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基于硬件仲裁和串行总线的多机通信

发布时间:2019-06-24 21:01 来源:未知 编辑:admin

  接口(I2C、SPI)存储芯片可以构成简捷、高效的多主机系统。多主机系统需要解决好共用

  问题,本文给出利用优先编码器74HCl48和译码器74HCl38实现的解决方法。与软件实现相比,该方法简单可靠,实时性高,可实现总线的预约功能,适用于由各种不同类型的CPU构成的多机系统,进一步提高多主机系统的性能。

  随着单片机技术的发展和单片机芯片价格的下降,利用多个相同类型或不同类型的单片机构成一个多单片机系统,可以获得良好的系统灵活性和性能价格比,如可以用一个AT89C52单片机作多功能外围器件芯片。系统内多个单片机之间的通信可以有多种方式,如硬件UART、片内SPI/I2C总线C总线、I/O口、双口RAM和基于I2C总线及FRAM的通信方式。其中,基于串行总线C)及串行接口存储芯片(FRAM或SRAM,如DSl302芯片内的SRAM)的通信方式是一种简单、高效、实用的解决方法。此时,系统可以有多个主机,需要解决串行总线的仲裁问题,即在某一个时刻只允许一个主机占用串行总线]中,分别采用测试序列和时间片的软件仲裁方法实现,需要占用CPU的处理时间,且在仲裁过程中有可能受到外部干扰,因此对软件编程的可靠性有较高的要求。本设

  计利用优先编码器74HCl48和译码器74HCl38,通过硬件方式进行总线仲裁.使仲裁所需时间大为缩短,可靠性得到提高。

  下面着重以n=8个主机系统为例说明串行总线硬件仲裁的实现方法,并将其推广到n8的多机系统中。

  74HCl38是十分常见的三线种状态的组合,可以译出8个输出信号Y0~Y7。从表1所列的74HCl38真值表中可以看出:当STA、STB、STC不满足使能条件时,Y0~Y7输出为1,均为无效信号;而当74HCl38满足使能条件时,Y0~Y7其中一个为0,即有一路有效信号(由A2、Al、AO决定),其余为1。(74HCl38引脚排列参见图1)

  74HCl48是八线一三线的优先编码器。该编码器有8个信号输入端,3个二进制码输出端。此外,电路还设置了输入使能端EI,输出使能端EO和优先编码器工作状态标志GS。从表2所列的74HCl48真值表中可以看出:当EI=1时,不论8个输入端为何种状态,3个输出端均为高电平,且输出使能端和状态标志端均为高电平,编码器处于非工作状态;当EI=O,且至少有一个输入端有编码请求信号(逻辑O)时,GS为0,表明编码器处于工作状态,否则为1。由线个输入端均无低电平输入信号和只有输入O端(优先级别最低位)时,A2AlAO均为111,此时可由GS的状态加以区别。当GS=1时,表示无输入信号,A2A1A0=111为非编码输出;当GS=O时,A2AlA0=111表示响应输入O端为低电平时的编码输出。E0只有在EI为0,且所有输入端为l时,输出为0,用于级联。

  由表2可知,输入优先级别的次序依次为17,16,15,14,13,12,11,10。输入有效信号为低电平,当某一输入端有低电平输入,且比它优先级别高的输入端无低电平时,输出端才输出相对应的输入端的代码;同时,74HC148的编码输出为反码。例如,当17为O时,编码输出为000。(74HC148引脚排列参见图1)

  利用74HC148和74HCl38可实现8个主机的硬件仲裁,电路原理如图1所示。该电路以I2C总线)作为数据交换芯片。电路提供3种类型的信号:Ask、Reply、Status。Ask为总线请求信号,Reply为总线请求的返回信号,Status为总线可知,Ask的有效请求信号为低电平。当Ask0~Ask7都为高电平时,GS(Status)输出为高电平,此时74HCl38处于无效的工作状态,Reply0~Reply7均为高电平信号。只有当AskO~Ask7中至少有一个低电平时,GS(Status)输出为低电平,使74HCl38处于译码状态,Reply0~Reply7至少有一个低电平输出,故Starus为低电平表示总线被占用。

  以CPUA为例,当CPUA需要占用总线时,首先检查Status的状态,若为高电平,说明总线没有被占用,若为低电平,说明总线已被占用;当CPU没有占用总线时,CPUA可以发出总线置为低电平)。此时,也有可能有多个CPU同时发出总线申请信号,但只有优先级别最高的CPU申请有效。因此,CPUA随即检查Reply0的电平,若为低电平,则说明成功申请到总线C总线进行数据操作;否则,总线被其他CPU所占用,需要在Status为高电平时继续申请。

  以图1为例,其中CPUH的优先级最高。必须说明的是,由于74HCl48输出的编码为反码,当74HCl48的17输入为低电平时,编码输出应为000,经74HC138译码输出Y0为低电平。同样,16对应Yl,依此类推。

  CPU在发出申请之后,如果没有成功获得总线,就必须立即撤消总线申请信号(Ask置为高电平),否则将影响其他CPU的总线申请;如果成功获得总线,则在完成数据处理后,也必须立即撤消总线申请信号。

  在软件方面,还需要对I2C芯片(如FM24C64,8 KB)的地址空间进行分配。可以根据需要给每一个主机分配一个连续的地址空间,空间大小可以不等,例如CPUA获得AddrA的地址空间。在AddrA中,再进行细分,例如CPUC与CPUA通信的地址为AddrAC。当CPUC需要传送数据给CPUA时,只需将数据写入AddrAC的地址中,而由CPUA在获得总线后读取AddrAC的数据,从而完成数据传送的过程。使用I2C芯片作为数据芯片,必须保证在每一个CPU没有获得总线的情况下,对应的SDA和SCL口线保持为高电平。

  当主机数量大于8个(如16个)时,可以利用2片74HCl48通过级联实现十六线通过级联实现四线一十六线译码。级联的方法请见参考文献[5]。必须注意的是,级联后,某个CPU的Ask和Reply必须是一一对应的。

  4 总线个主机的请求线存在不同的优先级,当系统对实时性能要求较高时,可以通过3个控制线实现总线预约功能。本文以MCS5l系列单片机CPUA为例说明。

  方法一:将Status状态线经“非”门后接入CPUA外部中断INTO或INTl(外部中断设置为下降沿触发),当其他高优先级释放总线后,Status端出现下降沿,使CPUA进入中断,使得CPUA可及时获得总线。方法二:将Reply0接至CPUA的外部中断INT0或INTl(外部中断设置为下降沿触发),当CPUA需要尽快获得总线时,将AskO置为低电平;当其他高优先级释放总线即由高电平变为低电平,CPUA进入中断,从而获得总线。

  利用74HCl48和74HCl38组成多主机系统的硬件仲裁逻辑,电路简单、可靠,CPU的处理时间极短,性能稳定。笔者已将该技术应用于实际的数据采集系统中,系统运行可靠。在串行芯片的选择上,铁电存储器(FM系列)存储速度快(I2C总线频率可达lMHz,SPI总线MHz),写入数据没有延时,读写次数为100亿次,低功耗操作,容量大,可以由软件模拟实现I2C和SPI总线,适合各种类型的单片机,是十分理想的存储芯片。

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