武汉大学测控仪器通信第四章共享存储区通信技术

测控总线与仪器通信技术主讲：武汉大学电子信息学院王先培第四章共享存储区通信技术4.1共享存储区的物理结构共享存储区从物理结构上可以分为四种：公用总线方式，矩阵开关方式，多端口共用方式和总线窗口方式。4.1.1公用总线方式图4-1单公用总线共享存储区结构在公用总线共享存储区结构中，各微处理机都通过公用总线连接到共享存储区上。连接方法有两种：单公用总线方式和多重公用总线方式。图4-1表示了单公用总线共享存储区系统，其中M1,M2，M3为共享存储器；，为共享I/O端口或者外设；P1，P2，P3为三台微处理机，它们有自己专用内存、专用总线、专用软件、专用外设等；BC（BusController）为总线控制器，也称总线仲裁器。在系统的公用资源中单公用总线是最重要的公用资源，由总线控制器BC来仲裁某一时刻由哪一台微处理机使用。实际上，通过对公用总线使用权的仲裁，也等于对共享存储器及共享I/O完成了管理与分配，从而实现利用共享存储器作为中介实现通信。1/OI2/OI单公用总线只有一条总线，容易因竞争影响通信速率，从而出现瓶颈现象。为了克服瓶颈，提高通信速率和系统可靠性，可采用图4-2所示的多重公用总线方式。在多重公用总线系统中，可供总线控制器分配的公用总线增多，从而可以减少排队现象，提高通信速率；当某一条公用总线发生故障，通信依然可以进行，因而比单公用总线系统可靠性高。4.1.2矩阵开关方式矩阵开关（也称纵横开关）式共享存储器结构中，每一个共享存储器Mi，每一个I/Oi端口与每台微处理机Pi都能建立起一条独立通道，如图4-3所示。图中黑点表示矩阵开关上的一组开关。图4-3矩阵开关式共享存储区结构4.1.3多端口共用方式图4-4是多端口共用存储器结构。该结构由三部分组成：Mi为多端口共用存储器；Pi表示多台微处理机；I/Oi表示多端口共用I/O设备。P1PiPnM1MiMnI/O1I/OiI/On……………………………………图4-4多端口共用存储器多端口共用存储器系统有两种实现方法：本质型多端口存储器实现方法，非本质型多端口存储器实现方法。图4-5为用这两种实现方法组成的多端口共用存储器系统的结构。本质型多端口存储器是一片内部集成了存储器、端口以及端口控制器的芯片，并具有几条独立访问内存的通道，使得存储器的访问并行化，用它作为多台微处理机的共用存储器非常方便。非本质型多端口存储器由普通的单口存储器芯片、多端口（三态门芯片）及端口控制器三个部分组成，仅有一条访问存储单元的通道，只能由端口控制器控制多端口轮流接通，分别访问。非本质型多端口存储器造价便宜，结构简单，用户可自行进行电路设计及连接，在智能仪表与实时控制系统中得到较广泛的应用。多端口RAM端口2端口3端口1端口2端口3端口1多端口及端口控制器单口RAM图4-5(a)本质型多端(b)非本质型多端口存储器口存储器4.1.4总线窗口方式图4-6总线窗口共享存储区系统总线窗口共享存储区系统由三部分组成。如图4-6所示：A机系统（包括A机CPU、A机总线、A机专用内存、A机共用内存、A机外设）；B机系统（包括B机CPU、B机总线、B机专用内存、B机共用内存、B机外设）；总线窗口。系统的共享存储器是在A、B机系统中各划定的一块特定的内存区域，并将其映射到对方的存储空间中，双方均可访问到。总线窗口实现两机虚拟地址到实际地址的变换。当系统较简单时，可用逻辑电路来实现；当系统较庞大时，应构成内含有微处理机的智能总线窗口。4.2共享存储区的逻辑结构4.2.1虚拟结构在多微处理机系统中，虚拟存储区技术是常用的逻辑结构形式。每台微处理机都带着存储器，它既为各处理机自己所有，又为多机共享。每台微处理机能访问所有处理机的存储器，形成了远大于单个处理机存储器容量的虚拟存储空间，使用虚拟存储地址寻址。从虚拟逻辑结构上看，共享存储器把专用与共享融合在一起，可以方便地实现多机通信，而且使每台微处理机的存储空间都得以扩大。虚拟逻辑结构首先要解决虚/实地址间的地址映射问题。实现地址映射的方法有两种：一种是由硬件电路组成的总线窗口实现地址映射；另一种是由含有微处理器的智能总线窗口实现地址映射。当一台微处理机要使用另一台微处理机的存储器时，由总线窗口中的开关控制接通总线，本虚拟地址必须经过总线窗口中的地址变换器进行动态重定位，把虚拟地址变成实际地址之后才可用来激活本机地址线，找到正确的存储单元。虚拟结构必须解决两台或两台以上微处理机访问同一存储单元引起的冲突。4.2.2信箱结构信箱式共享存储区把各微处理机专用与共享存储区划分开来，仅建立一块较小的共享区供通信使用，而且对共享区作了细分，建立类似邮政信箱格式的分格式逻辑结构。.图4-7信箱式逻辑结构通信池结构很像配水系统的中间水池。四周有许多阀门接着水源及用户。若某水源要向某用户供水，首先打开该水源阀们，把应配水量放在中间水池中，然后关掉水源，再打开该用户阀门，则把应配水量供给该用户。这仅仅是个比喻而已，但由此可见，采用通信池结构，由于共享存储区中每个存储单元作用一样、功能单一，因此共享存储区本身比较简单。但是对共享存储区使用权的分配及管理却比较复杂，通信速度也比信箱结构慢，不过它对共享存储区容量的要求要比信箱结构的小。●共享存储区设计比较简单；●共享存储区使用权的分配及管理却比较复杂；●通信速度也比信箱结构慢，共享存储区容量的要求要比信箱结构的小。4.2.3通信池结构4.3共享存储区的分配与管理•共享存储区的分配与管理解决两台或两台以上的微处理机同一时刻访问共享存储区中同一单元而引起的冲突。4.3.1判决器法•判决器是独立于各微机之上的一个专用单元，它的功能是对要求使用共享存储器或公用总线的微机提出的请求进行裁决判决器主要由判决逻辑与开关群电路组成，根据判决逻辑的不同，可分为：①无偏判决器：在一个长时间段内，使各处理器轮流获取优先权；②改进型无偏判决器：在无偏判决的基础上优先响应等待时间最长的微处理机的请求；③固定优先级判决器：它预先规定每台微处理机的优先级高低；④FIFO法，按先来后到次序进行优先权的判决。4.3.2端口控制器法图4-9非本质型双端口共享存储器结构单端口存储器2114两个端口74LS244端口控制器P1处理机P2处理机•2114存储器芯片为共享存储器，•74LS244就相当于微机挂上总线的开关，74LS244与2114之间的连线为单公用总线，•端口控制器负责共享存储器的分配及管理。端口控制器相当于单公用总线系统中总线控制器BC的作用，由它来按照预先设计好的判决规则，对微处理机的申请进行判决。4.3.3本质型多端口存储器的裁决逻辑通过内部设有的逻辑检测电路裁决：当发生对一个单元同时读写时，逻辑检测电路将控制先“写”后“读”；若检测到两端口同时对同一单元进行“写”操作时，逻辑检测电路将使它们排队，以免冲突。4.3.4总线窗口法总线窗口有双重功能：●进行虚/实地址变换，●控制总线窗口内总线开关，以便实现对共享存储器的分配与管理。4.4双端口存储器及其应用双端口存储器分为双向传输的双端口存储器和单向传输的双端口存储器4.4.1双向传输的双端口存储器每一个端口都可以对存储器进行读写，从而实现两台微处理器间的半双工数据双向传输MP1和MP2是由两片74LS244芯片提供的三态门、译码器及“或”门构成的端口；存储器（2114）A0-9CSWEDiP1A0-9RDWRDiA10-15P1.0译码器11P2A0-9RDWRDiA10-15P1.0译码器11EP1EP2EP1和EP2是端口控制器的输出信号决定P1或P2对2114有效由P0口提供低8位、P2.0-P2.1共10位地址线对2114进行片内寻址由P2.2-P2.7口提供高6位地址线与P1.0控制信号经译码器译码对2114进行片选MP1MP2•（1）端口构造由微处理器的读写信号合成2114的读写信号，并控制数据线的导通方向；（2）端口控制器构造●逻辑结构：采用通信池结构，在共享区只设置一个数据缓冲区，发送与接收必须分别进行。●数据的读写：数据的写入和读取一次完成，发信方把数据连续写入共享存储器后，接收方立即从共享存储器中把数据读出；●存储区分配和管理：端口控制器只对发送请求进行裁决，判决算法采用固定优先算法。图4-11双向传输双端口存储器的端口控制器的构造MS1和MS2为发送请求信号由MS1和MS2产生MS信号，送1号、2号与非门，当P1和P2同时要求发送数据时，可防止EP1和EP2被同时置“1”，引起访问冲突MA1和MA2为接收请求信号EN1和EN2为传输结束信号3号R-S触发器的Q和Q非输出端分别送到1号、2号与非门，以保证P1提出发送请求时，2号与非门关闭，即P1比P2具有更高的优先级Pi(i=1,2)向Pj(j=2,1)发送数据的过程：图4-11双向传输双端口存储器的端口控制器的构造4.4.2单向传输的双端口存储器•双机全双工数据传输：用两个单向传输双端口存储器做为共享区同时工作，来构造双单片机间全双工数据传输；•单向传输双端口共享存储器中采用了信箱式逻辑结构•传输控制：1）P1向第一个单向传输双端口存储器写入数据，P2向第二个单向传输双端口存储器写入数据；2）同步；3）P1从第二个单向传输口存储器读取数据，P2从第一个单向传输双端口存储器读取数据。类全双工通信：任何一台微处理器，读、写存储器并不是同时进行，而是串联进行单向传输双端口存储器的端口构造EP1EAP1MP1INTP1.0A0-9A10-15DECDiWEA0-9CSDiA10-15DECEAP2A0-9INTRDDiMP2P1.0EP2存储器（2114）5V10KP1P2•EP1和EP2决定哪台处理器对存储器有效•数据传输过程：•1)若存储器空，P1将数据写入存储器；•2)软件设置EAP1信号，中断P2；•3)P2响应中断，从存储器读数据；•4)软件设置EAP2信号，中断P1；•5)传输完成；4.5交叉内存双通信池及其应用4.5.1双通信池的结构框图控制电路控制电路ABW/RCE1DBBABW/RCS1DBABW/RCS1RAMABW/RCE1DBDB池A控制电路控制电路ABW/RCE1DBABW/RCS1DBABW/RCS1RAMABW/RCE1DBDB池B单片机A及接口单片机B及接口PCPDQQP’P’利用双通信池可以互易物理位置的原理来实现双单片机通信双通信池结构中两个通信池交替作为两台微处理器的内存使用，又称为交叉内存结构4.5.2双通信池工作原理两片共享存储器数据桥（双向桥）地址桥（单向桥）辅助电路（控制数据桥和地址桥的导通状态）•通信过程如下：•任意时刻，A机与B机控制数据桥与地址桥使各自与一个通信池A连通，A机把自己存放在发送缓冲区中的数据写入通信池，B机把自己存放在发送缓冲区中的数据写入另外一个通信池B中。•由主机（设为A机）发P信号，经D触发器变为信号，信号将控制地址桥及数据桥开关群的切换，实现两个通信池互易物理位置。•互易物理位置后，先由主机（A机）通信池B中读取数据，存入自己的接收数据缓冲区中。接收完毕后A机向B机发一中断请求信号，B机响应中断，在其中断服务程序中安排从通信池A中读出数据并存入自己的接收数据缓冲区中。•在通信过程中，以A机为主机，由它来掌握切换实际时机与中断时机，B机为从机。4.5.3数据桥及数据桥控制电路（1）数据双向桥：三态门构成（2）数据桥控制电路：控制数据双向桥的导通方向读写控制信号片选信号主控机A产生的信号经D触发器变换之后的通信池切换信号4.5.4地址桥及辅助电路（1）地址桥地址线为单向总线，数据线为双向总线，所以地址桥为单向桥，而数据桥为双向桥。图4-18地址桥与数据桥相同的切换信号（2）辅助电路：切换信号与中断信号产生电路（A机为主机）地址线A2～A7经3-8译码器产生，判断访问地址的物理位置A机产生的切换信号控制信号4.5.5交叉内存双通信池应用举例双单片机数据采集系统A机负责数据采集，B机负责数据处理；A机采集好后送入通信池中。当数据装满后，机A发出切换指令，内存交