嵌入式测控系统中的多处理器架构设计.doc

嵌入式测控系统中的多处理器架构设计 摘要：本文针对嵌入式设备资源的有限性以及嵌入式测 控系统实时性的要求，提出了一个基于多处理器的测控系 统架构的设想，以便于在有限的资源下更快的对现场采集 的数据进行处理。 关键词:嵌入式系统；测控；多处理器 一、多处理器系统的框架 多处理器系统就是在一个系统中含有多个CPU,每个 CPU独立地处理一个或少量的事务，在操作系统的控制下， 控制数据合理流动，以完成设计要求的系统。使用多处理 器主要有两种目的。一种是想利用多台处理器进行多任务 处理。另一种是想依靠冗余的处理器及重组能力来提高系 统的可靠性、适应性和可用性。 多处理器系统中，根据多个处理器之间的相互关系可 以分为两类:对称多处理器和非对称多处理器。在对称式多 处理器系统中，系统资源如存储器和磁盘输入/输出(1/0) 被系统中的所有微处理器共享，工作负载被均匀地分配到 所有可用处理器上，从而避免对某些特定任务，一些处理 器忙不过来，而另一些处理器却闲着。当系统中加入新处 理器时，对所有的任务，对称式多处理器系统的性能都会 提高。对称多处理器对存储器的访问采用的是均匀存储访 问的模式，其特点是:①物理存储器被所有处理器均匀共享; ②所有处理器访问任何存储单元用相同的时间；③每台处理 器可带私有高速缓存:④外围设备也可以一定形式共享。其 结构如图1所示。 二、多处理器系统中应注意的问题 与单处理器系统相比，多处理器结构的实现必须考虑 和解决一些特殊问题。 （一） 处理器之间的负载问题 在单处理器结构中不存在负载不均匀的问题。但在多 处理器结构中，如何把工作更均衡的分配给各个处理器， 使多处理器之间的负载更均衡是重要的问题。在对称多处 理器结构中，需要尽量把工作平均分配给各个处理器，而 对于非对称处理器结构，每个处理器有自己特定的工作， 工作的时候是各负其责，所以很多情况下不能够平均分配 负载。如何解决系统中不同的分配负载的问题需要操作系 统的调度算法来实现。 （二） 处理器间通信的问题 在单处理器结构中不存在处理器之间的通信，只有进 程之间的通信。各个进程看上去是并行的，但实际上却是 串行的，因为在任一个时刻只有一个进程在真正运行。在 这样的系统中，保证进程间的同步和互斥是比较容易的。 对临界资源的操作中途不发生进程调度，而且不产生与所 使用的临界资源有关的中断，就可以保证操作的互斥性。 在多处理器结构中，各个处理器并不是相互孤立的，而是 协同工作的。那么处理器间就需要进行通信。现有系统中 常用的方法有:利用双口 RAM实现CPU之间的通信、利用共 享内存的方法实现CPU之间的通信、利用总线的方法实现 CPU之间的通信等。 （三）高速缓存与内存之间内容的一致性问题 在单处理器结构中，使用高速缓存的目的仅在于通过 提高CP U取指令和读写数据的速度来改善系统的性能。高 速缓存一般在CP U内部，有非常高的访问效率。在多处理 器结构中情况就复杂了。因为一个CPU并不知道别的CPU 会在何时改变内存的内容。这样就会造成单个CPU的高速 缓存与多个CPU共享的内存之间数据的不一致。在对称多 处理器结构中高速缓存的作用比在单处理器结构中更为重 要，因为它不但可以提高取指令和读写数据的速度，还有 利于减少多个CPU在访问内存时的冲突。一般的内存都不 允许在同一时间内受到多个CPU的访问，所以，在对称多 处理器结构中通常每个c PU都有较大的高速缓存，从而一 旦把高速缓存装满以后，就可以运行相当长的时间而无需 经常读写物理内存。 三、嵌入式测控网络中多处理器的结构 微处理器和各种硬件本身性能的提高，对嵌入式系统 的实时性要求也越来越迫切。在嵌入式测控系统的设计中 我们最基本的出发点就是提高系统的实时性，所做的工作 也都是围绕着提高系统的实时性而展开的。 提高嵌入式监控系统的实时性，主要有两个方面:一是 从传输过程中提高数据的传输效率来提高实时性;二是从处 理器提高处理数据的速度方面来提高实时性。 从数据传输方面提高系统的实时性涉及的面比较广， 例如，改进传统的TCP拥塞控制、裁减传统协议栈、改进 数据调度算法等等。人们研究的热点也是围绕以上这几个 方面来做的，并且也取得了大量的成果，大大提高了系统 的实时通讯能力。 对从处理器处理数据的速度方面来提高系统的实时性 这个问题人们也做了大量的研究，但大多数研究都是围绕 如何提高处理器的性能来进行的。可是现在硬件发展也已 经到了一定的高度，芯片的集成度己经很高，如果再依靠 提高芯片晶体管的密度来提高处理器的速度，那么芯片的 散热和能耗等副作用也将明显加剧，所以单纯依靠提高处 理器的速度也是不现实的。 在嵌入式测控系统中，采集点采集的数据是海量的、 实时返回的，管理平台中的处理器每时每刻都要处理从采 集点返回