[科普中国]-分布式多处理机

基本概念

对于复杂的高性能的自动化系统，由单个微处理器为主所组成的计算机系统往往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。

分布式多处理机即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。

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。

根据分布式多处理机系统组成的具体连接方式的不同，我们可把连接方式分成三类。这三类结构就是下面讨论的三种基本结构。

基本结构公用总线结构图1为公用总线结构连接方式的原理框图。

图1

在图1中，公用总线上挂接有若干个相对独立的处理机分系统，公用存储器、公用I/O接口及其公用I/O设备。公用总线为一束信息通道线，它由公用地址线、公用数据线和公用控制线组成。各处理机分系统有自己的局部存储器、I/O接口及相应I/O设备等。判优器可以对公用总线进行测试置位和进行隔断某处理机分系统的控制等。各处理机分系统、公用存储器和公用I/O接口一般采用统一编址或约定编址。当各处理机分系统均不同公用存储器、公用I/O接口进行信息交换时，各分系统独立运行，公用总线未占有。此时各分系统没有必要向判优器发出使用公用总线请求信号，判优器也未向各分系统发出准许使用公用总线的回答信号。各分系统同公用总线均是隔断的。

当若干分系统同时向判优器发出申请使用公用总线请求信号时，判优器可根据其优先级别的大小或物理顺序响应某优先级高的分系统的请求，发出准许该分系统使用和占有公用总线的信号。这样该分系统就拥有公用总线的使用权，可以同公用存储器和公用I/O接口进行信息交换。显然其它未被选中的分系统得等待前被选中分系统释放公用总线使用权后才能使用公用总线。和常规微型计算机中的中断嵌套原理类似，当优先级较低的分系统正在使用公用总线进行信息交换时，有一优先级较高的分系统要求使用公用总线，此时判优器就暂时中止优先级较低的分系统占用公用总线的使用权，让优先级较高的分系统享有公用总线使用权。

两个分系统之间要交换信息一般是通过先后分时使用公用总线、公用存储器和公用I/O接口及设备来实现的。为了提高公用总线结构的通信效率，可设置多总线或局部总线。本方式的特点是构成简单，处理器数目容易增减，采用模块化结构方便，实现资源共享方便，便于处理大量公用数据等。不足处是当各处理机分系统不具备自己专用的存储器时，处理器的数目不宜太多（一般为3~4个），否则公用总线容易饱和，影响速度。

公用存储器结构图2为公用存储器结构的连接方式的原理框图。

图2

本结构构成较简单，各个微处理机分系统通过公用存储器进行各分系统之间的信息交换。和公用总线结构类似，本结构也适用于进行大量数据交换和发送的紧密型结合的场合。

各处理机分系统有白己的专用存储器、I/O接口及其输入输出设备，和公用存储器采用统一编址方式或约定方式寻址。当各处理机分系统之间不交换数据和信息时，且判优器无请求使用公用存储器信号，多路转换器同公用存储器之间处于高阻态（隔断），此时不使用公用存储器，只是各分系统各自独立完成白己的工作。

当各处理机分系统之间需要交换信息或要使用公用存储器时，判优器根据各分系统发来的使用公用存储器请求的优先级别的高低信号，来决定优先级别高的分系统可以使用公用存储器。当优先级高的分系统运行完就转下一级分系统使用。

公用存储器内有各处理机分系统的约定存储区（邮政信箱区），管理用表格、公用变量、公用程序、公用操作数据和一些中间缓冲区等。

主从分级结构主从分级结构也叫分级型通道连接结构。其连接框图如图3所示。

图3

本结构是通过公总线和若干个通道进行连接而构成。主处理机系统负责整个系统的控制与协调。从处理机系统也能相对地把主处理机系统当作自己的I/O设备。本系统的特点是各处理机分系统比较独立，相互交换信息较少，其相互结合程度较松。

分布式多微处理机与微型计算机局部网络分布式多微处理机系统是为完成单项较大型任务而出现的。它一般由主处理机系统控制和协调各从处理机的工作。各处理机可以相对独立而又彼此协调地工作。其各处理机之间的关系为主从关系或主协从关系。其软件配置和协议较简单。

微型计算机局部网络是计算机通信技术和计算机分布处理技术发展相结合的产物。主要用于局部地区的通信领域中。把局部地区的完全独立的多台计算机用通讯线或电缆线、匹配器等连成一个自成系统的网络就构成了一个局部网络。当然，此种连接还要考虑软件上的兼容。该网络上的计算机之间可以相互通信，共享网络上的硬件软件资源。其网络软件配置和协议较复杂，有标准的软件产品1。