器都可以訪問的共享存儲(chǔ)體，一個(gè)處理器將數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)體，而由另一處理器將數(shù)據(jù)讀出，使兩個(gè)處理器間可以有效地交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享需要解決：當(dāng)一個(gè)處理器給存儲(chǔ)體寫入數(shù)據(jù)后產(chǎn)生旗標(biāo)通知另一處理器將數(shù)據(jù)取走；兩個(gè)處理器訪問同一存儲(chǔ)單元可能產(chǎn)生的沖突。2022/12/76公用總線共享存儲(chǔ)區(qū)結(jié)構(gòu)形式單公用總線競爭、排隊(duì)、BC仲裁；多重公用總線速率、可靠性提高適用于一塊模板中多CPU的應(yīng)用，非標(biāo)準(zhǔn)總線2022/12/77矩陣開關(guān)式共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)形式處理器本身總線接口簡單開關(guān)矩陣、KC復(fù)雜，Dbus、Abus、Cbus2022/12/78總線窗口共享存儲(chǔ)區(qū)結(jié)構(gòu)形式A/B機(jī)系統(tǒng)：CPU、總線、專用內(nèi)存、公共內(nèi)存、外設(shè)A通過虛擬地址訪問B共享區(qū)：總線窗口先接通A、B兩邊Dbus、Cbus，由窗口實(shí)現(xiàn)A機(jī)虛地址到B機(jī)實(shí)地址的變換總線窗口：系統(tǒng)簡單時(shí)，可用邏輯電路實(shí)現(xiàn)；復(fù)雜時(shí)，可內(nèi)含uP2022/12/79總線窗口共享存儲(chǔ)區(qū)系統(tǒng)帶簡易總線窗口的雙CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2022/12/710簡易總線窗口，無地址變換CPU1要求CPU2發(fā)送數(shù)據(jù)：CPU2把數(shù)據(jù)寫入M2共享區(qū)，通過PIO2發(fā)出RDY2準(zhǔn)備就緒CPU1經(jīng)PIO1識(shí)別RDY2，通過PIO1向總線控制邏輯發(fā)出請(qǐng)求通信信號(hào)CMRQ1收到CMRQ1后，總線控制邏輯產(chǎn)生總線請(qǐng)求信號(hào)/BUSRQ2到CPU2CPU2收到/BUSRQ2后，發(fā)出響應(yīng)BUSAK2到總線控制邏輯，CPU2放棄總線總線控制邏輯收到/BUSAK2后，產(chǎn)生控制信號(hào)使總線開關(guān)通，并把BUSAK2經(jīng)過PIO1送CPU1CPU1收到BUSAK2確認(rèn)CPU2已放棄總線，且總線開關(guān)已通，CPU1訪問M2?！睌?shù)據(jù)塊傳送”從M2共享區(qū)到M1共享區(qū)2022/12/711總線開關(guān)2022/12/712雙口RAM允許兩個(gè)處理器各訪問一個(gè)端口，每一個(gè)處理器都可以將雙口RAM看作自己的本地存儲(chǔ)器。用雙口RAM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換

雙口RAM的每個(gè)端口都有各自的數(shù)據(jù)、地址、控制總線硬件判優(yōu)軟件判優(yōu)2022/12/713當(dāng)兩個(gè)處理器同時(shí)對(duì)同一地址單元操作（如同時(shí)寫、或一個(gè)寫一個(gè)讀），雙口RAM會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生BUSY信號(hào)表示沖突。當(dāng)一端的CPU對(duì)該存儲(chǔ)器某地址讀寫時(shí)，雙口RAM會(huì)將這端的BUSY置高電平，而將另一端BUSY置低電平；當(dāng)另一端的CPU要對(duì)雙口RAM讀寫時(shí)，它會(huì)檢測己端的BUSY，若為低則等待一個(gè)時(shí)鐘周期再檢測BUSY，直到為高電平時(shí)才能進(jìn)行存儲(chǔ)操作?？梢詫USY信號(hào)接至處理器的READY端，使其讀或?qū)憰r(shí)序延長，最終讀出或?qū)懭搿ｋp口RAM的硬件判優(yōu)2022/12/714雙口RAM具有兩套中斷邏輯，通過兩個(gè)INT引腳分別連到兩個(gè)CPU的中斷引腳上，實(shí)現(xiàn)雙CPU的握手雙口RAM的最高兩個(gè)字節(jié)為特殊中斷字節(jié)，即當(dāng)CPU對(duì)這兩個(gè)字節(jié)讀寫時(shí)，可以清除或發(fā)送中斷：當(dāng)左邊CPU向奇地址(IDT7005為1FFF)寫操作時(shí)，雙口RAM向右端口中斷引腳CPU發(fā)中斷；右端CPU向奇地址讀操作時(shí)，清除該中斷。當(dāng)右邊CPU向偶地址(1FFE)寫操作時(shí)，雙口RAM向左端口中斷引腳CPU發(fā)中斷；左端CPU向偶地址讀操作時(shí)，清除該中斷。雙口RAM的軟件判優(yōu)2022/12/715共享存儲(chǔ)區(qū)的分配與管理共享存儲(chǔ)器為多個(gè)CPU之間交換信息提供了中轉(zhuǎn)空間，需要解決爭用、沖突的問題判決器法：獨(dú)立于各CPU的專用單元，對(duì)要求使用共享存儲(chǔ)器式公用總線的請(qǐng)求進(jìn)行裁決（總線控制器、總線仲裁器）端口控制器法：實(shí)現(xiàn)對(duì)共享存儲(chǔ)器的分配與管理2022/12/716判決器法工作原理2022/12/717高速數(shù)字信號(hào)處理板微機(jī)與基于DSP的數(shù)字信號(hào)處理板通過雙口RAM通信例TMS320C25—PCIDT7132+IDT7142字?jǐn)U展IDT71332022/12/718雙機(jī)故障自動(dòng)切換系統(tǒng)內(nèi)存A機(jī)總線B機(jī)總線開關(guān)總線時(shí)鐘內(nèi)存時(shí)鐘CPUCPUI/OI/O通信窗口KGB(總線開關(guān))中間緩存I/O發(fā)送終端終端雙機(jī)雙工系統(tǒng)雙機(jī)執(zhí)行同樣的程序，并進(jìn)行必要的進(jìn)程通信-同步雙機(jī)備用系統(tǒng)備用機(jī)不必同步運(yùn)行，因此不設(shè)通信窗口2022/12/719雙機(jī)故障自動(dòng)切換系統(tǒng)KGB(總線開關(guān))開關(guān)總線、KGB、中間緩存及控制量輸出I/O不可少；在故障狀態(tài)，KGB先脫離主機(jī)，中間緩存器保持著原控制量輸出值，使控制量輸出不變；KGB合到備用機(jī)上，中間緩存中存放的原主機(jī)中間結(jié)果作為備用機(jī)開工條件；系統(tǒng)故障的監(jiān)測方法有軟件故障檢測法，超時(shí)故障檢測法等多種。

在雙機(jī)備用系統(tǒng)中，以中間結(jié)果作為開工條件將使備用機(jī)較快地進(jìn)入正常，切換帶給系統(tǒng)的擾動(dòng)小，但比雙工雙機(jī)差一些。雙機(jī)備用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，程序編排容易。2022/12/720總線切換開關(guān)KGB“單總線共享存儲(chǔ)區(qū)結(jié)構(gòu)”：開關(guān)總線==單公用總線中間緩存器==共享存儲(chǔ)器控制量輸出I/O==共享I/OA機(jī)開關(guān)優(yōu)先權(quán)部件B機(jī)A機(jī)總線B機(jī)總線A機(jī)接口B機(jī)接口狀態(tài)寄存器開關(guān)切換部件狀態(tài)寄存器開關(guān)總線中間緩存輸出電源2022/12/721總線開關(guān)IDT74FST163212IDT74FST163212是一種典型的總線開關(guān)芯片S0-2是總線開關(guān)控制端；A、B、C、D是四個(gè)總線端口，每個(gè)總線端口由12根線組成；由S0-2控制A、B和C、D總線端口的導(dǎo)通或不導(dǎo)通。2022/12/722用總線開關(guān)加存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換

對(duì)于像圖像處理等需要大量交換數(shù)據(jù)的應(yīng)用場合，用雙口RAM或FIFO方法就不太合適。雙口RAM和FIFO一般容量較小，價(jià)格昂貴：雙口RAMIDT7133：32Kbit(2kX16bit)單向FIFOIDT7205：8KX9bit用總線開關(guān)外加大容量存儲(chǔ)器很適合這種大容量的數(shù)據(jù)傳輸。2022/12/723多微機(jī)系統(tǒng)的PIO通信法在并行內(nèi)總線互連的多微機(jī)系統(tǒng)中,最易于實(shí)現(xiàn)兩種基本形式單I/O接口：作為主機(jī)的外圍設(shè)備，可采用中斷、查詢等方式雙I/O接口：接口芯片內(nèi)部是許多三態(tài)門開關(guān)寄存器，類似于雙口RAM異步傳輸：每個(gè)字節(jié)間可有長短不等的間隙串行：啟停位包裝并行：握手聯(lián)絡(luò)線2022/12/724多微機(jī)系統(tǒng)的PIO通信法無握手聯(lián)絡(luò)：74HC273,274,244,245,373…單線握手聯(lián)絡(luò)：Intel8212RDY(o)，接口中數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好STB(I)，外設(shè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，選通接口多線握手聯(lián)絡(luò)：Intel8255數(shù)據(jù)線并行接口（含數(shù)據(jù)寄存器）控制線地址線聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù)線CPU外設(shè)2022/12/725多微機(jī)系統(tǒng)的PIO通信法多臺(tái)微機(jī)經(jīng)過并行I/O接口（芯片）互連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，大多按主從方式通信:CPU把數(shù)據(jù)寫入輸出口，RDY有效外設(shè)收妥數(shù)據(jù)后，使/STB有效/STB后沿使RDY復(fù)原，使/INT有效，可傳送下一字節(jié)。CPU并行接口外設(shè)/IOWDBUS/INTRDY/STB并行數(shù)據(jù)12345RDY/STB/INT并行數(shù)據(jù)第一字節(jié)第二字節(jié)2022/12/726雙機(jī)PIO通信的幾個(gè)問題異步傳輸：SIO與PIO的異同流量控制：靠握手聯(lián)絡(luò)信號(hào)，“停-等”主從方