如何實現(xiàn)多CPU的單片機系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計

隨著人們生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，安全防范的問題引起了越來越多的關(guān)注。人們在承受現(xiàn)代文明所帶來的高效率、快節(jié)奏壓力的同時，都希望能擁有一個安全、舒適的家庭環(huán)境。因此，越來越多的安防產(chǎn)品應(yīng)運而生，尤其是蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代化社區(qū)物業(yè)管理，通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)把家庭和社區(qū)值班室緊密地聯(lián)系起來，給人們的生活帶來了極大的方便。但是，有些社區(qū)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)并不能完全履行其職責(zé)，存在一定的安全隱患。主要原因是目前大多數(shù)的監(jiān)控節(jié)點都是采用1個CPU完成所有的功能，包括掃描各傳輸器模塊狀態(tài)、信息處理、數(shù)據(jù)顯示、報警、與上位機通信等等。這無疑給此CPU帶來了很大的壓力：一旦出現(xiàn)故障，使得此單片機不能正常工作，則該監(jiān)控節(jié)點將完全癱瘓，報警信息將得不到有效的處理。另外，在一些實時性要求較高的多任務(wù)系統(tǒng)中，單CPU結(jié)構(gòu)也將顯得力不從心。那么，能否找到一種既簡單又經(jīng)濟的解決辦法，把目前服務(wù)器中較為流行的多CPU并行處理的設(shè)計思想融入到社區(qū)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中來呢？答案是肯定的。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，單片機的價格在不斷下降，其價格甚至比一些常用的接口芯片還要低，這就使多CPU的單片機系統(tǒng)的成本大大降低。此外，由于采用多CPU的設(shè)計思想，將使系統(tǒng)在并行處理和實時采集數(shù)據(jù)方面具有明顯的優(yōu)勢，能極大地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。尤其是對一些功能稍微復(fù)雜一點的系統(tǒng)，多CPU系統(tǒng)設(shè)計方法將更能顯示出它的優(yōu)越性。那么，如何實現(xiàn)多CPU的單片機系統(tǒng)設(shè)計呢？本文將在這方面進行一些有益的探索。

一、多CPU系統(tǒng)的設(shè)計原理

顧名思義，多CPU系統(tǒng)就是在1個系統(tǒng)中含有多個CPU。每個CPU獨立地處理1個或少量的事務(wù)，然后通信某種方法，控制數(shù)據(jù)的合理流動，以完成設(shè)計要求的系統(tǒng)。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1中可以看到，多CPU系統(tǒng)中一個非常重要的問題，是如何解決好各CPU之間數(shù)據(jù)的合理流動問題，以下是幾種常用的方法。

1.利用雙口RAM實現(xiàn)CPU之間的通信

雙口RAM是一種高速的并行傳輸芯片，是實現(xiàn)CPU之間通信的一種簡便有效的方法。常用的CMOS雙口RAM有IDT7132、IDT7142等型號。IDT7132和6116類似，都是CMOS靜態(tài)RAM，存儲容量均為2KB。不同點在于IDT7132有兩套I/O口，并有一套競爭裁決電路。因此，IDT7132內(nèi)部的2KB存儲器可以通過左右兩邊的任一組I/O口進行全異步的存儲器讀寫操作，能方便地實現(xiàn)CPU之間的數(shù)據(jù)交換。采用雙口RAM實現(xiàn)多CPU系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

利用這種方法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。CPU對IDT7132的讀寫時間小于120ns，通常為幾十ns。當(dāng)工作電源為+5V時，其讀寫的最大功耗為325mW，而在維持工作時最大功耗僅為5mW。另外，由于雙口RAM是一種通用芯片，因此，它在選擇與CPU接口時具有較大的靈活性。不過這種方法也會增加電路設(shè)計的難度和成本。

2.利用共享內(nèi)存的方法實現(xiàn)CPU之間的通信

這種方法與前面的方法類似。所不同的是，前一種方法是利用雙口RAM的一套競爭裁決電路實現(xiàn)對RAM的訪問，而這里是利用不同的時序?qū)崿F(xiàn)共享內(nèi)存的。LON網(wǎng)絡(luò)中的Neuron節(jié)點芯片設(shè)計都是采用這種方法的，其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在Neuron芯片中，每個CPU最小周期等于3個系統(tǒng)周期；每個系統(tǒng)時鐘周期等于2個輸入鐘周期；3個CPU的最小周期分別間隔1個系統(tǒng)鐘周期。這樣，每個CPU在1個指令周期內(nèi)部能訪問存儲區(qū)和ALU一次。系統(tǒng)對3個CPU采用了管道技術(shù)，在不影響性能的情況下降低硬件的需求。3個CPU可并行工作，不會造成耗時中斷和上下文切換。

利用這種方法也能夠?qū)崿F(xiàn)CPU之間數(shù)據(jù)的高速傳輸，但是，它必須制成專用芯片，把CPU和RAM等元件封裝在一起。因此，這種方法比較適合于特定的工業(yè)場合。

3.利用總線的方法實現(xiàn)CPU之間的通信

隨著總線技術(shù)的發(fā)展，使得多主多從的單片機系統(tǒng)設(shè)計變得越來越簡單。設(shè)計者只須通過接口芯片就可以將CPU掛到總線上去，實現(xiàn)CPU之間的通信，其典型的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

這種方法具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活、經(jīng)濟實惠的特點。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)量不大，速度要求不是很高的情況下，應(yīng)該是一種很好的選擇方法。值得一提的是，在這種方法中，I2C總線以其結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活、易于擴展和開發(fā)周期短的特點，越來越受到設(shè)計者的青睞。尤其目前很多單片機都帶有I2C接口，不用接口芯片就中以把CPU直接掛到總線上，使得電路設(shè)計更加簡單、經(jīng)濟。本文的多CPU系統(tǒng)也是基于I2C總線的一種安防系統(tǒng)。

二、基于多CPU下的社區(qū)安防系統(tǒng)的設(shè)計方法

1.系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的拓撲圖如圖5所示。該系統(tǒng)實際上是一個3級分布式測控系統(tǒng)。第1級由1臺安裝在社會值班室的PC機組成，是整個系統(tǒng)的核心部分。它主要負責(zé)向各家庭數(shù)據(jù)終端（HDT）發(fā)出各種命令，接收返回信息，并進行數(shù)據(jù)庫管理和報表統(tǒng)計等工作。第2級由安裝在各家庭的家庭數(shù)據(jù)終端組成，相當(dāng)于1個監(jiān)控節(jié)點。它主要負責(zé)接收PC機發(fā)來的命令和向PC機發(fā)送各檢測模塊的檢測信息，并進行顯示、報警、存儲等信息的處理。第3級由安裝在家庭各房間的各種模塊組成，包括煙感、紅外等報警模塊，水表、電表等數(shù)字模塊和家電控制的控制模塊。它主要負責(zé)檢測和控制各控制對象的狀態(tài)。

2.家庭數(shù)據(jù)終端（HDT）的功能

家庭數(shù)據(jù)終端是安裝在家庭內(nèi)部的1個監(jiān)控節(jié)點，主要執(zhí)行以下任務(wù)：（1）接收PC機發(fā)來的命令；（2）信息顯示；（3）鍵盤掃描；（4）聲光報警；（5）生成家庭狀態(tài)字節(jié)，并向PC機發(fā)送各種狀態(tài)信息；（6）報警信息儲存，即“黑匣子”功能；（7）掃描各傳感器模塊狀態(tài)。另外，HDT還應(yīng)個有可添加擴展模塊的功能。這些功能當(dāng)然可以用1個CPU實現(xiàn)，但將給CPU帶來較大的工作量，降低了系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此，我們采用多CPU的思想進行系統(tǒng)的設(shè)計。

根據(jù)HDT的功能特點，將任務(wù)分成3個部分，分別由3個CPU來完成。各CPU之間采用I2C總線進行通信，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。CPU-1專門用于與PC機的通信，包括：（1）接收PC機發(fā)來的命令，并傳送給其他CPU；（2）生成家庭狀態(tài)字節(jié)，向PC機返回信息；（3）進行聲光報警。CPU-2專門用于與第3級各模塊的通信，包括：（1）掃描各傳感器模塊的報警狀態(tài)，并及時通知其他CPU；（2）接收其他CPU傳送過來的命令，對有關(guān)控制對象進行操作；（3）向AT24C64中存儲報警記錄，包括報警類型和報警時間，實現(xiàn)“黑匣子”功能。CPU-3專門用于信息顯示和鍵盤掃描，包括：（1）接收PCF8583的數(shù)據(jù)，顯示時間；（2）接收CPU-2傳送來的信息，顯示報警類型或故障位置；（3）掃描鍵盤，并向其他CPU發(fā)送命令，完成布防、撤防、修改密碼等操作功能。在3個CPU之間，采用I2C總線進行連接；CPU選用Philips公司生產(chǎn)的P87LPC76X芯片。P87LPC76X芯片是一種20腳封裝的單片機，適合于許多要求高集成、低成本的場合，具有較高的性能價格比，是Philips小型封裝系列中的一員。它在提供很多新特征的同時，提供了I2C總線的通信接口。另外，它還提供了3個寄存器和中斷控制位以實現(xiàn)對I2C總線的操作，因此，可以很容易地利用它的I2C接口實現(xiàn)多CPU的設(shè)計思想。

結(jié)束語

隨著單片機技術(shù)的迅速發(fā)展，封裝小、功能強、價格低的單片機越來越多地被開發(fā)出來。單片機所執(zhí)行的功能也會越來越專一，越來越簡單。這將為多CPU系統(tǒng)的設(shè)計提供一個堅實的基礎(chǔ)，也必然會提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

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