引 言
本文介紹一種新穎的方法來實現51系列單片機雙CPU系統。該方法靈活地運用了51單片機的ID工作方式,使沒有HOLD功能的51單片機能夠直接通過片外RAM進行數據通信。不但硬件和軟件的實現都比較簡單,數據傳輸速度快,而且不涉及高成本特殊器件。對一般51單片機系統的設計有一定的參考意義。
1 實現雙處理器的一般方法
① 使用雙口RAM。這種方法方便地實現了CPU之間的通信,在選擇CPU接口時具有較大的靈活性;但這種方法會增加電路設計的難度和成本。
② 利用I/O口進行并行通信。這種方法既要用I/O口傳送數據,又要用I/O口來進行傳送的控制,因此占用較多的I/O口;而且控制過程涉及進行通信的兩個CPU,軟件設計比較復雜。
③ 利用串口進行通信。使用UART或I2C總線來聯系CPU也是常用的方法。這種方法實現簡單,只是傳輸速度較慢。
④共享內存。共享內存實際上又有兩種不同實現。第一種如LON網絡的Neuron節點芯片,利用不同時序實現共享內存。這種方法必須制成專用芯片,把CPU和RAM封裝在一起,一般情況下實現困難。第二種如96系列單片機,使用HOLD線先掛起其中一單片機的總線,以使用其內存。這種方法簡單而且傳輸速度快,在具有HOLD功能的CPU系統中經常使用這種方法實現雙CPU。
2 使用共享內存法實現雙CPU通信
由于51單片機沒有HOLD功能,一般不能使用共享內存法實現雙CPU通信。這里介紹一種方法,使一般51單片機能夠用共享內存實現雙CPU通信。該方法電路簡單,軟硬件實現容易;數據傳輸速度快,而且占用系統資源少(不使用I/O口傳遞數據,而用一部分地址空間作為數據傳送的媒體),能充分發揮雙CPU的作用。下面具體介紹這種方法。
2.1 基本設計方案
首先,甲機劃出一部分片外RAM的地址空間作為數據傳輸的專門通道(一般可用高端地址空間);同時,把這個地址空間映射到接收數據的乙機端的相同大小片外RAM地址空間(乙機端可以直接訪問到)。兩邊需要傳遞數據時,甲機就直接向這個地址讀寫數據。讀寫數據之前,兩邊要先聯絡,做好數據傳輸前的準備。
兩邊數據線要用開關門電路隔開,可以用三態門。地址線也按照設計者的安排,甲機端經過開關門電路直接映射到乙機端特定片外RAM地址。因為甲機要在乙機這邊讀寫數據,所以甲機對片外RAM的讀寫選通信號也要經過開關接到乙機讀寫端。發送數據前,要打開這些開關門電路。這樣,甲機就可以在乙機的片外RAM中讀寫數據了。
最后,還有一個重要工作。兩邊的CPU有自己獨立的工作,彼此獨立地在自己的數據線和地址線運行程序,要共用乙機的RAM來實現通信就必須在傳送通信數據期間讓乙機交出總線控制權,而51單片機又不具備96單片機的HOLD功能,怎樣才能讓乙機交出總線控制權?這里要用其它方法。51系列單片機本身有ID工作方式(空閑狀態),ID方式可以用中斷喚醒。我們可以利用ID工作方式讓乙機暫停工作,從而讓甲機CPU在乙機這邊存取數據。
2.2 具體實現方法
圖1是兩個51單片機組成的雙機系統。我們把左邊甲機的普通片外RAM地址尋址空間分為0000H~7FFFH和8000H~0FFFFH兩個不同的區域。其中,0000H~7FFFH可作為普通片外RAM空間,8000H~0FFFFH可作為數據傳輸通道。在這里,我們把8000H~803FH的片外RAM尋址空間映射到右端乙機的0000H~003FH的地址空間。(其實甲機8000H以上的任意地址都會映射到相應的乙機0000H ~003FH空間。這里為簡單起見,只用甲機的最高位地址線直接線選,并約定甲機的通信數據都往8000H~803FH中寫。)因此,甲機端的低六位地址線通過74ALS373接到乙機端的低六位地址線。同時,讀寫控制線也接過來。兩邊的數據線通過74ALS245接起來以進行雙向數據傳輸。不傳數據時,乙機的P1.7為高電平,74ALS373處于高阻態,74ALS245也因為沒有被甲機的地址線選通而呈高阻態,兩邊的CPU可以在自己的空間運行程序,保持相對獨立。甲單片機P1.0接到乙機的INT0腳,可通知乙單片機做傳輸數據的相應處理,同時可以通過中斷來喚醒處于ID狀態的乙機。傳數據時,乙機的P1.7為低電平,打開74ALS373,同時乙機的P1.7還接到甲機的INT0口,以通知甲機可以開始送數或取數。甲機最高位地址線A15作為數據選通信號,使甲機端可以讀寫乙機端0000H~003FH地址空間RAM中的數據。數據傳送方向由乙機的P1.6腳進行控制。
甲機要把數據傳到乙機時,先通過P1.0輸出一個下降沿脈沖到乙機的INT0口通知乙單片機,乙機中斷服務程序判斷是甲機要送數據過來,用指令
MOV DPTR, #003FH
MOV A, #0FFH
MOVX @DPTR 0FFH
把地址線置為003FH,P0口置為FFH。為什么要做這個工作呢?因為乙機把地址線置為003FH后,進入ID狀態,地址線會保持這種狀態,甲機就可以控制乙機的低六位地址線;同時乙機的高十位地址線保持為"0",這樣就確保了甲機的數據映射到乙機的0000H~003FH的地址空間。乙機向數據線上寫FFH,是保證把P0口都置?quot;1",進入ID工作方式后,P0口(即數據線)也會保持這種狀態,以保證甲機端數據順利寫入。然后,乙機P1.6腳輸出高電平,置數據傳送方向為甲機到乙機。最后,乙機在P1.7腳發一個下降沿脈沖,以中斷通知甲機可以送數據,同時保持低電平,打開74ALS373,再執行 ORL PCON.0,#00000001B 進入ID狀態。甲機的INT0中斷服務程序把數據從8000H~803FH送過來。送完后,通過甲機P1.0再給乙單片機的INT0端發一個下降沿脈沖喚醒乙機,乙機INT0中斷服務程序判斷數據已經傳送完,進行接收數據處理。
同理,乙機要送數據到甲機時,先把數據寫到0000H~003FH,最后是向003FH寫FFH,以完成正確置位地址線和數據線。還要把P1.6腳置為低電平,控制數據從乙機傳向甲機。再在乙機P1.7發下降沿脈沖觸發甲機INT0中斷,同時P1.7保持低電平,打開三態門,然后進入ID狀態。甲機INT0中斷服務程序判斷乙機要送數據過來,并且已經做好準備,就把數據從8000H~803FH取過來(當然,803FH中數據無效)。取完后,甲機再通過P1.0給乙單片機的INT0端發一個"1"下降沿脈沖喚醒乙機,讓乙機繼續運行程序。
乙機的INT0中斷服務程序要處理幾個不同事務,有幾個分支。如果是乙機向甲機傳數據,乙機INT0不用做實質工作,退出中斷繼續運行主程序即可;如果是甲機向乙機傳數據,在傳數據之前,乙機INT0要為傳數據做好準備,并置乙機為ID狀態。傳數據之后,乙機INT0處理數據。這里要設置數據傳送方向和數據傳送狀態兩個標志,用以引導程序正確運行。甲機的INT0根據傳數據方向標志傳數據或讀數據即可。這里不再寫具體程序。