基于雙口RAM的雙CPU控制系統設計

石俊杰，陳軍華

（63981部隊，湖北 武漢430030）

0 引 言

在現代智能控制系統中，隨著信息量的增加和實時性要求的提高，經常需要對信息或數據進行高速采集和處理，這就要求在設計控制系統時充分關注它的信息處理能力，否則極易造成數據處理中的“瓶頸”現象，從而達不到設計要求。目前，除了采用性能更高的控制芯片外，還可以采用雙CPU結構，利用高速雙口RA M實現雙CPU間的信息處理。這樣，不管是并行處理網絡中的數據共享，還是在流水處理中的數據傳送，都能保證數據通路的暢通；而且，隨著低端微處理價格的不斷下降，采用雙CPU結構有時能避免采用高性能CPU上的高成本，獲取更高的經濟效益。

1 設計雙CPU系統的幾個要點

雙CPU控制系統比單CPU控制系統更為復雜，本文著重從幾個值得注意的要點予以探討：

（1）確保雙CPU工作的協同和可靠

在雙CPU控制系統中，兩個CPU應是同一系統中的兩個不同的處理單元，它們可以處理不同的事務或數據，但對控制系統外部接口而言，它們可以看作是一個整體。因此，一旦其中一個CPU出現故障，另一個CPU會有反應，所以在硬件和軟件設計時有相應的故障冗余處理。

（2）合理設計交叉事務的實時處理軟硬件

圖1 交叉事務的實時處理框圖

如圖1所示，在有些控制系統中，有時需要通過事務處理接口A（B）實時訪問數據采集接口B（A）或事務處理接口B（A），這時，單純依賴數據共享是不夠的，必須考慮雙CPU間的直接指令傳送。

（3）雙口RA M存儲空間的組成及訪問

采用雙口RA M時，兩個CPU可以共享數據，還可能需要互相傳遞指令，實現交叉訪問。因此，存儲單元的空間分布及訪問安全也是必須注意的問題。

2 典型應用實例

在具體設計中，可以根據設計要求選擇性能及I／O資源合適的CPU和雙端口RA M。這里選用Winbond公司的高性能微控制芯片W77E58，其相關技術指標為：

a.最高40 MHz的時鐘頻率；b.2優先級12中斷源；c.4×8bit的I／O口；d.2個全雙工串行口。

在雙端口RA M 中，IDT（Integrated Device Technology）公司的高速異步雙口RAM IDT7132使用較為普遍，其相關技術指標為：

a.訪問時間：20／25／35／55／100 ns；b.兩套獨立的I／O口，包括數據總線、地址總線、控制總線；c.存儲容量：2 K×8bit；d.單5 V供電。

現以W77E58和IDT7132組成雙CPU智能控制系統，結合上述幾個要點介紹。

2.1 可靠性策略

在組成雙CPU系統時，可靠性應加以關注。特別是在復位邏輯、故障處理方面。在兩個CPU控制程序開始工作時，需要對相關接口、存儲空間、參數及變量初始化；一旦其中某一CPU出現程序“跑飛”現象，其看門狗電路應立即動作，復位并重啟；此時，另一CPU也應可靠復位，否則出現故障的CPU初始化處理可能會與另一CPU的正常處理程序產生沖突。為此，可以采用圖2所示電路，實現雙CPU的聯動復位。

圖2 雙CPU聯動復位電路

圖2 中D18、D19為看門狗芯片DS1232，WDOG＿A和WDOG＿B分別連接兩個CPU的看門狗脈沖端口，RST連接兩個CPU的Reset端。

在通電復位后，正常工作時，兩個CPU分別給WDOG＿A和 WDOG＿B提供看門狗脈沖，RST持續保持低電平；一旦某一CPU出現故障而不能提供看門狗脈沖時，對應DS1232的RST端會輸出高電平，迫使兩個CPU都復位重啟。

2.2 交叉事務的實時處理

實時處理交叉事務一般包括對鍵盤中斷、特殊控制指令、硬件故障的處理，往往需要很高的響應速度，此時，僅利用對共享數據的查詢是不夠的，可以利用CPU的中斷處理模式實現快速響應。

在圖3所示電路中，雙CPU除了利用兩套獨立的I／O實現資源共享外，還采用LB1～LB4、RB1～RB4直接連接的方式實現直接指令控制。例如：當需要通過W77E58 A的事務處理端口，如鍵盤等，緊急控制W77E58B所連接的事務處理端口，如繼電器等產生動作，就可以通過 W77E58A直接控制 W77E58B產生中斷，從而達到快速響應的目的。

圖3 雙CPU直接指令控制電路

2.3 存儲空間的組成及訪問

在較為復雜的雙CPU系統中，雙口RAM的存儲空間往往不是單一的共享數據分區，如在上述示例中，可能還要用到指令分區、故障信息分區等，如表1所示。

表1是為方便說明給出的示例，不同的控制系統可能會有不同的存儲空間組織及訪問控制。對于存儲空間的訪問，還應注意：

（1）對于采用異步雙口RA M的系統，兩個CPU不可對同一地址同時進行寫訪問或一讀一寫訪問，應注意訪問仲裁邏輯。

（2）對于非常重要的分區，必要時可采用備份，出現異常時應予以更新。

（3）對指令區和故障信息區進行讀訪問后，應對所讀存儲空間清零，避免重復響應。

表1 雙口RAM存儲空間的組成及訪問特性

3 結束語

雙CPU控制系統應用越來越廣泛，其中許多采用了雙口RA M，當然，按設計和實現功能的不同，其具體實現也不盡相同。除了本文所述之外，控制程序的可靠性冗予設計、抗干擾措施及事務處理的合理分配都是設計雙CPU控制系統時值得注意的。上文所述方法及要點，也適用于基于雙口RA M的多CPU控制系統。隨著新器件的不斷出現，性能的不斷提高，相信會有越來越多的新技術出現在智能控制系統中。

［1］ W77E58 DATA SHEET［Z］.Winbond，Inc.

［2］ IDT7132 DATA SHEET［Z］.Integrated Device Technology，Inc.