基于双口RAM的双CPU控制系统设计

石俊杰，陈军华

（63981部队，湖北 武汉430030）

0 引 言

在现代智能控制系统中，随着信息量的增加和实时性要求的提高，经常需要对信息或数据进行高速采集和处理，这就要求在设计控制系统时充分关注它的信息处理能力，否则极易造成数据处理中的“瓶颈”现象，从而达不到设计要求。目前，除了采用性能更高的控制芯片外，还可以采用双CPU结构，利用高速双口RA M实现双CPU间的信息处理。这样，不管是并行处理网络中的数据共享，还是在流水处理中的数据传送，都能保证数据通路的畅通；而且，随着低端微处理价格的不断下降，采用双CPU结构有时能避免采用高性能CPU上的高成本，获取更高的经济效益。

1 设计双CPU系统的几个要点

双CPU控制系统比单CPU控制系统更为复杂，本文着重从几个值得注意的要点予以探讨：

（1）确保双CPU工作的协同和可靠

在双CPU控制系统中，两个CPU应是同一系统中的两个不同的处理单元，它们可以处理不同的事务或数据，但对控制系统外部接口而言，它们可以看作是一个整体。因此，一旦其中一个CPU出现故障，另一个CPU会有反应，所以在硬件和软件设计时有相应的故障冗余处理。

（2）合理设计交叉事务的实时处理软硬件

图1 交叉事务的实时处理框图

如图1所示，在有些控制系统中，有时需要通过事务处理接口A（B）实时访问数据采集接口B（A）或事务处理接口B（A），这时，单纯依赖数据共享是不够的，必须考虑双CPU间的直接指令传送。

（3）双口RA M存储空间的组成及访问

采用双口RA M时，两个CPU可以共享数据，还可能需要互相传递指令，实现交叉访问。因此，存储单元的空间分布及访问安全也是必须注意的问题。

2 典型应用实例

在具体设计中，可以根据设计要求选择性能及I／O资源合适的CPU和双端口RA M。这里选用Winbond公司的高性能微控制芯片W77E58，其相关技术指标为：

a.最高40 MHz的时钟频率；b.2优先级12中断源；c.4×8bit的I／O口；d.2个全双工串行口。

在双端口RA M 中，IDT（Integrated Device Technology）公司的高速异步双口RAM IDT7132使用较为普遍，其相关技术指标为：

a.访问时间：20／25／35／55／100 ns；b.两套独立的I／O口，包括数据总线、地址总线、控制总线；c.存储容量：2 K×8bit；d.单5 V供电。

现以W77E58和IDT7132组成双CPU智能控制系统，结合上述几个要点介绍。

2.1 可靠性策略

在组成双CPU系统时，可靠性应加以关注。特别是在复位逻辑、故障处理方面。在两个CPU控制程序开始工作时，需要对相关接口、存储空间、参数及变量初始化；一旦其中某一CPU出现程序“跑飞”现象，其看门狗电路应立即动作，复位并重启；此时，另一CPU也应可靠复位，否则出现故障的CPU初始化处理可能会与另一CPU的正常处理程序产生冲突。为此，可以采用图2所示电路，实现双CPU的联动复位。

图2 双CPU联动复位电路

图2 中D18、D19为看门狗芯片DS1232，WDOG＿A和WDOG＿B分别连接两个CPU的看门狗脉冲端口，RST连接两个CPU的Reset端。

在通电复位后，正常工作时，两个CPU分别给WDOG＿A和 WDOG＿B提供看门狗脉冲，RST持续保持低电平；一旦某一CPU出现故障而不能提供看门狗脉冲时，对应DS1232的RST端会输出高电平，迫使两个CPU都复位重启。

2.2 交叉事务的实时处理

实时处理交叉事务一般包括对键盘中断、特殊控制指令、硬件故障的处理，往往需要很高的响应速度，此时，仅利用对共享数据的查询是不够的，可以利用CPU的中断处理模式实现快速响应。

在图3所示电路中，双CPU除了利用两套独立的I／O实现资源共享外，还采用LB1～LB4、RB1～RB4直接连接的方式实现直接指令控制。例如：当需要通过W77E58 A的事务处理端口，如键盘等，紧急控制W77E58B所连接的事务处理端口，如继电器等产生动作，就可以通过 W77E58A直接控制 W77E58B产生中断，从而达到快速响应的目的。

图3 双CPU直接指令控制电路

2.3 存储空间的组成及访问

在较为复杂的双CPU系统中，双口RAM的存储空间往往不是单一的共享数据分区，如在上述示例中，可能还要用到指令分区、故障信息分区等，如表1所示。

表1是为方便说明给出的示例，不同的控制系统可能会有不同的存储空间组织及访问控制。对于存储空间的访问，还应注意：

（1）对于采用异步双口RA M的系统，两个CPU不可对同一地址同时进行写访问或一读一写访问，应注意访问仲裁逻辑。

（2）对于非常重要的分区，必要时可采用备份，出现异常时应予以更新。

（3）对指令区和故障信息区进行读访问后，应对所读存储空间清零，避免重复响应。

表1 双口RAM存储空间的组成及访问特性

3 结束语

双CPU控制系统应用越来越广泛，其中许多采用了双口RA M，当然，按设计和实现功能的不同，其具体实现也不尽相同。除了本文所述之外，控制程序的可靠性冗予设计、抗干扰措施及事务处理的合理分配都是设计双CPU控制系统时值得注意的。上文所述方法及要点，也适用于基于双口RA M的多CPU控制系统。随着新器件的不断出现，性能的不断提高，相信会有越来越多的新技术出现在智能控制系统中。

［1］ W77E58 DATA SHEET［Z］.Winbond，Inc.

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