并行實時處理系統中總線仲裁問題的研究及實現
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目前，DSP（數字信號處理器）在信號處理領域，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，隨著對于信號處理板的處理能力要求越來越高，例如，對于高幀數、大尺寸的圖象序列的實時處理，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足其要求，通常需要信號處理板在設計時采用多DSP并行處理結構，以滿足系統對運算量的要求。在這種多DSP并行處理結構下，多個DSP之間通常通過共享總線來實現相互間或和外部設備的數據和控制/狀態(tài)字傳遞，這時，系統需要建立一種總線仲裁機制，來保證多個DSP在使用總線時不會發(fā)生沖突和競爭，尤其是在實時處理環(huán)境下，更有必要保證總線控制權在各個DSP之間可靠的轉移，為處理器間實時數據交換提供保證。如果數據傳輸一旦發(fā)生故障，將會導致系統運行遲滯或癱瘓。因此，總線仲裁機制設計的合理與否，會直接影響到系統運行效率和可靠性。所以在系統設計中，要充分考慮到總線操作問題，這是一個十分重要的環(huán)節(jié)。
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。這些模塊都通過共享總線相連接。其中每個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接口。由于每個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，這樣就會大大減輕共享總線的負荷。
系統工作的方式為主從協同方式，即系統啟動后，主處理器優(yōu)先權最大，由它控制總線，負責整個系統的初始化、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之間通過其他外部端口如鏈路口相互鏈接，那么將使整個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軟件設置來實現變更而無需更改硬件設計。
例如，通過軟件設置，可以定義各個DSP間相互工作協調方式，如并行與串行的轉換；可以方便的分配各個DSP的工作量，并可以實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，負責整個系統的調配。在系統偵測到某個DSP發(fā)生故障時，可以通過軟件設置，隔離有故障的處理器，從而實現系統的帶故障運行，提高了整個系統的可靠性。這些操作都將涉及到對系統共享總線的操作，其中會遇到的問題將在下面進行描述。
3、總線操作問題的分析和解決思路
3．1總線操作問題的描述
在上面圖1所示的系統中，多片DSP工作時，通常需要進行處理器間數據，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使用到總線。尤其在實時環(huán)境下，當這些操作被要求在某個有限的時段內必須完成。這中情況下的的總線操作就遇到了如下的問題：
（1）多個占用總線的操作同時發(fā)生時，如果調配不當，常常會發(fā)生總線沖突，如何避免總線沖突？
（2）當一個操作占用總線時間過長，其操作的總線請求得不到響應，往往導致總線死鎖情況的發(fā)生，應采用什么措施來解決總線死鎖問題？
（3）當某個緊急情況發(fā)生，需要立刻占用總線，但當前的操作還未釋放總線，如何使這個緊急的操作在最短時間內獲得總線的控制權？
上述問題在系統板上運行時的具體表現就是程序運行的不穩(wěn)定，時常意外死機。要解決以上問題，就必須在系統中建立一個可靠的總線仲裁機制，合理的調度各種總線操作，使其不發(fā)生沖突，快速、正確的完成各自的工作。接下來就對多處理器系統中總線仲裁機制進行一下分析。
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