具有硬件互斥的控制電路設(shè)計(jì)方法

　　在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，硬件互斥現(xiàn)象是很常見(jiàn)的，互斥電路功能可用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用系統(tǒng)加軟件實(shí)現(xiàn)。用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)指定的控制功能比用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性好，處理速度更快得多。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展，用硬件來(lái)處理特定的功能的發(fā)展趨勢(shì)日趨明顯，隨著SOPC技術(shù)的發(fā)展，軟體的硬化已日益成為人們研究的熱點(diǎn)，專用功能的ASIC芯片越來(lái)越多。在進(jìn)行計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，互斥理論用來(lái)處理并發(fā)過(guò)程對(duì)臨界資源的共享；在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，電路的不同邏輯狀態(tài)也常有互斥現(xiàn)象。如多個(gè)輸入信號(hào)共享一個(gè)處理電路而輸入信號(hào)同時(shí)作用于電路或多個(gè)信號(hào)同時(shí)互斥作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同樣控制系統(tǒng)內(nèi)的互斥同步也可以用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，研究其互斥同步的硬件實(shí)現(xiàn)的理論和方法，則有追求高穩(wěn)定性、高處理速度的重要意義。硬件實(shí)現(xiàn)互斥同步速度快，穩(wěn)定性高，不必浪費(fèi)CPU的指令周期，但另一方面硬件實(shí)現(xiàn)功能固定，升級(jí)不方便，功能的軟體化與軟體的硬化是互相矛盾的兩個(gè)相對(duì)的方向。采用何種方法取決于被控對(duì)象和控制功能，控制功能專一，變化不頻繁，控制對(duì)象要求穩(wěn)定性高則用硬件實(shí)現(xiàn)；控制功能易變，被控對(duì)象復(fù)雜，則用軟件實(shí)現(xiàn)。自1962年T.Dekker提出多處理器互斥問(wèn)題以來(lái)，經(jīng)Edsger Dijkslra，Donald Knuth，Leslie Lamport，Gray Peterson等人的研究，已形成系統(tǒng)的理論，而互斥同步的硬件實(shí)現(xiàn)雖然業(yè)界早已有自覺(jué)或不自覺(jué)的實(shí)踐，但尚為形成理論化的成果。硬件互斥理論及其設(shè)計(jì)方法是數(shù)學(xué)理論，控制理論，算法的綜合，它的發(fā)展依賴于業(yè)界及學(xué)界大量的實(shí)踐及研究。

　　互斥理論基礎(chǔ)

　　互斥理論用來(lái)研究解決計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)程的并發(fā)與資源的共享的矛盾。并發(fā)性、共享性、不確定性是操作系統(tǒng)的主要特性，因此并發(fā)進(jìn)程之間必須相互制約。一次僅允許一個(gè)進(jìn)程使用的資源稱為臨界資源，在每個(gè)進(jìn)程中訪問(wèn)臨界資源的那段程序代碼稱為臨界區(qū)。若能保證諸進(jìn)程互斥地進(jìn)入自已的臨界區(qū)，便可實(shí)現(xiàn)它們對(duì)臨界資源的互斥訪問(wèn)。進(jìn)程互斥就是兩個(gè)進(jìn)程不能同時(shí)訪問(wèn)同一臨界資源的臨界區(qū)的現(xiàn)象。這種制約關(guān)系又可分為直接相互制約和間接相互制約。直接相互制約源于多個(gè)進(jìn)程相互合作完成某一項(xiàng)任務(wù)，一組在異步環(huán)境下的并發(fā)進(jìn)程，各自的執(zhí)行結(jié)果互為對(duì)方的執(zhí)行條件，從而限制各進(jìn)程的執(zhí)行速度的過(guò)程稱為并發(fā)進(jìn)程的直接制約。直接制約的并發(fā)進(jìn)程相互合作的制約關(guān)系稱為同步關(guān)系。間接相互制約源于資源共享，由于共享某一公有資源而引起的在臨界區(qū)內(nèi)不允許并發(fā)進(jìn)程交叉執(zhí)行的現(xiàn)象，稱為由共享公有資源而造成的對(duì)并發(fā)進(jìn)程執(zhí)行速度的間接制約。這種制約關(guān)系稱為互斥(MutualExclusion)。

　　為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥的同步，操作系統(tǒng)的進(jìn)程同步機(jī)制必須遵循如下準(zhǔn)則：空閑讓進(jìn)，忙則等待，有限等待，讓權(quán)等待?；コ馔降谋举|(zhì)就是合理地為互斥進(jìn)程分配臨界資源。在軟件領(lǐng)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)互斥編程的算法有銀行家算法，生產(chǎn)者-消費(fèi)者算法等，而在硬件設(shè)計(jì)中，軟件的方法可以借鑒和參考。需要對(duì)硬件互斥象進(jìn)行分析和轉(zhuǎn)換，進(jìn)行一些抽象化和具體化的過(guò)程。

　　邏輯電路互斥分析

　　邏輯電路的互斥分為兩種情況。其一：電路的多個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)作用于控制電路則會(huì)引起輸出的混亂或誤動(dòng)作，另一方面，一個(gè)產(chǎn)品具有多種功能，而這些功能不能在同一時(shí)刻在該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，這種互斥現(xiàn)象本文定義為輸入互斥(Input-Mutual-Exclusion)，亦即多個(gè)輸入信號(hào)對(duì)其臨界處理電路的互斥共享。如鍵盤(pán)編碼控制電路、多線組合邏編碼器、CPU的數(shù)據(jù)總線控制電路、內(nèi)存讀寫(xiě)控制線路。前兩者屬于組合邏輯電路的互斥，后兩者屬于時(shí)序邏輯電路的互斥。其二：電路的多個(gè)輸出部件作用于同一資源會(huì)引起系統(tǒng)的誤動(dòng)作或燒毀系統(tǒng)設(shè)備。這種互斥現(xiàn)象本文定義為輸出互斥(Output-Mutual- ExcIusion)，亦即多個(gè)輸出信號(hào)對(duì)其臨界的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的互斥共享。如多個(gè)控制電路作用于同一執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)，又如前述的CPU的數(shù)據(jù)總線控制電路、內(nèi)存讀寫(xiě)控制線路從控制電路的輸出端看亦可歸入此類。輸人互斥和輸出互斥本質(zhì)上是無(wú)區(qū)別的，只是針對(duì)不同的電路部分而言，對(duì)于接收輸入信號(hào)的控制部分被共享則是輸入互斥，控制部分輸出多個(gè)信號(hào)共享系統(tǒng)外的臨界資源則是輸出互斥，這種劃分是基于系統(tǒng)的控制部分而言的。硬件系統(tǒng)互斥抽象地是信號(hào)(調(diào)用信號(hào)、請(qǐng)求信號(hào))與臨界資源(信號(hào)處理電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等)的互斥共享。因此，將共享訪問(wèn)或使用臨界資源的互斥信號(hào)定義為硬件互斥系統(tǒng)的顧客；一個(gè)被共享使用且具有一定功能的臨界資源體為服務(wù)者(executive-waiter)；將信號(hào)與臨界資源的各種組合名為狀態(tài)(state)。

　　互斥電路同步的設(shè)計(jì)方法

　　對(duì)于互斥電路同步的設(shè)計(jì)，需要對(duì)硬件互斥象進(jìn)行分析和轉(zhuǎn)換，進(jìn)行一些抽象化和具體化的過(guò)程。抽象化和具體化是邏輯思維的兩個(gè)相反過(guò)程，是人類進(jìn)行理性思維與科學(xué)研究的一般模式。抽象化是通過(guò)分析和綜合，建立起普遍適合于被研究對(duì)象的一般模型，并建立模型的普遍算法；具體化是從已建立的抽象模型出發(fā)，用之指導(dǎo)研究具體的對(duì)象，完成具體的認(rèn)識(shí)和進(jìn)行具體實(shí)踐。在硬件系統(tǒng)的互斥同步設(shè)計(jì)的同時(shí)，從具體到抽象的過(guò)程為：分析所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的功能，指出哪些信號(hào)為顧客，那些資源為服務(wù)者，確定互斥體為何物，何為信號(hào)量，并劃分互斥過(guò)程為先后相繼的序列狀態(tài)；用已有的軟件互斥理論的模型來(lái)分析硬件互斥問(wèn)題，并設(shè)計(jì)出其互斥進(jìn)程同步程序的偽代碼，如此建立起其軟件互斥的模型和算法，即完成了從具體到抽象的思維過(guò)程。設(shè)計(jì)的具體化過(guò)程則如此：將互斥狀態(tài)轉(zhuǎn)為邏輯狀態(tài)，將互斥進(jìn)程的請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為互斥的邏輯信號(hào)，將互斥體具體化為某個(gè)元件或某個(gè)電路部分電路的信號(hào)(Mutex)，在Mutex作用下，各個(gè)互斥信號(hào)可實(shí)現(xiàn)互斥同步，若互斥過(guò)程有時(shí)間的分配，則Mutex與延時(shí)電路合一。信號(hào)量由傳感器產(chǎn)生或由延時(shí)電路產(chǎn)生，它控制Mutex的翻轉(zhuǎn)，將互斥進(jìn)程同步過(guò)程具體化為系統(tǒng)硬件的邏輯動(dòng)作，這一過(guò)程既要進(jìn)行邏輯思維，也要進(jìn)行創(chuàng)造性的想象。不同的互斥現(xiàn)象的硬件實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)有所差別。對(duì)于輸入互斥電路，在同步的實(shí)現(xiàn)方法上，分析其互斥關(guān)系，組合關(guān)系的互斥無(wú)時(shí)序限制，其狀態(tài)的轉(zhuǎn)換以輸入為條件，可以用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)，通過(guò)規(guī)定輸入信號(hào)的優(yōu)先級(jí)別和邏輯功能的真值表，按優(yōu)先級(jí)別分配臨界資源，然后用卡諾圖來(lái)設(shè)計(jì)其實(shí)現(xiàn)電路。如優(yōu)先編碼器，對(duì)輸出同為0的兩種輸入狀態(tài)選用其中一個(gè)由各輸入信號(hào)組合輸出信號(hào)作為輸出使能信號(hào)實(shí)現(xiàn)互斥同步。然而，多數(shù)互斥具有時(shí)序關(guān)系，其狀態(tài)的轉(zhuǎn)換與時(shí)間有關(guān)，必須通過(guò)時(shí)序電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)增加時(shí)鐘信號(hào)、使能信號(hào)、片選信號(hào)或其他指令信號(hào)作為輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)臨界資源的加鎖-解鎖，使之協(xié)調(diào)各級(jí)與門(mén)或三態(tài)門(mén)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)互斥同步：對(duì)于CPU的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線通過(guò)軟件的指令來(lái)完成，對(duì)于內(nèi)存單元，互斥通過(guò)讀與控制線和地址總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　輸出互斥類似于操作系統(tǒng)進(jìn)程的間接互斥，發(fā)生在控制部件之外，輸出信號(hào)之間具有互為條件的邏輯關(guān)系，如機(jī)床的聯(lián)動(dòng)控制，即一個(gè)狀態(tài)是另一個(gè)狀態(tài)使用臨界資源的條件，有時(shí)條件還有優(yōu)先次序。對(duì)于輸出互斥可設(shè)立一個(gè)控制部件，產(chǎn)生符合邏輯功能的具有互斥狀態(tài)的互斥信號(hào)或互斥函數(shù)，類似于操作系統(tǒng)的互斥變量 (Mutex)，用以控制輸入信號(hào)的作用狀態(tài)或作用時(shí)間。這一互斥變量可以是一個(gè)延時(shí)部件的控制信號(hào)，也可以是一個(gè)組合邏輯部件的控制信號(hào)如觸發(fā)器組件或具有CPU的智能部件的輸出信號(hào)。

　　對(duì)于具有復(fù)雜的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系的互斥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以使用Petri Net和有限狀態(tài)機(jī)FSM來(lái)分析。兩者都是軟件工程里的圖形工具方法，也可以用來(lái)為解決互斥狀態(tài)建模。有限狀態(tài)機(jī)已為人所熟知，而Petri Net對(duì)于硬件工程帥也許比較陌生。PetriNet圖包含四個(gè)元素：Place，Transition，Arc和Token。Place是一種狀態(tài)，中文意譯為"所"，一般用圓圈表示。Transition是一個(gè)狀態(tài)向另一狀態(tài)轉(zhuǎn)移的過(guò)程，用矩形框表示，中文意譯為"遷移"。Arc豐要是連接Place 及Transition的一個(gè)有方向的線段，可以從Place指向Transition或從Transition指向Place，但Place與 Place或Transition與Transition之間不能有Arc相連，因?yàn)樗臓顟B(tài)不能直接變成另一個(gè)狀態(tài)，中間一定要經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)程，而過(guò)程與過(guò)程之間也會(huì)存在著一種狀態(tài)。Token指的就是一個(gè)物件或條件，可以代表任何東西，中文意譯為"令牌"，用實(shí)心圓點(diǎn)表示。每個(gè)Place或 Transition中可以有零個(gè)或多個(gè)Token，當(dāng)Token足夠時(shí)才能由一個(gè)狀態(tài)變成另一個(gè)狀態(tài)。除了以上四個(gè)元素之外，在進(jìn)階的Petri Net中，還會(huì)給每個(gè)Token不同的顏色及屬性，還會(huì)再加上時(shí)間及階層架構(gòu)。PetriNet用來(lái)分析復(fù)雜的，動(dòng)態(tài)的硬件互斥是非常有效的工具。有限狀態(tài)機(jī)適則合于用來(lái)分析靜態(tài)的硬件互斥。

　　輸出互斥同步的實(shí)現(xiàn)實(shí)例

　　以通信機(jī)房電源自動(dòng)交替方案來(lái)說(shuō)明。功能要求：當(dāng)主電源(市電)有電時(shí)，備用電源不得接通，當(dāng)主電源無(wú)電時(shí)，備用電源自動(dòng)接通，主電源停電后來(lái)電時(shí)先斷開(kāi)備用電源，再接通主電源。這個(gè)問(wèn)題是輸出互斥問(wèn)題，可以用有限狀態(tài)機(jī)FSM分析。

　　當(dāng)主電源(main power)有電時(shí)，記為MP(1)，無(wú)電時(shí)，記為MP(0)，當(dāng)備用電源(backuppower)有電時(shí)，記為BP(1)，無(wú)電時(shí)，記為BP(0)，則其邏輯功能如表1所列。

　　從上表可知，主電源是否有電的狀態(tài)MP可作為互斥變量，可用一個(gè)中間繼電器JZ，其線胞接在豐電源上，用它來(lái)控制J1和J2的開(kāi)合，從而控制主電源與備用電源的自動(dòng)交替，J1接常閉觸點(diǎn)，MP1時(shí)斷開(kāi)，MP0時(shí)閉合，J2、J3接常開(kāi)觸點(diǎn)，在性能上J1的動(dòng)作速度要比J2快。其實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。在此MP是互斥變量，MP控制著JZ的動(dòng)作，JZ是瓦斥同步的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

　　輸入互斥同步的實(shí)現(xiàn)實(shí)例

　　要設(shè)計(jì)一個(gè)能進(jìn)行加法運(yùn)算和減法運(yùn)算的電路，就需要對(duì)輸入信號(hào)：返算輸人變量實(shí)現(xiàn)互斥，可設(shè)立一個(gè)互斥變最用來(lái)控制電路的運(yùn)算功能。根據(jù)異或邏輯的規(guī)律： L=X1⊕X2，當(dāng)X1=0時(shí)，L=X2的原碼，當(dāng)X1=1時(shí)，L=X2的反碼，因此欲用一個(gè)電路求加法和減法D=A±B，可設(shè)互斥變量Mutex與操作數(shù)B異或，Mutex=1，B為反碼，進(jìn)行減法運(yùn)算，Mutex=0，B為原碼，進(jìn)行加法運(yùn)算。A-B=A+B補(bǔ)-2n=A+B反+1-2n=D補(bǔ)。進(jìn)行減法運(yùn)算求得的是結(jié)果的補(bǔ)碼，D補(bǔ)再求一次補(bǔ)碼就的原碼，D補(bǔ)=D反+1，當(dāng)借位信號(hào)V=1時(shí)，運(yùn)算結(jié)果求補(bǔ)得原碼輸出，借位信號(hào)V=0與Mutex=0 時(shí)，運(yùn)算結(jié)果輸出為原碼。實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示，Mutex信號(hào)、各級(jí)異或門(mén)及連接的與門(mén)實(shí)現(xiàn)各輸入變量及其中間結(jié)果的互斥同步。在此，互斥變量是人為設(shè)立的，互斥機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)加法、減法對(duì)同一運(yùn)算電路的共享。

　　數(shù)字控制電路及其他控制電路除了進(jìn)行組合邏輯設(shè)計(jì)及時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)之外，有時(shí)還要考慮互斥的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，單個(gè)臨界資源的硬件互斥設(shè)計(jì)可以設(shè)立互斥機(jī)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生互斥變量或互斥函數(shù)米實(shí)現(xiàn)瓦斥同步，對(duì)于多個(gè)臨界資源的交叉互斥的互斥同步的硬件實(shí)現(xiàn)可通過(guò)一定算法進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，互斥的實(shí)現(xiàn)算法可以利用邏輯代數(shù)算法、軟件的互斥算法，數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法，算法的采用視控制功能的復(fù)雜程度而定。對(duì)于復(fù)雜的智能控制系統(tǒng)可綜合利用軟件和硬件的方法。對(duì)單一臨界資源的共享或多信號(hào)對(duì)多個(gè)臨界資源共享都存在以下規(guī)律：

　　互斥電路一定存在或可設(shè)立一個(gè)互斥變量，它通過(guò)互斥函數(shù)控制著互斥同步的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作?；コ夂瘮?shù)的輸出狀態(tài)對(duì)應(yīng)著信號(hào)對(duì)臨界資源的共享狀態(tài)，共享狀態(tài)的個(gè)數(shù)等于互斥變量的數(shù)目乘以臨界資源的數(shù)目。互斥函數(shù)的算法確定，其實(shí)現(xiàn)電路也因之而確定。