（生物医学工程专业论文）现代仪器用多微处理器系统体系结构研究.pdf

浙江大掌博士掌位论文一一 a b s t r a c t t h em o d e r ni n s t r u m e n ti sar e a l - t i m ea n do n l i n ei n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gs y s t e m i t sm a i nf m l c t i o n si n c l u d er e a l t i m em o d e l i n g ，d a t ap r o c e s s i n g 。m a n a g e m e n t ，s t o r a g e a n d t r a n s m i s s i o n a m o n gm o d e r ni n s t r u m e n ts y s t e mo fm u l t i f u n c t i o na n dm u l t i p a r a m e t e li n t e r p r e t a t i o n ，h o w e v e r ，t h e e x i s t i n gm o n o p r o c e s s o ri n s t r u m e n ts y s t e m a te h i t e c t u r eh a s e n c o u n t e r e d m a n y i n h e r e n t p r o b l e m s a n d b u g s o h r e a l t i m e ， r e l i a b i l i t ) ，c o m b i n a t i o n a n d e x t c n s i b i l i t y t o s o l v ea b o v e p r o b l e m s t h em o d e r n “t a t ! u l l l e i l t s y s t e ma r c h i t e c t u r eo r i e n t e dm u l p r o c e s s o ffm i s a o m ) w a ss t u d i e d d e e p l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n 1h es t a t u si nq u oa n dt h ed i r e c t i o n so fi n s t r u m e n tb a s e do nm i c r o ”o c e s s o rw e r e r e v i e w e da c c o r d i n gt od e v e l o p m e n th i s t o r y ，a n dk e yt a s k so f m u l t i p r o c e s s o rs y s t e m a r c h i t e c t u r ew e r e s u r v e y e d n o t o n l y t h e s t u d ym e t h o d o l o g y ，b u t a l s oa m u l t l p r o e e s s o rs y s t e mt o p o l o g y a r c h i t e c t u r ew i t hs h a r e db u sa n do r i e n t e dt o m i s a o mw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ff a u l tt o l e r a n ta n da l t e r a b l es y s t e ma r c h i t e c t u r e ， w e r ed e v e l o p e d u s i n gs e r v i c et h e o r yo fs t o c h a s t i cq u e u e ，t h ec l o s e df o r mq u e u en e t w o r km o d e l c o r r e s p o n d i n gt ot h es y s t e ma r c h i t e c t u r ew a sd e v e l o p e d ，a n dt h ee v a l u a t i o nm e t h o d o fs y s t e mp e r f o r m a n c ew a ss t u d i e di n d e t a i l s i m u l a t i n go ft h ed g y $ l o p e dm o d e l a b o v e t h es i m u l a t e ds y s t e mp e r f o r m a n e ec h a r a c t e r i s t i c su n d e rd i f f e r e n ts y s t e ml o a d a n dt h em i s a o m d e s i g np a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d a l lr e s e a r c hw o r kp r o v i d e dt h e q u a n t i t a t i v eb a s i sa n dr e l i a b l eg u i d a n c et ot h ed e s i g na n dt a s kd e c o m p o s i t i o no ft h e s y s t e m i n p r a c t i c e a c c o r d i n gt o t h e r e q u i r e m e n ta n dp e c u l i a r i t yo ft h em o d e r n in s t r u m e n t ，t h e m i s a o mf a u l tt o l e r a n c es t r a t e g y ，d e s i g n a n di m p l e m e n tw e r ea l s o s t u d i e d t h es y s t e mm e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ( m t b f ) a n ds t a b l ea v a i l a b i l i t y ( s a ) o fm i s a o m ，w h i c ha r et w ok e yr e l i a b i l i t yp a r a m e t e r so fe v a l u a t i o n ，w e r e o b t a i n e du s i n gm a r k o v p r o c e s st h e o r ya n dr e l i a b i l i t ym o d e l i n g s h a r e db u sa r b i t r a t i o na n di n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o n sw e r eu s e da st w ok e y t e c h n i q u e sa n di m p o r t a n tc o n t e n t so fm i s a o ms t u d y o nt h eb a s i so fs t u d y i n gb u s a r b i t r a t i o nm e c h a n i s m ，ad i s t r i b u t e d ，d y n a m i cp r i o r i t ya n ds u b s e c t i o np r i o r i t yb u s a r b i t e r p r o t o t y p e w a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d d u et ot h ec h a r a c t e r i s t i c s o f r a t i o u m i t y ，t h eb u sa r b i t e rc o u l db es a t i s f i e dw i t ht h er e q u i r e m e n to ft h es y s t e mt o b u sa r b i t r a t i o n f u r t h e r m o r e ，c o m m u n i c a t i o nm o d e lf o rm e s s a g ep a s s i n g ，d i s t r i b u t e d m e s s a g et r a n s f e r r i n gs y s t e m a n d m e m o r ym a i l b o x ，w e r e a l s o d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e d i t c o u l db es a t i s f i e dw i t h d i v e r s i t y o fc o m m u n i c a t i o na m o n g m f c r o p r ( ) c e s s o rn o d e s ， b e c a u s et h ec o r r e s p o n d i n go p e r a t i n gs y s t e mt i e su pw i t ht h eh a r d w a r e ，e 7 e r y f 【 英文摘要 h i e r a r c h yo fi o w r t d o s w a sd e s c r i b e d m o r e o v e r ，as i m u l a t i n gs y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r mf o rm u l t i p r o c e s s o rw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i e r a r c h ya n dm o d u l a r i z a t i o nw a sd e s i g n e d ，i m p l e m e n t e da n d t e s t e d ，a tt h ee n d ，w es u m m a r i z e do u rw o r ka n dp r o p o s e dt h ed i r e c t i o n si nf u t u r e r e s e a r c h k e y w o r d s ：m o d e r ni n s t r u m e n t ，m u l t i p r o c e s s o rs y s t e m ，a r c h i t e c t u r e ，p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n ，f a u l tt o l e r a n c e ，b u sa r b i t r a t i o n ，m e s s a g ep a s s i n g ，m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n 浙江大掌博士学位论文 ( 、m v a c o m a c o w ( 、s m d c m d s m 1 s a f ，s m m c m i m d m i s a o m m i s l ) m p m p p m t b f m i n n u m a p e u p s p v p q n r s m s a s c m s i m d s i n d s m s p n u m a 缩写对照表 可定制的平均值分析 只用高速缓冲存储器的存储器结构 j j 作站群 集中共享式多微处理器 分布式公用存储器 分布共享式多徽处理器 1 业标准体系结构结构 本地共享存储器 马尔可夫链 多指令多数据流 现代仪器用多微处理器系统体系结构 多指令单数据流 消息传递 大规模并行处理器 平均故障运行间隔 消息传递网络 非均匀存储器存取 微处理器有效单元 包交换 并行向量处理器 排队网络 异地共享存储器 稳态有效度 共享公用存储器 单指令多数据流 单指令单数据流 共享存储器 随机p e m 网络 均匀存储器存取 第一j 综述 第一章综述 由于自身条件的限制，人类必须借助于各种各样的仪器系统才能深入了解客 观世界，发现事物发展的规律。“工欲善其事，必先利其器”，用这句话来说明 仪器在现代科学技术中的重要性是很恰当的。所谓“事”就是指现代科学技术， 1 而“器”则是指仪器。目前，各种高新技术在仪器领域获得了广泛的运用，现 代仪器技术已经发展成一个多种学科交叉、各种技术渗透的综合性学科。因此， 现代科学仪器是现代科学技术发展的重要支撑条件，从某种意义上讲，一个国家 仪器科学与技术水平的高低是衡量该国科学技术水平发达程度的重要标志。 l 。1 微处理器仪器系统综述 1 1 1 概述 微处理器的出现虽然只有几十年的历史，就迅速在仪器科学与技术领域获得 厂泛的应用，而且是最活跃的领域之一。仪器科学与技术、测量技术和计算机技 术三者的紧密结合，引起了仪器科学与技术的空前的变革和发展，产生了完全有 别于传统仪器系统体系结构的一种现代仪器系统微处理器仪器系统。 所谓微处理器仪器系统( m i c r o p r o c e s s o r - b a s e d i n s t r u m e n ts y s t e m ) ，是指以微 处理器或微型计算机为核心，通过硬件和软件的设计，具有特定仪器功能的专用 系统。就其组成和结构来看，它是一个或多个以微处理器为核心，并配有仪器 系统所需数据采集、传输和处理并且有一定功能的专用信息处理系统。 和传统仪器系统相比，微处理器仪器系统具有以下特点”3 】： 首先，赋予了仪器系统以多参数及其相关的数值计算、信号或信息处理、性 能自检试和故障诊断方面的功能。由于微处理器及其组含芯片的数据处理和存储 能力，可以完成被测系统建模和有关结果数据的复杂解释。这是当今仪器科学的 重大发展方向之一，尤其是对于多参数和多功能仪器系统尤其如此。这使得仪器 系统的性能得到了质的改善和增强，极大地提高了仪器系统的精度和应用范围； 其次，大大增强了仪器的功能和灵活性，使原来用硬件电路难以解决或根本 无法解决的问题，可以用软件和硬件相结合的办法迎刃丽解； 第三，实现了仪器系统操作自动化和( 远程) 可程控化，增强了仪器系统的 人机交互能力和友善界面，极大地提高了仪器系统的可操作性。 浙江大学博士掌位论文 此外，促进了仪器系统向模块化和系统化方向发展，通过借助于模块化的设 计相接口技术，对不同层次需求提供不同层次的组态模块集。采用软硬件技术相 结台，可以以较低的研发费用迅速实现系统更新换代和技术升级，并且便于构造 出功能强大的复杂仪器系统。 因此，可以毫不夸张地说，微处理器和汁算机技术在仪器领域中豹应用，使 仪器系统设计技术发生了场“革命”。 1 1 2 现状、要求和发展方向 随着微电子和相关技术的飞速发展，微处理器的性能价格比按照m o o r e 定律 迅速提高，并且出现了大量的接j 芯片，通过它们能比较容易且迅速地将计算机 科学技术和其它领域的大量最新成果应用于各种仪器仪表系统的研制和应用中， 极大地提高了仪器系统的功能和性能。最近十几年来，髓着各种高性能价格比的 单片机、d s p 芯片、微处理器和高性能的组合芯片在仪器系统中的大量运用， 微处理器仪器系统在许多领域中逐渐替代传统的仪器仪表。当前的微处理器仪器 系统的发展趋势是以更快的速度向更高层次发展，并已出现了大量新型微处理器 仪器系统，带动和促进了许多领域新技术的发展。 随着当今信息技术的高度发展和飞速进步，现代仪器策统馒向孵是更为复杂 的信息处理过程，在许多领域已对现代仪器系统提出了更高、更新和更多的要求。 这些要求主要表现在信息处理能力和速度、系统可靠性、组合性和可扩展性四个 方面p “j 。 现代医学仪器是现代仪器系统中一个重要的子集，且是发展最快的一个分 支。由于现代医学仪器系统面向的对象是人体，她是一个多层次、多状态参数并 由许多子系统构成的复杂生命系统，因而现代医学信息处理是一个典型的复杂系 统的信息处理和建模过程f 9 t q 。“窥一斑可见全豹”，现代医学仪器系统的闯题和 发展方向在现代仪器系统中具有一定的代表性。 目前的现代医学仪嚣系统面向的对象和信息处理过程，具备以下特点和要求 5 1 h 6 1 。 】) 需要处理的对象往往是一维信号或多维图像信息。为了达到较高的精度，需 要的采样频率往往较高，导致了所需处理的数据量迅速增加，往往可达几十、 t 百兆甚至更多字节而这些数据通常需要进行数字滤波、谱分析、图象重 建和系统建模等处理，甚至需要用大型数据库技术来管理。因此，现代医学 仪器系统必须提供强大的快速信息处理能力。 2 ) 专家系统等人工智能技术在现代医学仪器系统中有着非常广泛的应用蔚景， ，f 一章镣述 这就对现代医学仪器系统提出了数据解释的逻辑推理能力方面的要求。 3 ) 未来医学要求多功能和多参数及其复杂解释，并以减少输出参数数目的方式 便于医务人员及时了解病人，尤其是重危病人生命的病理状态，以便作出快 速响应抢救患者的生命。 4 ) 现代通信技术、计算机技术和仪器技术相结合的远程医学仪器系统展现出广 阔的发展前景，未来的外科手术系统将集成图像、医用机械、监护和虚拟现 实等技术进行手术，这将是一个多参数、实时性、数据融合和处理的综合过 程。 5 ) 远程医学仪器系统同时还对系统的可操作性提出新的要求。 6 ) 现代医学科学的发展将越来越依赖现代医学仪器，而现代医学仪器由于直接 涉及人的生命安全，所以高可靠性的要求会越来越突出，系统可靠性将是现 代医学仪器关键所在。 从系统组成和结构角度来看仪器的共性，目前各类仪器系统( 其中包括生物 学和不少医学仪器) 中的绝大多数都属于单微处理器体系结构系统，甚至使用个 人计算机配用功能板实现。因此在信息处理能力和速度、系统的可靠性、系统的 灵活性和适应性几个方面存在差距，主要表现在以下几个方面。 首先，从技术上讲目前的国内步 大多数医疗仪器均属单参数和功能单一的仪 器系统，系统适应性差且扩展困难。很难或根本无法满足现代医学信息处理速度 和多功能与多参数迅速发展适应性方面的要求，这与进一步提高健康水平和健康 质量以及与医务人员需要多参数综合解释的实睇诊断的要求是不相符的。 其次，上已述及，许多医学仅器系统是以萃片机或个人微机为核心或本质上 属于简单仪器( 或插卡式仪器) 系统，即一台个人微机扩展仪器的个或多个功 能插件，相互之阐通过微枧系统总线或串目连接而成。这两类仪器系统虽然在价 格上有显著优势，但从系统信息处理能力角度看是不符合现代医学信息综合处理 的要求。尤其是个人微机仪器系统，由予通用微机并不专门为仪器系统设计，原 则上不要求实时性，尤其是操作系统不能满足仪器系统建模的要求，导致了一方 面软硬件资源浪费严重，部分资源利用率很低甚至为零，另一方面其所提供的软 硬件资源又不能满足医疗仪器系统实时性的实际需求。 第三，单徽处理器系统由于存在唯一的核心器件微处理器，一旦微处理 器主扳发生故障，则整个系统必然无法使用。因此系统不但信息处理能力不高， 且可靠性方面存在先天性的致命缺陷。 在保证和提高仪器系统信息处理可靠性的前提下，如何进一步提高仪器系统 的信息处理能力和速度、如何进一步提高仪器系统的可操作性劳扩大其应用范 围，始终是现代仪器系统的研究重点和方向。随着现代电子技术、计算机技术、 现代通信技术和现代控制技术在仪器科学和技术领域应用的进展，当今仪器系统 的几个重要发展方向是畦”。m ： 浙江大掌博士掌位论文 1 ) 以“软件就是仪器”( s o f t w a r ei si n s t r u m e n t ) 为特征的虚拟仪器系统( v i r t u a l i n s t r u m e n ts y s t e m ) 技术的研究； 2 ) 以专家系统等人工智能为特征的智能化仪器系统的研究； 3 ) 以嵌入式系统为核心技术的嵌入式实时现场仪器系统的研究； 4 ) 以综畲运用现代仪器技术、计算机技术和现代通信技术为特征的远程仪器系 统的研究： 5 ) 面向特殊应用场台的高可靠性仪器系统的研究； 6 ) 甚于数字信号处理器( d s p ) 的仪器系统的研究； 7 ) 以综合运用并行处理技术为特征的高性能仪器系统的研究： 1 2 多微处理器仪器系统综述 并行处理技术是一个内涵和外延都很广泛的新技术。其中，多微处理器系统 是并行处理技术的一个重要分支 z 3 “2 6 1 ，目前，多片微处理器的应用已经渗透到微 处理器仪器系统设计领域。实际上，多微处理器仪器系统的核心就是多微处理 器系统，所以以下综述将以后者内容为主。 、 根据f t y r m 分类法【2 9 】，微处理器系统有四种模型： i ) 单指令单数据流s i s d ( s h - 目g ei n s t r 啦d o ns 扛磷ed a 锋) 系统； 2 ) 单指令多数据流s i m d ( s i n g l e i n s t r u c t i o n m u l t i p l e d a ：l a ，系缆； 3 ) 多指令单数据流m i s d ( m u l t i p l e i n s t r u c t i o ns i n g l ed a t a ) 系统： 4 ) 多指令多数据流m i m d ( m u l t i p l e i n s t r u c t i o nm u l t i p l ed a t a ) 系统。 由于在s i s d 系统中指令是顺序串行执行且系统只有唯一的指令流源，因此 这种结构存在许多先天不足。雨m i m d 系统中由于指令流和数据流的多用性， 因此和s i s d 、s i m d 、m i s d 系统相比m i m d 系统在数据处理速度和能力，以 及系统可靠性方面更具潜力。 mm d 模型对应的系统主要有五类t 2 9 l ：并行向量处理器p v p ( p a r a l l e lv e c t o r p r o c e s s o r ) 、大规模并行处理器m p p ( m a s s i v e l y p a r a l e l p r o c e s s o r ) 、工作站群c o w ( c l u s t e ro fw o r k s t a t i o n s ) 、分布共享式多微处理器d s m ( d i s t r i b u t e ds h a r e d m e m o r ym u l t i p r o c e s s o r ) 、集中共享式多微处理器c s m ( c e n t r a l i z e d s h a r e dm e m o r y m u l t i d r o c e s s o r ) 。 所谓多微处理器系统( m u l t i p r o c e s s o rs y s t e m ) ，是指在集中控制下具有两个 或两个以上微处理器，并能相互通讯以协同求解一个给定的复杂问题的微处理器 系统j 。其典型的结构框图如图lt 所示。它利用两个或两个以上的微处理器结 点去协同处理同一任务，系统中的每个微处理器结点是完全可编程的，并能执行 其本身的程序，它 f j 通过共享资源，在操作系统的全局控制下，实现软件和硬件 4 第一章综述 相互作用，彼此问通过信道或共享存储器构成一个完整的系统，达到时间和空间 ：的异步并行。 图l1 多微处理器系统结构 多微处理器系统的主要特点是9 ”5 ： 1 ) 系统含有两个或两个以上功能相当的同构或异构型微处理器； 2 j 所有微处理器结点通过通信或共享存储器进行信息交换，还可以共享全局输 入输出设备等共享资源，同时也允许微处理器模块配置专用( 或局部) 存储 器或和输入输出设备； 3 ) 有完整的操作系统管建整个系统，它在作业、任务、数据集和数据单元各个 级别上提供微处理器和软件之间的交互作用； 4 ) 每个微处理器能够独立进行有效的计算并和其他微处理器在硬件或软件级别 上交互作用； 5 ) 微处理器的专用性不强。 多微处理器系统主要包括四部分内容：系统体系结构、操作系统、程序设计 语言( 包括并行算法和并行语言设计) 、功能程序，其中体系结构和操作系统是 整个系统平台的基础口9 , 3 0 。 1 2 1 多微处理器系统体系结构 由于现代仪器系统大量应用计算机新技术，随着剑造工艺的进展，系统整体 结构已形成了一个独立的学科。其中，在仪器设计领域应用多微处理器系统体系 结构的核心内容是多微处理器系统物理的硬件结构、各组成部分的属性以及这些 部分的相互联系和控制【3 0 】。它可以分为系统体系结构和实现体系结构两个方面。 具体地说，它是从信息处理和数据建模等基本功能需求出发，研制或选择适当的 多微处理器系统结构模型，在系统结构上解决好微处理器、存储器和输入输出设 备之间的组合与互连关系，以期望在系统资源增长时使机器的性能相应提高是多 微处理器系统体系结构研究的主要阔题，具体涉及体系结构与互连、性能评份方 浙江大学博士掌位论文 法、系统组成与控制和呵靠性几个部分3 0 , 3 6 - 3 9 1 。 1 体系结构与互连 从系统体系结构角度考虑，迄今为止多微处理器系统结构模型主要有两大 类：分布式公用存储器d c m ( d i s t r i b u t e dc o m m o nm e m o r y ) 模型和共享公用存 绪器s c m ( s h a r e dc o m m o n m e m o r y ) 模型；从系统的耦合程度看，多微处理器 系统可以根据系统耦合程度的高低可分紧耦合( t i g h t l yc o u p l e d ) 和松耦合 fl o o s e l yc o u p l e d ) 系统：从微处理器之间的信息交换模式看，有基于共享变量 s m ( s h a r e d m e m o r y ) 或消息传递m p ( m e s s a g ep a s s i n g ) 方式 2 9 - 3 0 j 。 其中，s c m 多微处理器模型有三种m 删；均匀存储器存取u m a ( u n i f o r m m e m o r ya c c e s s ) 模型、非均匀存储器存取n u m a ( n o n t m i f o r mm e m o r y a c c c s s ) 模型、只用高速缓冲存储器的存储器结构c o m a ( c a c h eo n l ym e m o r y a r c h i t e c t u r e ) 模型。 在l i m a 多微处理器系统模型中，虽然每个微处理器结点本身可以拥有高速 缓稃，但所有共享存储器由系统中所有微处理器结点均匀共享，且外设也可以按 定的形式共享，所有微处理器结点对所有存储器具有相同的存取时闻。当系统 中所有的微处理器结点都能同样访问所有的外围设备时，系统被称为对称 ( s y m m e t r i c ) 多微处理器系统。此时所有微处理器结点都能平行地执行程序； 否则称为不对称( a s y m m e t r i c ) 多微处理器系统，此时只有其中的一个微处理器 结点可执行主导程序，麓运行操作系统鞠操缎龄围诱备，：弗貉药主( m a s t e r ) 微 处理器结点，其余的微处理器结点则被称为从( s l a v e ) 微处理器锸点，且在主 微处理器结点的管理下执行被分配的从属功能程序。 在n u m a 多微处理器系统模型中，系统的共享存储器在物理上是分布在所 有微处理器结点的本地存储器上，同时系统也允许配置全局存储器，这些本地存 储器和全局存储器共同组成了全局地址空间，可以被系统中的所有微处理器结点 访问。系统中的全局存储器的访问时间随着存储器的位置不同而有变化，访问系 统中的存储器有三种模式：微处理器结点访问本地存储器的速度最快，其次是访 问全局存储器，访问属于另一个微处理器结点上的远程存储器最慢。通过设置存 储器的访问权限，n u m a 模型还可以演化为共享存储器和预先指定访闯权限的 局部存储器的混合结构。 c o m a 模型是n u m a 摸型的一种特例，该模型将n u m a 中的分布主存储 器换成了高速缓存，在每个微处理器结点上没有存储器的层次结构，高速缓存 组成了系统的全局地址空间。该多微处理器系统模型存在数据一致性问题，需要 专门的硬件和协议来解决其数据一致性【4 l 】。 多微处理器结点之间的拓扑结构和互连形式是决定多微处理器系统性能的一 个重要因素 2 9 1 。按照系统拓扑结构和互连方式的不同，系统有总线型、环形互连 型、交叉7 f 关型、多端口存贮器型、多级互连型和开关枢纽结构型等几静具体形 第一章壕述 式。 在多微处理器系统的体系结构设计中，可以综合采用d c m 和s c m 模型 并通过层次结构将系统中的微处理器结点相互连接起来。 2 性能评价方法 前已述及，多微处理器系统是一个复杂的大系统，系统性能评价( s y s t e m p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ) 是多微处理器系统设计的一个重要方面，其目的是指导 系统硬件和操作系统的设训、指导系统结构的设计、为系统性能的优化和改进提 供依据 4 2 , 4 3 t 。迄今为止，多微处理器系统的性能评价有两种方法【4 2 “】：测量 ( m e a s u r e m e n t ) 和仿真( s i m u l a t i o n ) 。 测量是在系统设计完成并实现后对系统的性能进行整体或局部测量，由此确 定其实际性能的方法。它可以确切地获得系统的实际性能。但存在以下两个方面 的局限性雌” ： 首先，测量必须在系统设计完成并实现以后才能进行，这需要大量时间和专 用测试设备。一旦发现性能闽题，再进行改进就需要额外豹研制时闻，而且也难 以保证一次成功。因此时间、费用和代价往往很高，而且可能会大大延长整个系 统的设计和实现过程。 其次，如上所述若等系统设计完成并实现以后通过测量发现其性能不能达 到预期的设计要求，此时所能采用的补救手段只能是采用更高性能的器件或模块 等，这不仅损害了原始系统设计方案的简洁性和完整性，而且也提高了系统的成 本，更重要的是系统一旦实现以后有些系统设计参数是很难甚至无法改变的，如 果 ：述补救措施还是不髓达到要求。是髓将原设计方案推倒重新设计，这样既增 加了设计费用又损失了时间。显然，这是一种已经过时的设计方法。 目前，仿真技术在各种设计过程中获得了广泛的应用，贯穿应用于复杂系统 设计的全过程。多微处理器系统的性能仿真是指对多微处理器系统的结构进行抽 象，建立与系统相对应的模型，并通过模拟实验和模型计算而获得系统的性能的 方法旧“ 。性能仿真既可以用于系统设计前的结构模型选择，又可以应用于系统 故计过程中系统结构参数优化，还可以应用于系统设计并实现后的瓶颈分析、消 除和改进p 3 m 】。 多微处理器系统性能仿真技术主要有三类：随机p e t r i 网络( s p n ，s t o c h a s t i c p e t r in e t s ) i s o , ”j 、马尔可夫链m c ( m a r k o v c h a i n s ) t s 2 , s j l 和t 排队网络q n ( q u e u e i n g n e t w o r k ) 洳觏。 s p n 仿真采用图形工具精确描述系统操作，自动根据图形描述获得模型解而 获得多微处理器系统性能。该方法的最大优点是对系统设计者要求甚低，几乎可 阻不具备建模经验。但其致命缺点是随着多微处理器系统规模的增大其相应的状 惫数呈指数级别增长，图形表示就会变得越来越不方便，且系统分析越来越困难 浙江大掌博士掌位论文 一_h一 和烦琐。 m c 仿真只适合于评价小规模多处理器系统。和s p n 类似，随着多微处理器 系统规模的增大其相应的m c 模型状态数增长非常快，虽然可以通过状态合并 来减少其m c 状态的数目，但在实际应用中需要相当的技巧，且非常花费时间； q n 仿真采用随机服务系统理论和模型描述多微处理器系统结构。闭合形式 ( c l o s e f o r m ) 的q n 系统特别适合于分析和评价基于总线拓扑结 句的多微处理 器系统。只要系统的体系结构不发生改变，系统的模型作适当修改，就可以适合 f 分析新研制的系统。 系统可靠性仿真可以采用的方法主要有：马尔可夫( m a r k o v ) 状态图分析法、 司靠性框图分析法、事件树分析法、蒙特卡洛模拟法和自定义结构法五种。 可定箭的平均值分析c m v a ( c u s t o m i z e dm e a nv a l u ea r t a l y s i s ) 法是近年来 才发展起来的q n 新方法，其有较高的耩菠和速度，特别适合于小规模基于总线 拓扑结构的多微处理器系统和计算枕网络系统的性能仿囊p ”目，丽马尔可夫状态 图分卡厅法比较适合于基于总线拓扑结构的多微处理器系统的可靠性分析时“】。 3 可靠性 各类仪器系统的实际应用和发展历史表明，可靠性技术是信息处理系统设计 与实现中的一个重要问题。当前，信息处理蘩统的嫒耱麴姑蟋溺或煮藤镦处理器 芯片组合为核心，为了提高系统的信息处理能力，微处理器芯跨的誊颧在雨断撮 高，且系统的复杂性也日益增加。为了使系统的可靠性不随系统信息处理能力的 提高而下降，必须对系统的可靠性进行精心设计，否则核心部分的一个微小故障 部司能导致难以预测的严重后果。容错( f a u l tt o l e r a n c e ) 技术是提高复杂系统 可靠性的主要手段之一，其实际效果远远超过避错( f a u l ta v o i d a n c e ) 技术旧。 赛错允许系统在运行过程中发生一定的差错或局部故障时仍然能保持正常工 作而不影响正确结果的一种性能和措施，其实质是使用尚不够可靠的元件( 或模 块) 来建造可靠系统的闯题，目前容错技术在许多领域中获得了广泛的应用。有 文献报导i ，一个完整的容错系统大体上包括1 0 个部分：故障检测、故障屏 蔽、放障限制、复执、故障诊断、系统重新配置、系统恢复、重新启动、系统修 复、系统重新组合。但是，我们认为容错系统的核心技术应包括性能监测、故障 寻迹、故障诊断、故障隔离、系统重组或功能维持等几个方面。显然，不同容错 系统的可靠性要求各不相同，但系统故障诊断技术取系统容错技术是共性要求。 系统故障诊断技术主要包括故障检测和定位、故障评价和故障决策处理三个 方面e - 7 0 1 。虽然在不同的容错系统中其侧重点和内容各有不同，但故障检测是故 障诊断的实质性的一环。故障根据其时间特性可以分为早期故障、偶发性故障 和时效故障三大类，各有相应的处理方法和对策。限于本文的研究重点和论文工 作时间的限制，本文将故障诊断作为一个综合问题来处理。换句话说，假定可以 第一章练避 采用的技术都能及时解决隐含的可预见性故障，剩下的故障显然是无法预见的， i 因此必须应用故障诊断技术。故障诊断需要综合利用硬件和软件技术，大致有信 r r l ，级故障检测、功能级故障检测和周期性系统诊断三种策略m 】。其中，信号级检 测技术是检测实时运行过程中硬件故障的有效方法，但对软件故障无能为力；功 能级检测技术可以及时发现信号级漏检的实时运行故障，即大多数属于程序对随 机性数据逻辑设计的错误，这是软件容错技术中通常采用的故障检测方法：周期 性系统诊断可以解决功能级故障检测所不能解决的系统外设( 如传感器等) 的故 障检测，并实现故障的精确定位。在具体实现过程中，主要有白检、比较、编码、 基于系统特征量、和基于物理功能模型等方法 7 1 , 7 2 。 系统容错技术的基本指导思想是利用资源冗余技术来达到隔离或弱化故障的 影响，从而达到自动恢复、或实行降级运行、甚至安全停机的目的口”。在具体实 现过程中往往会运用软硬件相结合的容错设计方法，其中硬件容错技术的基本方 法主要是硬件冗余、超时、失效模块独立、故障冻结与隔离等，软件容错主要 有设置监测点( c h e c k - p o i n t ) 、恢复块( r e c o v e r y b l o o k ) 、n - 版本编程( n v e r s i o n p r o g r a m m i n g ) 和一致性恢复块( c o n s c t s u sr e c o v e r yb l o c k ) i 强嘲。 系统容错设计必须兼顾系统开销、纠错速度、系统资源利用率和故障处理能 力等凡方面盼闯题，在具体应用中，系统故障诊断和系统容错技术的采用应该根 据所研究问题的要求进行有针对性的系统设计，以求性能价格比最优【7 7 , 7 8 。 4 系统组成和控制 多微处理器系统的组成和控制是在系统体系结构确定并实行功能分解后，在 划分硬件子系统的功能和概念结构基础上，研究各组成部分的构成、相互联系和 控制，以求实现仪器各种功能和特性，并综合实现系统所确定的结构【”。这种互 连结构包括各功能部粹的配鬻、相蔑连接和相互作用，各功能部件的性能参数相 互匹配是研究多微处理器系统组成和控制合理挂的重要标志 7 9 , 8 0 。 总线型多微处理器系统( b u s - o d e n t o dm u l 垃p r o c e s s o rs y s t e m ) 是多微处理器 系统的一种重要互连形式p 】。目前国际上已提出了大量可供应用的总线标准和协 议，其中许多己被国际标准采纳或推荐【b 1 “i 。就目前已实现的多微处理器系统来 看，其中绝大多数中、小规模多微处理器系统均采用总线的多微处理器系统【b 1 。 多微处理器系统由两个或两个以上徽处理嚣模块，存储器模块、i 0 设备单 元和通讯网络几个基本组成部分相互连接而成。模块化和层次结构是系统各组成 部分有效的设计方法。 总线型多微处理器系统互连和管理涉及的范围很广，其中的关键问题主要有 两个方面：总线仲裁9 ”和微处理器间的信息交换”1 0 l 】。 总线型多微处理器系统存在着使用共享总线所引起的冲突和竞争问题，因此 总线仲裁的核心是实现总线控制权的管理，按照优先级授权使用共享总线，有序 地从一个微处理器向另一个微处理器转移。总线仲裁机制包括总线伸裁策略、总 9 浙江大掌博士掌位论文 线分配策略利总线仲裁方式i 个方面的内容 9 5 9 7 】。其中，总线仲裁策略有静态和 动态仲裁两种；总线分配策略包括带优先权和平均分配两种；总线仲裁方式包括 分布式和集中式两种仲裁方式】。仲裁机制的性能包括合理、平行、灵活和速度 p q 个方咖，同时尚须兼顾可实现性和可扩展性。 总线型多微处理器系统的信息交换存在多样性特点，交换量差别悬殊，多则 f 二二f 个数据，少则只有一个或几个状态参数或控制信号艘】。共享变量和消息传 递是多微处理器系统信息交换的两种主要方式，前者要求通信子任务通过使用共 享存贮器中的共享变量来实现信息交换，其特点是每次只能被一个子任务所使 用，当两个或两个以上的子任务要同时使用某一共享变量时，必须采用同步与互 斥措施。后者由系统提供两个通信原语：s e n d 和r e c e i v e ，它们不通过共享存贮 器中的共享变量，而是由操作系统提供通信信道，以实现予任务问的通信。上述 两种方式并不互相排斥，可以同时使用。信息交换机制必须能够满足微处理器模 块内和各微处理器模块问的信息交换的多样性。 近二十午来，随着微电子技术的飞速发展，通用徽楚理器及荚组合芯片基本 上二遵循m o o r e 定律的发展规律，且配套的通用和专用接口芯片也层出不穷。因 此，采用通用微处理器及其接口芯片来设计和构造多微处理器系统是一个颇具吸 引力的方案 7 9 1 。目前国外在采用通用微处理器及其接口芯片构造多微处理器系统 方面投入了大量的人力、物力和财力，提出了多种体系结构的多微处理器系统， 其中部分已研制出实验样机甚至商品化8 删。相比之下，国内起步较晚，但最近 几年也取得了一些可喜的进展 9 3 删，而属于高档现代仪器系绕使瓣的瓣寒瓢技术 进展却鲜有报导。 迄今为止，多微处理器系统的研究主要集中在离性能计算机系统领域e 随着 硬件技术的迅速发展，构造多微处理器系统的可行性显著增加，目前在许多应用 领域，多微处理器技术已经得到应用和发展。在仪器系统中采用多微处理器体系 结构是构造高性能现代仪器系统的重要发展方向。在国外，多微处理器仪器系统 技术得到了广泛的应用和发展s 1 8 t ，“，国内这方面的研究初现端倪陆”“蛔- 1 2 2 多微处理器仪器实时操作系统 多微处理器仪器操作系统是管理多微处理器系统硬件、调度程序运行、提供 友善的人机界面和为系统功能提供支持的种系统软件。而实时多微处理器仪用 操作系统有其独特的内容和要求。 h 前，在多微处理器系统中采用的操作系统基本上有三种结构：主扶结构 ( m a s t e r s l a v e ) 、浮动执行结构( f l o a t i n g e x e c u t i v e ) 、对称多线程结构( s y m m e t r i c m u l t i t h r e a d ) f 1 “1 0 8 | 。 l o 第一， 垛述 在主从结构中，系统指定一个特定的微处理器结点为主微处理器结点，由它 负责对全系统的执行进行控制，从微处理器结点只运行主微处理器分配给它的任 务。操作系统只在主微处理器结点上运行，由它负责管理系统中所有资源和其它 微处理器( 从微处理器) 的运行及给所有的从微处理器结点分配任务。 在浮动执行结构中若干台微处理器结点可