数字信号处理器与单片机之间高速通信实现方案

赵 静

[摘要]介绍一种利用DRAM实现数字信号处理器与单片机高速数据通信的方法,给出它们之间的接口电路以及软件实现方案。

[关键词]数字信号处理器DRAM接口电路数据通信

中图分类号:TN91文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1220010-01

一、引言

DSP芯片,也称数字信号处理器,是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器具,其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求,DSP芯片一般具有如下主要特点:(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法;(2)程序和数据空间分开,可以同时ac访问指令和数据;(3)片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持;(5)快速的中断处理和硬件I/O支持;(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;(7)可以并行执行多个操作;(8)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。由一片DSP加上存储器、模/数转换单元和外设接口就可以构成一个完整的控制系统,但这种方案要达到高速实时控制是不可行的。因为一个实时控制系统一般需要完成数据采集、模/数转换、分析计算、数/模转换、实时过程控制以及显示等任务,单靠一片DSP来完成这些工作势必会大大延长系统对控制对象的控制周期,从而影响整个系统的性能。所以我们添加一个CPU,负责数据采集、模/数转换、过程控制以及人机接口等任务,使DSP专注于系统控制算法的实现,充分利用它的高速数据处理能力。从性能价格比的角度出发,这个CPU采用8位的51系列单片机。这时,两个CPU之间的数据共享就成了一个重要的问题。

采用双口RAM(简称DRAM)是解决CPU之间的数据共享的有效办法。与串行通信相比,采用双口RAM不仅数据传输速度高,而且抗干扰性能好。笔者选用了TI公司的第三代DSP芯片TMS320C32和51系列单片机89C52作为控制系统的CPU。两个CPU之间通过双口RAM CY7C133完成数据交换。但在实际使用过程中遇到了89C52与双口RAM总线宽度不匹配的问题,需要进行接口电路的设计。

二、双口DRAM CY7C133的内部结构和功能

DRAM即动态随机存储器最为常见的系统内存。DRAM只能将数据保持很短的时间。为了保持数据,DRAM使用电容存储,所以必须隔一段时间刷新(refresh)一次,如果存储单元没有被刷新,存储的信息就会丢失(关机就会丢失数据)。

CY7C133是CYPRESS公司研制的高速2K×16CMOS双端口静态RAM,具有两套相互独立、完全对称的地址总线、数据总线和控制总线,采用68脚PLCC封装形式,最大访问时间可以为25/35/55ns。采用主从模式可以方便地将数据总线扩展成32位或更宽。

CY7C133允许两个CPU同时读取任何存储单元(包括同时读同一地址单元),但不允许同时写或一读一写同一地址单元,否则就会发生错误。DRAM中引入了仲裁逻辑(忙逻辑)电路来解决这个问题:当左右两端口同时写入或一读一写同一地址单元时,先稳定的地址端口通过仲裁逻辑电路优先读写,同时内部电路使另一个端口的信号有效,并在内部禁止对方访问,直到本端口操作结束。BUSY信号可以作为中断源指明本次操作非法。在主从模式中,主芯片的信号接上拉电阻作为输出,从芯片的信号作为写禁止输入。

三、DSP、单片机与DRAM之间的接口电路

89C52的地址总线宽度为16位,数据总线为8位;TMS320C32的数据总线宽度为32位,地址总线宽度为24位。而CY7C133的数据总线宽度为16位,地址总线宽度为11位,所以TMS320C32与双口RAM的接口并无特别之处,但是89C52与双口RAM之间的接口电路中就需要对89C52进行总线扩展了。具体做法是利用锁存器74HC373的锁存功能,通过对其使能信号的控制,进行分时读写,实现数据总线的扩展,即利用锁存器作为虚拟总线。具体的读写过程、读写信号及锁存器使能信号的产生将在下面详细说明。

TMS320C32分配给双口RAM的地址空间为0x800000h～0x8007FFh。通过三八译码器74HC138对A20～A23和STRB进行译码,给出双口RAM的片选信号CER。89C52分配给双口RAM的地址空间为0x1000h～0x1FFFh。通过二四译码器74HC139对A13～A15进行译码产生双口RAM的片选信号CEL。双口RAM每边都有两个读/写控制信号,分别控制高位字节和低位字节的读/写,在使用时可以根据需要分别对数据的高位和低位进行写入操作。接口电路中,两边的两个读/写控制信号分别被连接在一起,也就是说此时双口RAM的读写都是同时读写16位数据。

四、软件实现方案

DRAM必须采用一定的机制来协调左右两边CPU对它的读写操作,否则会出现读写数据的错误。通常可以用中断、硬件、令牌和软件这四种方式来协调双方,本文采用的是软件方式。从上面的分析中我们可以得知,在接口电路中实际上已经利用89C52的最低地址位A0把双口RAM的存储空间分为奇、偶地址两个空间。其中,奇地址空间专供89C52写,偶地址空间专供89C52读。那么我们只需对TMS320C32的软件作相应处理即可,也就是说,TMS320C32对双口RAM的奇地址空间只读,对偶地址空间只写。这样就避免了TMS320C32和89C52对双口RAM同一地址单元的写入操作。另外,在对双口RAM进行访问之前,CPU首先对本端的BUSY信号进行查询,只有本端/BUSY信号无效时才进行读写操作,进一步保证了数据读写的可靠性。

五、结束语

通过DRAM实现双CPU之间的数据通信,极大地提高了数据传输速度和可靠性,满足了控制系统的实时、高速的控制要求。本文所设计的89C52与DRAM之间的接口电路简单实用,成功解决了它们总线匹配的问题,对其他类似需要总线扩展的系统也有一定的参考价值。

参考文献:

[1]李刚,TMS320F206DSP结构、原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[2]朱铭锆、赵勇、甘泉,DSP应用系统设计[M].北京:电子工业出版社,2002.

作者简介:

赵静(1982-),女,山东淄博人,淄博职业学院教师,主要研究方向:单片机原理、微机原理与接口技术、自动控制等。