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并行實(shí)時(shí)處理系統中總線(xiàn)仲裁問(wèn)題的研究及實(shí)現
作者：
時(shí)間：2012-12-04
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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1、引言
目前，DSP（數字信號處理器）在信號處理領(lǐng)域，尤其是在雷達信號和圖象信號處理方面正在被廣泛的使用，許多信號處理板都采用DSP為核心處理芯片，然而，隨著(zhù)對于信號處理板的處理能力要求越來(lái)越高，例如，對于高幀數、大尺寸的圖象序列的實(shí)時(shí)處理，往往要求每秒幾十億次的運算能力，目前單片DSP的運算能力不可能滿(mǎn)足其要求，通常需要信號處理板在設計時(shí)采用多DSP并行處理結構，以滿(mǎn)足系統對運算量的要求。在這種多DSP并行處理結構下，多個(gè)DSP之間通常通過(guò)共享總線(xiàn)來(lái)實(shí)現相互間或和外部設備的數據和控制/狀態(tài)字傳遞，這時(shí)，系統需要建立一種總線(xiàn)仲裁機制，來(lái)保證多個(gè)DSP在使用總線(xiàn)時(shí)不會(huì )發(fā)生沖突和競爭，尤其是在實(shí)時(shí)處理環(huán)境下，更有必要保證總線(xiàn)控制權在各個(gè)DSP之間可靠的轉移，為處理器間實(shí)時(shí)數據交換提供保證。如果數據傳輸一旦發(fā)生故障，將會(huì )導致系統運行遲滯或癱瘓。因此，總線(xiàn)仲裁機制設計的合理與否，會(huì )直接影響到系統運行效率和可靠性。所以在系統設計中，要充分考慮到總線(xiàn)操作問(wèn)題，這是一個(gè)十分重要的環(huán)節。
2、多DSP并行處理系統結構介紹
系統結構如圖1所示：
該系統是一種分布式多指令，多數據（MIMD）處理系統。其中功能模塊包括：多個(gè)DSP構成的處理器模塊、共享存儲器模塊、輸入/輸出設備、主機。這些模塊都通過(guò)共享總線(xiàn)相連接。其中每個(gè)DSP中又包括運算單元、片內存儲器、片內輸入/輸出單元、仲裁邏輯單元以及總線(xiàn)接口。由于每個(gè)DSP中有容量較大的局部存儲器，所以各DSP的指令和數據基本上從各自的局部存儲器里存取，這樣就會(huì )大大減輕共享總線(xiàn)的負荷。
系統工作的方式為主從協(xié)同方式，即系統啟動(dòng)后，主處理器優(yōu)先權最大，由它控制總線(xiàn)，負責整個(gè)系統的初始化、數據程序配置、與主機通信等，并參與運算工作。各個(gè)從片的優(yōu)先權要比主片小，通常只參與運算工作。
如果在將DSP之間通過(guò)其他外部端口如鏈路口相互鏈接，那么將使整個(gè)系統體現出一種柔性結構，即處理系統結構和工作方式可以通過(guò)軟件設置來(lái)實(shí)現變更而無(wú)需更改硬件設計。
例如，通過(guò)軟件設置，可以定義各個(gè)DSP間相互工作協(xié)調方式，如并行與串行的轉換；可以方便的分配各個(gè)DSP的工作量，并可以實(shí)現主從處理器間的調換，根據需要將從處理器升級為主處理器，負責整個(gè)系統的調配。在系統偵測到某個(gè)DSP發(fā)生故障時(shí)，可以通過(guò)軟件設置，隔離有故障的處理器，從而實(shí)現系統的帶故障運行，提高了整個(gè)系統的可靠性。這些操作都將涉及到對系統共享總線(xiàn)的操作，其中會(huì )遇到的問(wèn)題將在下面進(jìn)行描述。
3、總線(xiàn)操作問(wèn)題的分析和解決思路
3．1總線(xiàn)操作問(wèn)題的描述
在上面圖1所示的系統中，多片DSP工作時(shí)，通常需要進(jìn)行處理器間數據，狀態(tài)/控制字的相互傳遞，以及和主機交換數據，向共享存儲器存取數據，從輸入設備輸入數據，向輸出設備發(fā)送數據等操作，這些操作將不可避免地會(huì )使用到總線(xiàn)。尤其在實(shí)時(shí)環(huán)境下，當這些操作被要求在某個(gè)有限的時(shí)段內必須完成。這中情況下的的總線(xiàn)操作就遇到了如下的問(wèn)題：
（1）多個(gè)占用總線(xiàn)的操作同時(shí)發(fā)生時(shí)，如果調配不當，常常會(huì )發(fā)生總線(xiàn)沖突，如何避免總線(xiàn)沖突？
（2）當一個(gè)操作占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(cháng)，其操作的總線(xiàn)請求得不到響應，往往導致總線(xiàn)死鎖情況的發(fā)生，應采用什么措施來(lái)解決總線(xiàn)死鎖問(wèn)題？
（3）當某個(gè)緊急情況發(fā)生，需要立刻占用總線(xiàn)，但當前的操作還未釋放總線(xiàn)，如何使這個(gè)緊急的操作在最短時(shí)間內獲得總線(xiàn)的控制權？
上述問(wèn)題在系統板上運行時(shí)的具體表現就是程序運行的不穩定，時(shí)常意外死機。要解決以上問(wèn)題，就必須在系統中建立一個(gè)可靠的總線(xiàn)仲裁機制，合理的調度各種總線(xiàn)操作，使其不發(fā)生沖突，快速、正確的完成各自的工作。接下來(lái)就對多處理器系統中總線(xiàn)仲裁機制進(jìn)行一下分析。
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