武漢大學(xué)測控儀器通信第四章共享存儲區(qū)通信技術(shù)

測控總線與儀器通信技術(shù)主講：武漢大學(xué)電子信息學(xué)院王先培第四章共享存儲區(qū)通信技術(shù)4.1共享存儲區(qū)的物理結(jié)構(gòu)

共享存儲區(qū)從物理結(jié)構(gòu)上可以分為四種：公用總線方式，矩陣開關(guān)方式，多端口共用方式和總線窗口方式。4.1.1公用總線方式在公用總線共享存儲區(qū)結(jié)構(gòu)中，各微處理機(jī)都通過公用總線連接到共享存儲區(qū)上。連接方法有兩種：單公用總線方式和多重公用總線方式。圖4-1表示了單公用總線共享存儲區(qū)系統(tǒng)，其中M1,M2，M3為共享存儲器；，為共享I/O端口或者外設(shè)；P1，P2，P3為三臺微處理機(jī)，它們有自己專用內(nèi)存、專用總線、專用軟件、專用外設(shè)等；BC（BusController）為總線控制器，也稱總線仲裁器。在系統(tǒng)的公用資源中單公用總線是最重要的公用資源，由總線控制器BC來仲裁某一時刻由哪一臺微處理機(jī)使用。實(shí)際上，通過對公用總線使用權(quán)的仲裁，也等于對共享存儲器及共享I/O完成了管理與分配，從而實(shí)現(xiàn)利用共享存儲器作為中介實(shí)現(xiàn)通信。

單公用總線只有一條總線，容易因競爭影響通信速率，從而出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象。為了克服瓶頸，提高通信速率和系統(tǒng)可靠性，可采用圖4-2所示的多重公用總線方式。在多重公用總線系統(tǒng)中，可供總線控制器分配的公用總線增多，從而可以減少排隊現(xiàn)象，提高通信速率；當(dāng)某一條公用總線發(fā)生故障，通信依然可以進(jìn)行，因而比單公用總線系統(tǒng)可靠性高。

4.1.2矩陣開關(guān)方式

矩陣開關(guān)（也稱縱橫開關(guān)）式共享存儲器結(jié)構(gòu)中，每一個共享存儲器Mi，每一個I/Oi端口與每臺微處理機(jī)Pi都能建立起一條獨(dú)立通道，如圖4-3所示。圖中黑點(diǎn)表示矩陣開關(guān)上的一組開關(guān)。4.1.3多端口共用方式圖4-4是多端口共用存儲器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由三部分組成：Mi為多端口共用存儲器；Pi表示多臺微處理機(jī)；I/Oi表示多端口共用I/O設(shè)備。P1PiPnM1MiMnI/O1I/OiI/On……………………………………圖4-4多端口共用存儲器

多端口共用存儲器系統(tǒng)有兩種實(shí)現(xiàn)方法：本質(zhì)型多端口存儲器實(shí)現(xiàn)方法，非本質(zhì)型多端口存儲器實(shí)現(xiàn)方法。圖4-5為用這兩種實(shí)現(xiàn)方法組成的多端口共用存儲器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本質(zhì)型多端口存儲器是一片內(nèi)部集成了存儲器、端口以及端口控制器的芯片，并具有幾條獨(dú)立訪問內(nèi)存的通道，使得存儲器的訪問并行化，用它作為多臺微處理機(jī)的共用存儲器非常方便。非本質(zhì)型多端口存儲器由普通的單口存儲器芯片、多端口（三態(tài)門芯片）及端口控制器三個部分組成，僅有一條訪問存儲單元的通道，只能由端口控制器控制多端口輪流接通，分別訪問。非本質(zhì)型多端口存儲器造價便宜，結(jié)構(gòu)簡單，用戶可自行進(jìn)行電路設(shè)計及連接，在智能儀表與實(shí)時控制系統(tǒng)中得到較廣泛的應(yīng)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單口RAM圖4-5(a)本質(zhì)型多端(b)非本質(zhì)型多端口存儲器口存儲器

4.1.4總線窗口方式總線窗口共享存儲區(qū)系統(tǒng)由三部分組成。如圖4-6所示：A機(jī)系統(tǒng)（包括A機(jī)CPU、A機(jī)總線、A機(jī)專用內(nèi)存、A機(jī)共用內(nèi)存、A機(jī)外設(shè)）；B機(jī)系統(tǒng)（包括B機(jī)CPU、B機(jī)總線、B機(jī)專用內(nèi)存、B機(jī)共用內(nèi)存、B機(jī)外設(shè)）；總線窗口。系統(tǒng)的共享存儲器是在A、B機(jī)系統(tǒng)中各劃定的一塊特定的內(nèi)存區(qū)域，并將其映射到對方的存儲空間中，雙方均可訪問到。總線窗口實(shí)現(xiàn)兩機(jī)虛擬地址到實(shí)際地址的變換。當(dāng)系統(tǒng)較簡單時，可用邏輯電路來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)系統(tǒng)較龐大時，應(yīng)構(gòu)成內(nèi)含有微處理機(jī)的智能總線窗口。4.2共享存儲區(qū)的邏輯結(jié)構(gòu)4.2.1虛擬結(jié)構(gòu)在多微處理機(jī)系統(tǒng)中，虛擬存儲區(qū)技術(shù)是常用的邏輯結(jié)構(gòu)形式。每臺微處理機(jī)都帶著存儲器，它既為各處理機(jī)自己所有，又為多機(jī)共享。每臺微處理機(jī)能訪問所有處理機(jī)的存儲器，形成了遠(yuǎn)大于單個處理機(jī)存儲器容量的虛擬存儲空間，使用虛擬存儲地址尋址。從虛擬邏輯結(jié)構(gòu)上看，共享存儲器把專用與共享融合在一起，可以方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，而且使每臺微處理機(jī)的存儲空間都得以擴(kuò)大。虛擬邏輯結(jié)構(gòu)首先要解決虛/實(shí)地址間的地址映射問題。實(shí)現(xiàn)地址映射的方法有兩種：一種是由硬件電路組成的總線窗口實(shí)現(xiàn)地址映射；另一種是由含有微處理器的智能總線窗口實(shí)現(xiàn)地址映射。當(dāng)一臺微處理機(jī)要使用另一臺微處理機(jī)的存儲器時，由總線窗口中的開關(guān)控制接通總線，本虛擬地址必須經(jīng)過總線窗口中的地址變換器進(jìn)行動態(tài)重定位，把虛擬地址變成實(shí)際地址之后才可用來激活本機(jī)地址線，找到正確的存儲單元。虛擬結(jié)構(gòu)必須解決兩臺或兩臺以上微處理機(jī)訪問同一存儲單元引起的沖突。4.2.2信箱結(jié)構(gòu)

信箱式共享存儲區(qū)把各微處理機(jī)專用與共享存儲區(qū)劃分開來，僅建立一塊較小的共享區(qū)供通信使用，而且對共享區(qū)作了細(xì)分，建立類似郵政信箱格式的分格式邏輯結(jié)構(gòu)。通信池結(jié)構(gòu)很像配水系統(tǒng)的中間水池。四周有許多閥門接著水源及用戶。若某水源要向某用戶供水，首先打開該水源閥們，把應(yīng)配水量放在中間水池中，然后關(guān)掉水源，再打開該用戶閥門，則把應(yīng)配水量供給該用戶。這僅僅是個比喻而已，但由此可見，采用通信池結(jié)構(gòu)，由于共享存儲區(qū)中每個存儲單元作用一樣、功能單一，因此共享存儲區(qū)本身比較簡單。但是對共享存儲區(qū)使用權(quán)的分配及管理卻比較復(fù)雜，通信速度也比信箱結(jié)構(gòu)慢，不過它對共享存儲區(qū)容量的要求要比信箱結(jié)構(gòu)的小。●共享存儲區(qū)設(shè)計比較簡單；●共享存儲區(qū)使用權(quán)的分配及管理卻比較復(fù)雜；●通信速度也比信箱結(jié)構(gòu)慢，共享存儲區(qū)容量的要求要比信箱結(jié)構(gòu)的小。4.2.3通信池結(jié)構(gòu)

4.3共享存儲區(qū)的分配與管理共享存儲區(qū)的分配與管理解決兩臺或兩臺以上的微處理機(jī)同一時刻訪問共享存儲區(qū)中同一單元而引起的沖突。4.3.1判決器法

判決器是獨(dú)立于各微機(jī)之上的一個專用單元，它的功能是對要求使用共享存儲器或公用總線的微機(jī)提出的請求進(jìn)行裁決判決器主要由判決邏輯與開關(guān)群電路組成，根據(jù)判決邏輯的不同，可分為：①無偏判決器：在一個長時間段內(nèi)，使各處理器輪流獲取優(yōu)先權(quán)；②改進(jìn)型無偏判決器：在無偏判決的基礎(chǔ)上優(yōu)先響應(yīng)等待時間最長的微處理機(jī)的請求；③固定優(yōu)先級判決器：它預(yù)先規(guī)定每臺微處理機(jī)的優(yōu)先級高低；④FIFO法，按先來后到次序進(jìn)行優(yōu)先權(quán)的判決。4.3.2端口控制器法2114存儲器芯片為共享存儲器，74LS244就相當(dāng)于微機(jī)掛上總線的開關(guān)，74LS244與2114之間的連線為單公用總線，端口控制器負(fù)責(zé)共享存儲器的分配及管理。端口控制器相當(dāng)于單公用總線系統(tǒng)中總線控制器BC的作用，由它來按照預(yù)先設(shè)計好的判決規(guī)則，對微處理機(jī)的申請進(jìn)行判決。

4.3.3本質(zhì)型多端口存儲器的裁決邏輯通過內(nèi)部設(shè)有的邏輯檢測電路裁決：當(dāng)發(fā)生對一個單元同時讀寫時，邏輯檢測電路將控制先“寫”后“讀”；若檢測到兩端口同時對同一單元進(jìn)行“寫”操作時，邏輯檢測電路將使它們排隊，以免沖突。4.3.4總線窗口法

總線窗口有雙重功能：●進(jìn)行虛/實(shí)地址變換，●控制總線窗口內(nèi)總線開關(guān)，以便實(shí)現(xiàn)對共享存儲器的分配與管理。4.4雙端口存儲器及其應(yīng)用雙端口存儲器分為雙向傳輸?shù)碾p端口存儲器和單向傳輸?shù)碾p端口存儲器

4.4.1雙向傳輸?shù)碾p端口存儲器每一個端口都可以對存儲器進(jìn)行讀寫，從而實(shí)現(xiàn)兩臺微處理器間的半雙工數(shù)據(jù)雙向傳輸MP1和MP2是由兩片74LS244芯片提供的三態(tài)門、譯碼器及“或”門構(gòu)成的端口；存儲器（2114）A0-9CS

WE

Di

P1A0-9RD

WR

Di

A10-15P1.0譯碼器11P2A0-9RD

WR

Di

A10-15P1.0譯碼器11EP1EP2EP1和EP2是端口控制器的輸出信號決定P1或P2對2114有效由P0口提供低8位、P2.0-P2.1共10位地址線對2114進(jìn)行片內(nèi)尋址由P2.2-P2.7口提供高6位地址線與P1.0控制信號經(jīng)譯碼器譯碼

對2114進(jìn)行片選MP1MP2（1）端口構(gòu)造由微處理器的讀寫信號合成2114的讀寫信號，并控制數(shù)據(jù)線的導(dǎo)通方向；（2）端口控制器構(gòu)造●邏輯結(jié)構(gòu)：采用通信池結(jié)構(gòu)，在共享區(qū)只設(shè)置一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，發(fā)送與接收必須分別進(jìn)行?！駭?shù)據(jù)的讀寫：數(shù)據(jù)的寫入和讀取一次完成，發(fā)信方把數(shù)據(jù)連續(xù)寫入共享存儲器后，接收方立即從共享存儲器中把數(shù)據(jù)讀出；●存儲區(qū)分配和管理：端口控制器只對發(fā)送請求進(jìn)行裁決，判決算法采用固定優(yōu)先算法。MS1和MS2為發(fā)送請求信號由MS1和MS2產(chǎn)生MS信號，送1號、2號與非門，當(dāng)P1和P2同時要求發(fā)送數(shù)據(jù)時，可防止EP1和EP2被同時置“1”，引起訪問沖突MA1和MA2為接收請求信號EN1和EN2為傳輸結(jié)束信號3號R-S觸發(fā)器的Q和Q非輸出端分別送到1號、2號與非門，以保證P1提出發(fā)送請求時，2號與非門關(guān)閉，即P1比P2具有更高的優(yōu)先級Pi(i=1,2)向Pj(j=2,1)發(fā)送數(shù)據(jù)的過程：4.4.2單向傳輸?shù)碾p端口存儲器

雙機(jī)全雙工數(shù)據(jù)傳輸：用兩個單向傳輸雙端口存儲器做為共享區(qū)同時工作，來構(gòu)造雙單片機(jī)間全雙工數(shù)據(jù)傳輸；單向傳輸雙端口共享存儲器中采用了信箱式邏輯結(jié)構(gòu)傳輸控制：

1）P1向第一個單向傳輸雙端口存儲器寫入數(shù)據(jù)，P2向第二個單向傳輸雙端口存儲器寫入數(shù)據(jù)；

2）同步；3）P1從第二個單向傳輸口存儲器讀取數(shù)據(jù)，P2從第一個單向傳輸雙端口存儲器讀取數(shù)據(jù)。類全雙工通信：任何一臺微處理器，讀、寫存儲器并不是同時進(jìn)行，而是串聯(lián)進(jìn)行單向傳輸雙端口存儲器的端口構(gòu)造EP1和EP2決定哪臺處理器對存儲器有效數(shù)據(jù)傳輸過程：

1)若存儲器空，P1將數(shù)據(jù)寫入存儲器；

2)軟件設(shè)置EAP1信號，中斷P2；

3)P2響應(yīng)中斷，從存儲器讀數(shù)據(jù)；

4)軟件設(shè)置EAP2信號，中斷P1；

5)傳輸完成；4.5交叉內(nèi)存雙通信池及其應(yīng)用4.5.1雙通信池的結(jié)構(gòu)框圖控制電路控制電路ABW/RCE1DBBABW/RCS1DBABW/RCS1RAMABW/RCE1DBDB池A控制電路控制電路ABW/RCE1DBABW/RCS1DBABW/RCS1RAMABW/RCE1DBDB池B單片機(jī)A及接口單片機(jī)B及接口PCPDQQP’P’利用雙通信池可以互易物理位置的原理來實(shí)現(xiàn)雙單片機(jī)通信雙通信池結(jié)構(gòu)中兩個通信池交替作為兩臺微處理器的內(nèi)存使用，又稱為交叉內(nèi)存結(jié)構(gòu)4.5.2雙通信池工作原理兩片共享存儲器

數(shù)據(jù)橋（雙向橋）

地址橋（單向橋）

輔助電路

（控制數(shù)據(jù)橋和地址橋的導(dǎo)通狀態(tài)）

通信過程如下：任意時刻，A機(jī)與B機(jī)控制數(shù)據(jù)橋與地址橋使各自與一個通信池A連通，A機(jī)把自己存放在發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入通信池，B機(jī)把自己存放在發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入另外一個通信池B中。由主機(jī)（設(shè)為A機(jī)）發(fā)P信號，經(jīng)D觸發(fā)器變?yōu)樾盘枺盘枌⒖刂频刂窐蚣皵?shù)據(jù)橋開關(guān)群的切換，實(shí)現(xiàn)兩個通信池互易物理位置?；ヒ孜锢砦恢煤螅扔芍鳈C(jī)（A機(jī)）通信池B中讀取數(shù)據(jù)，存入自己的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。接收完畢后A機(jī)向B機(jī)發(fā)一中斷請求信號，B機(jī)響應(yīng)中斷，在其中斷服務(wù)程序中安排從通信池A中讀出數(shù)據(jù)并存入自己的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。在通信過程中，以A機(jī)為主機(jī)，由它來掌握切換實(shí)際時機(jī)與中斷時機(jī)，B機(jī)為從機(jī)。4.5.3數(shù)據(jù)橋及數(shù)據(jù)橋控制電路

（1）數(shù)據(jù)雙向橋：三態(tài)門構(gòu)成（2）數(shù)據(jù)橋控制電路：控制數(shù)據(jù)雙向橋的導(dǎo)通方向讀寫控制信號片選信號主控機(jī)A產(chǎn)生的信號經(jīng)D觸發(fā)器變換之后的通信池切換信號4.5.4地址橋及輔助電路（1）地址橋地址線為單向總線，數(shù)據(jù)線為雙向總線，所以地址橋?yàn)閱蜗驑?，而?shù)據(jù)橋?yàn)殡p向橋。與數(shù)據(jù)橋相同的切換信號（2）輔助電路：切換信號與中斷信號產(chǎn)生電路（A機(jī)為主機(jī)）地址線A2～A7經(jīng)3-8譯碼器產(chǎn)生，判斷訪問地址的物理位置A機(jī)產(chǎn)生的切換信號控制信號4.5.5交叉內(nèi)存雙通信池應(yīng)用舉例雙單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，B機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理；A機(jī)采集好后送入通信池中。當(dāng)數(shù)據(jù)裝滿后，機(jī)A發(fā)出切換指令，內(nèi)存交叉互易，B機(jī)讀出數(shù)據(jù)，完成雙機(jī)通信。B機(jī)正常運(yùn)行時負(fù)責(zé)對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在雙機(jī)通信時，機(jī)B負(fù)責(zé)從通信池讀取數(shù)據(jù)并存入磁盤以供數(shù)據(jù)處理。虛線框部分為交叉內(nèi)存雙通信池4.6簡易總線窗口的設(shè)計總線窗口共享存儲區(qū)雙微處理器系統(tǒng)中總線窗口的作用：（1）控制雙微機(jī)的總線通斷，即起總線開關(guān)作用；（2）實(shí)現(xiàn)虛擬地址與實(shí)際地址的變換，即起地址變換作用。若：

A機(jī)和B機(jī)對共享存儲區(qū)M1的訪問地址取相同范圍，而且A機(jī)和B機(jī)對共享存儲區(qū)M2的訪問地址也取相同的范圍，不需要進(jìn)行虛實(shí)地址變換，總線窗口中也可以省去地址變換電路。沒有地址變換作用的總線窗口稱為簡易總線窗口。

4.6.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主機(jī)：部分專用，部分共享的存儲區(qū)從機(jī)：部分專用，部分共享的存儲區(qū)簡易總線窗口（虛線框部分）

通信過程：主機(jī)要求從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)2）主機(jī)確認(rèn)RDY2，通過PIO1向總線控制邏輯發(fā)請求通信信號CMRQ13）確認(rèn)CMRQ1，產(chǎn)生總線請求信號BUSRQ2送從機(jī)4）從機(jī)響應(yīng)BUSRQ2，發(fā)出BUSAK2給總線控制邏輯，并放棄總線使用權(quán)5）總線控制邏輯控制總線開關(guān)，接通主機(jī)總線，并將BUSAK2通過PIO1傳送給主機(jī)

6）主機(jī)確認(rèn)從機(jī)放棄總線，且總線接通，將M2共享區(qū)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到M1專用存儲區(qū)4.6.2總線開關(guān)（1）地址總線開關(guān)地址總線單向總線，按理地址總線開關(guān)應(yīng)采用單向開關(guān)。但考慮到總線窗口的特殊情況，即要對內(nèi)存單元尋址，反過來也要對內(nèi)存單元尋址，在與之間地址線必須能雙向傳輸，因此地址總線開關(guān)應(yīng)設(shè)計成雙向開關(guān)。74LS245是一種雙向總線驅(qū)動器，其中引腳1與引腳19為控制端，用來控制導(dǎo)通方向，1片245芯片可控制8條總線的通斷。

（2）控制總線開關(guān)80C51的控制總線中，為三態(tài)總線，與地址總線采用雙向總線理由一樣，控制總線開關(guān)應(yīng)當(dāng)采用雙向開關(guān)，即選用74LS245。（3）數(shù)據(jù)總線開關(guān)數(shù)據(jù)總線從本質(zhì)上看就是雙向總線，因此數(shù)據(jù)總線開關(guān)采用雙向開關(guān)，即選用LS245。特點(diǎn)：（1）均為雙向總線；（2）數(shù)據(jù)總線：一個通信周期中的雙向；（3）地址、控制總線：通信周期間的雙向4.6.3總線開關(guān)的控制邏輯

兩個關(guān)鍵問題：（1）控制其中一臺微處理器放棄總線；（2）控制總線開關(guān)接通另一臺微處理器；1，80C51-PIO1與80C51-PIO2標(biāo)志信號在這里，80C51-PIO1與80C51-PIO2口（可以是8031/51系列單片機(jī)P0～P3口任何8位I/O端口，可自行定義）各信號含義如下。RDY1：CPU1已把發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好RDY2：CPU2已把發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好CMRQ1：CPU1請求對方發(fā)送數(shù)據(jù)CMRQ2：CPU2請求對方發(fā)送數(shù)據(jù)BUSAK1：CPU1總線認(rèn)可，放棄總線BUSAK2：CPU2總線認(rèn)可，放棄總線若CPU1把要發(fā)送的數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好，則使PIO1的位置1，該信號連到PIO2的PA3