[科普中国]-分布式功能微处理机

基本概念

分布式处理（distributed processing）和并行处理（Parallel processing）是为了提高并行处理速度采用的两种不同的体系架构。

分布式微处理器则是将不同地点的，或具有不同功能的，或拥有不同数据的多台计算机通过通信网络连接起来，在控制系统的统一管理控制下，协调地完成大规模信息处理任务的计算机系统。分布式微处理器系统中各微处理器并行工作，因而可大大提高整个系统的性能，完成单个微处理器无法完成的任务。在实际应用中必须对各处理器进行合理的功能分工并协调好各处理器的工作进程。

分布式结构的出现大量事实和有关技术资料证明，分布式多处理机系统已成为当今微型计算机应用系统的重要方面。多处理机系统的应用和推广将为我国传统工业的改造和更新，为新兴工业领域比如民用航空领域的安全生产和运输将起到愈来愈注目的作用。

对于复杂的高性能的自动化系统，比如自动炼钢系统、自动轧钢系统、高速高精度的数控装置系统等，对于要求高速实时响应的信息处理及控制系统，比如航天航空通信系统、现代民用航空飞机机载的自动信息处理及控制系统，工业机器人系统等，往往由单个微处理器为主所组成的计算机系统不能满足整个信息及控制系统的要求。而采用功能相对分散的多微处理器组成的计算机系统则能够很好地满足上述系统的整体要求。

系统设计者通常把整个系统功能分成若干个相对独立的分系统(或分模块)，使多处理机系统中的每个处理机分别对应其分系统并承担其该分系统所预定的功能单元的信息处理任务，同时还能适当分担某些系统控制功能单元分配的任务。整个系统运行时，各处理机分系统能够相对独立地并行地协调地进行信息的传输控制与处理。这样就使总系统的综合实时响应能力得到改善，数据处理的吞吐量和速度得到提高，其可靠性和整体功能也得到加强。

系统中的硬件部件和软件模块紧密结合，互相支持。虽然系统中的具体硬件部件和软件的具体模块是分散处理，分级分任务管理的，但在整体上和内在联系上硬件部件和软件模块组成整个系统的整体。这样既增强了系统的软硬件的可扩展性、灵活性，又增强了系统的通用性和整体性。

构成方式分布式处理系统包含硬件，控制系统，接口系统，数据，应用程序和人等六个要素。而控制系统中包含了分布式操作系统，分布式数据库以及通信协议等。

分布式计算环境是在具有多地址空间的多计算机系统上进行计算和信息处理的软件环境。而分布式软件系统是支持分布式处理的软件系统，它包括分布式操作系统，分布式程序设计语言及其编译系统，分布式文件系统和分布式数据库系统等。而CORBA，COM+等是设计分布式软件系统的一些技术。

简单来说，分布式处理就是多台相连的计算机各自承担同一工作任务的不同部分，在人的控制下，同时运行，共同完成同一件工作任务。

一般信息处理系统的硬件、控制点和数据库有多种构成方式。

从硬件组成来看属于分布式系统的有两种：

①系统由多个处理机组成，但是有统一的输入输出系统；

②多计算机系统，有多个输入输出系统。

从控制点的设置方式来看属于分布式处理的有3种：

①多个系统在子任务一级上协同操作执行某一任务；

②多个相同的控制系统协同执行同一任务；

③多个不同的控制系统协同执行同一任务。

从数据库来看属于分布式的有3种：

①只有部分数据库在主结点中有复制本；

②只有部分数据库在主结点中有目录；

③数据库全部分散存放，没有主结点。

分布式处理系统必须有能力在短时间内动态地组合成面向不同服务对象的系统。对用户来说系统是透明的，用户只需指定系统干什么而不必指出哪个部件可以提供这一服务。系统各组成部分是自主的，但不是无政府状态，而是遵循某个主计划由高级操作系统进行协调工作。在一个计算机网中有多台主机不一定都是分布式处理。如果这样的系统不具备动态组合及任务再指派的能力，那么它们仍然是集中式处理。高级操作系统是分布式处理的关键。在分布式系统中不再使用完整的信息，各个组成部分提供自己的状态信息，高级操作系统根据这些状态信息进行任务协调和资源再分配，各组成部分之间没 有层次关系而是自主的1。

分布控制系统分布控制系统可以连接成许多布局结构，通过分别对处理单元和通信网络的考虑来研究单元的功能以及它们在系统结构中的作用。通常采用模块化设计技术以产生灵活的系统。

前端单元前端单元形成自身独立的控制器。它们与就地的生产过程设备密切地结合起来，并作为一个数字量和模拟量的输入/输出接口。控制器既提供顺序的控制也提供连续的控制。前端单元往往安装在每一个机器上，以适应就地设备的需要。分布式独立单元完成设计所规定的过程控制程序及其有关的数据库，这便可防止当系统局部失灵时把误差传播到整个系统中去。

通信网络前端单元可以由一个通信网络连接在一起以形成分布控制系统。发送到网络中去的信息用来控制和协调这些单元。对于设备操作至关重要的信息必须通过安全协议进行传送以及使用的安全码。网络还提供一种用于基础操作的器件。使不重要的数据传输采用较简单的办法．

对过程控制应用的网络可采用异步串行通信链路建立起来。这些链路能够经济地安装起来，一般只要使用普通的双铰线连接用于远距的接口；对于更高速可采用同轴电缆；对于超高速传输则采用光导纤维技术。

通信协议整个系统具有三种可能的操作方式，它包含了中央处理机和前端处理机之间的相互通信。在各处理机之间的主要通信方法是通过报文。报文通信优先于其他通信。每一个报文系统按照一种严格的协议来构成的，协议提供了报文的发送和接收。用误差校验码来检测错误数据；语法误差的检测留给报文翻译程序去进行。在基本的操作方式中，各前端单元通过异步和基本上独立的操作来维持设备的控制。中央处理机通过产生询问报文对这些操作进行监控；如果需要校正或协调动作时，中央处理机发送命令报文到前端单元，前端单元作出正确执行的应答。

中央单元中央处理机具有两个任务，它们对于分布系统的操作来说都是很基本的。作为报文的协调者和通信的监控者，中央处理机管理着整个通信网络，中央处理机也是理想的过程控制管理者。它对前端单元进行排序和协调，并记录状态数据和监控警报。它要花更多时间于数据记录、显示驱动和提供管理信息。中央处理机往往具有一个大的通信接口配套定额，并支持就地控制台或后备存储器。

大规模集成电路和微处理器使分布式计算机控制系统从根本上改变了它们的能力和应用性。分布式计算机控制系统正在不断地迅速扩大其应用领域。分布式控制系统的模块化和灵活性使它们比集中系统更为可靠和易于实现。

分布式微处理器在工业自动化的应用自动控制系统在工业生产，特别是在流程工业(化工、石油精练等工业)的应用中，如果发生控制系统失灵，可能会导致严重的后果。因此系统可靠性这个因素在控制系统设计考虑中占有决定性的地位。据此，近年来，工业的生产过程自动化中已经趋向于采用分布控制的方式，这是由于它的可靠性比集中控制要高得多。在一个分布式系统中，某一部分失灵并不需要停止整个的生产过程，这是因为分布系统中每一部分都是独立地操作的。分布系统中的过程控制单元和通信网络的开发可以利用模块化技术。这种技术既可适用于硬件也可适用于软件的开发，并且是研制高可靠性的和易控制系统的关键。由模块化所形成的控制系统的灵活性，实际上增加了整个系统的完善性。此外，它还使系统容易实现，便于扩展或对其中一部分或全系统进行更换2。