武漢大學測控儀器通信第四章共享存儲區(qū)通信技術

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

共享存儲區(qū)從物理結構上可以分為四種：公用總線方式，矩陣開關方式，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)結構中，各微處理機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；P1，P2，P3為三臺微處理機，它們有自己專用內(nèi)存、專用總線、專用軟件、專用外設等；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使用。實際上，通過對公用總線使用權的仲裁，也等于對共享存儲器及共享I/O完成了管理與分配，從而實現(xiàn)利用共享存儲器作為中介實現(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；當某一條公用總線發(fā)生故障，通信依然可以進行，因而比單公用總線系統(tǒng)可靠性高。

4.1.2矩陣開關方式

矩陣開關（也稱縱橫開關）式共享存儲器結構中，每一個共享存儲器Mi，每一個I/Oi端口與每臺微處理機Pi都能建立起一條獨立通道，如圖4-3所示。圖中黑點表示矩陣開關上的一組開關。4.1.3多端口共用方式圖4-4是多端口共用存儲器結構。該結構由三部分組成：Mi為多端口共用存儲器；Pi表示多臺微處理機；I/Oi表示多端口共用I/O設備。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)有兩種實現(xiàn)方法：本質(zhì)型多端口存儲器實現(xiàn)方法，非本質(zhì)型多端口存儲器實現(xiàn)方法。圖4-5為用這兩種實現(xiàn)方法組成的多端口共用存儲器系統(tǒng)的結構。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，結構簡單，用戶可自行進行電路設計及連接，在智能儀表與實時控制系統(tǒng)中得到較廣泛的應用。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機系統(tǒng)（包括A機CPU、A機總線、A機專用內(nèi)存、A機共用內(nèi)存、A機外設）；B機系統(tǒng)（包括B機CPU、B機總線、B機專用內(nèi)存、B機共用內(nèi)存、B機外設）；總線窗口。系統(tǒng)的共享存儲器是在A、B機系統(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?？偩€窗口實現(xiàn)兩機虛擬地址到實際地址的變換。當系統(tǒng)較簡單時，可用邏輯電路來實現(xiàn)；當系統(tǒng)較龐大時，應構成內(nèi)含有微處理機的智能總線窗口。4.2共享存儲區(qū)的邏輯結構4.2.1虛擬結構在多微處理機系統(tǒng)中，虛擬存儲區(qū)技術是常用的邏輯結構形式。每臺微處理機都帶著存儲器，它既為各處理機自己所有，又為多機共享。每臺微處理機能訪問所有處理機的存儲器，形成了遠大于單個處理機存儲器容量的虛擬存儲空間，使用虛擬存儲地址尋址。從虛擬邏輯結構上看，共享存儲器把專用與共享融合在一起，可以方便地實現(xiàn)多機通信，而且使每臺微處理機的存儲空間都得以擴大。虛擬邏輯結構首先要解決虛/實地址間的地址映射問題。實現(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現(xiàn)地址映射。當一臺微處理機要使用另一臺微處理機的存儲器時，由總線窗口中的開關控制接通總線，本虛擬地址必須經(jīng)過總線窗口中的地址變換器進行動態(tài)重定位，把虛擬地址變成實際地址之后才可用來激活本機地址線，找到正確的存儲單元。虛擬結構必須解決兩臺或兩臺以上微處理機訪問同一存儲單元引起的沖突。4.2.2信箱結構

信箱式共享存儲區(qū)把各微處理機專用與共享存儲區(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)作了細分，建立類似郵政信箱格式的分格式邏輯結構。通信池結構很像配水系統(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，把應配水量放在中間水池中，然后關掉水源，再打開該用戶閥門，則把應配水量供給該用戶。這僅僅是個比喻而已，但由此可見，采用通信池結構，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)使用權的分配及管理卻比較復雜，通信速度也比信箱結構慢，不過它對共享存儲區(qū)容量的要求要比信箱結構的小?！窆蚕泶鎯^(qū)設計比較簡單；●共享存儲區(qū)使用權的分配及管理卻比較復雜；●通信速度也比信箱結構慢，共享存儲區(qū)容量的要求要比信箱結構的小。4.2.3通信池結構

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

判決器是獨立于各微機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提出的請求進行裁決判決器主要由判決邏輯與開關群電路組成，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；②改進型無偏判決器：在無偏判決的基礎上優(yōu)先響應等待時間最長的微處理機的請求；③固定優(yōu)先級判決器：它預先規(guī)定每臺微處理機的優(yōu)先級高低；④FIFO法，按先來后到次序進行優(yōu)先權的判決。4.3.2端口控制器法2114存儲器芯片為共享存儲器，74LS244就相當于微機掛上總線的開關，74LS244與2114之間的連線為單公用總線，端口控制器負責共享存儲器的分配及管理。端口控制器相當于單公用總線系統(tǒng)中總線控制器BC的作用，由它來按照預先設計好的判決規(guī)則，對微處理機的申請進行判決。

4.3.3本質(zhì)型多端口存儲器的裁決邏輯通過內(nèi)部設有的邏輯檢測電路裁決：當發(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：●進行虛/實地址變換，●控制總線窗口內(nèi)總線開關，以便實現(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行讀寫，從而實現(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進行片選MP1MP2（1）端口構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)線的導通方向；（2）端口控制器構造●邏輯結構：采用通信池結構，在共享區(qū)只設置一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，發(fā)送與接收必須分別進行?！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，來構造雙單片機間全雙工數(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構傳輸控制：

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行，而是串聯(lián)進行單向傳輸雙端口存儲器的端口構造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)軟件設置EAP1信號，中斷P2；

3)P2響應中斷，從存儲器讀數(shù)據(jù)；

4)軟件設置EAP2信號，中斷P1；

5)傳輸完成；4.5交叉內(nèi)存雙通信池及其應用4.5.1雙通信池的結構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A及接口單片機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現(xiàn)雙單片機通信雙通信池結構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)存結構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)橋和地址橋的導通狀態(tài)）

通信過程如下：任意時刻，A機與B機控制數(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（設為A機）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)橋開關群的切換，實現(xiàn)兩個通信池互易物理位置?；ヒ孜锢砦恢煤?，先由主機（A機）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機向B機發(fā)一中斷請求信號，B機響應中斷，在其中斷服務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機為主機，由它來掌握切換實際時機與中斷時機，B機為從機。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)門構成（2）數(shù)據(jù)橋控制電路：控制數(shù)據(jù)雙向橋的導通方向讀寫控制信號片選信號主控機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，所以地址橋為單向橋，而數(shù)據(jù)橋為雙向橋。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機為主機）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)存雙通信池應用舉例雙單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A機負責數(shù)據(jù)采集，B機負責數(shù)據(jù)處理；A機采集好后送入通信池中。當數(shù)據(jù)裝滿后，機A發(fā)出切換指令，內(nèi)存交叉互易，B機讀出數(shù)據(jù)，完成雙機通信。B機正常運行時負責對所采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，在雙機通信時，機B負責從通信池讀取數(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）控制雙微機的總線通斷，即起總線開關作用；（2）實現(xiàn)虛擬地址與實際地址的變換，即起地址變換作用。若：

A機和B機對共享存儲區(qū)M1的訪問地址取相同范圍，而且A機和B機對共享存儲區(qū)M2的訪問地址也取相同的范圍，不需要進行虛實地址變換，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)結構

主機：部分專用，部分共享的存儲區(qū)從機：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：主機要求從機發(fā)送數(shù)據(jù)2）主機確認RDY2，通過PIO1向總線控制邏輯發(fā)請求通信信號CMRQ13）確認CMRQ1，產(chǎn)生總線請求信號BUSRQ2送從機4）從機響應BUSRQ2，發(fā)出BUSAK2給總線控制邏輯，并放棄總線使用權5）總線控制邏輯控制總線開關，接通主機總線，并將BUSAK2通過PIO1傳送給主機

6）主機確認從機放棄總線，且總線接通，將M2共享區(qū)數(shù)據(jù)轉移到M1專用存儲區(qū)4.6.2總線開關（1）地址總線開關地址總線單向總線，按理地址總線開關應采用單向開關。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，因此地址總線開關應設計成雙向開關。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，控制總線開關應當采用雙向開關，即選用74LS245。（3）數(shù)據(jù)總線開關數(shù)據(jù)總線從本質(zhì)上看就是雙向總線，因此數(shù)據(jù)總線開關采用雙向開關，即選用LS245。特點：（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總線開關的控制邏輯

兩個關鍵問題：（1）控制其中一臺微處理器放棄總線；（2）控制總線開關接通另一臺微處理器；1，80C51-PIO1與80C51-PIO2標志信號在這里，80C51-PIO1與80C51-PIO2口（可以是8031/51系列單片機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)準備好RDY2：CPU2已把發(fā)送數(shù)據(jù)準備好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總線認可，放棄總線BUSAK2：CPU2總線認可，放棄總線若CPU1把要發(fā)送的數(shù)據(jù)已準備好，則使PIO1的位置1，該信號連到PIO2的PA3