单片机之多CPU系统共享串行EEPROM

摘 要   探讨了一种单片机之多CPU共享串行EEPROM的模块化设计方法，使得系统设计简单可靠，软件编制容易。

  关键词    多CPU系统    单片机  可编程器件   串行EEPROM

1 引言

    随着微电子技术的飞速发展，单片机的价格已变得十分低廉，特别是ATMEL公司的89系列单片机，内置闪速（Flash）存储器，具有51系列单片机的内核，尤其是89C2051只有20个引脚，2K Flash程序存储器，本身已是一个完整的微处理机系统，具有很高的性能价格比。此类CPU可以作为可编程器件用于构成一个比较复杂的应用系统，此方法比使用PAL、GAL等产品的性能价格比更高。现今软件工程中比较流行的方法是面向对象的模块化设计，其思想是将复杂的系统划分成任务单一的模块，有利于多人共同开发大规模软件。工控机也大多采用模块化设计，根据工控具体情况可方便地组成应用系统。同样一个小的应用系统也可用单片机作为可编程器件模块来构成。即将系统划分成任务单一的模块，每个器件模块编程简单，性能可靠，抗干扰性能强，从而大大节省设计和编程时间。但同时也出现了一个怎样实现各器件模块间交换信息的问题，对于速度要求比较高时，可采用并行通信或并行RAM共享方案；而对速度要求比较低时，可采用串行通信方法，但此方案要占用CPU的串行口的资源，且多点对多点的通信编程也比较困难。而共享串行EEPROM的方案能够解决这一矛盾，下面以智能热量仪为例介绍此方案。

2 系统的模块化设计     根据具体情况将系统划分成若干功能单一的模块。划分的原则是：实时性强的任务由一独立器件模块来完成，信息在器件模块之间的交换要少，且时间性要求要低。     根据智能热量仪要求将其划分成三个器件模块，功能框图如图1所示。CPU1完成智能热量仪物理量的采集，即温差、压力、流量、压差或频率的采集，并能输出控制信号，包括电流和开关量输出；CPU2实现人机对话功能：显示各物理量（温度、压力、压差、频率、瞬时流量或累积热量），接收仪表参数的输入等；CPU3完成与上位机间的通信和打印功能。EEPROM 93LC66连接这三个器件模块。为了编程方便，三个CPU的P1.0~P1.3都依次连接EEPROM的CS、CLK、DI、DO；而三个CPU的P1.4、P1.5则连在一起，作为EEPROM状态的标志，用来协调三个CPU的工作。

3 分时共享EEPROM

    电路的核心器件是EEPROM（93LC66），它同时与三个CPU的P1.0～P1.3相接，所以，三个CPU只能分时访问EEPROM。也就是说，同一时间只能有一个CPU访问它，不访问时将P1.0～P1.3初始化为高电平，否则会出现竞争。这就要求CPU在访问EEPROM前，必须知道EEPROM的状态，为此，将三个CPU的P1.4、P1.5分别连接在一起作为标志，三者的状态编码00、01、10分别表示CPU1至CPU3中的哪一个在访问EEPROM；CPU都不访问EEPROM时，各CPU初始化标志P1.4、P1.5为高电平，即11。某CPU要访问EEPROM时，先测试标志P1.4、P1.5，若为11，说明此时CPU可以访问EEPROM，立即将标志P1.4、P1.5置成此CPU的标志码，表示EEPROM处于忙状态，其它CPU不能再访问EEPROM；该CPU访问完EEPROM后，再将P1.4、P1.5置为高电平。为了防止几个CPU同时测试P1.4、P1.5位，可规定CPU1访问EEPROM的优先级比CPU2、CPU3的高。CPU2或CPU3在测试完P1.4、P1.5后，若为11，此CPU立即将P1.4、P1.5置成自己的标志，再测试一下置为1的位是否还为1；若为0，说明有其它CPU在同时访问EEPROM，则退出等待；若还为1，则进行访问EEPROM。

    CPU1将采集来的数据进行处理，根据EEPROM内的仪表参数计算出瞬时的流量和热量，进行热量的累积，每5s将数据写入EEPROM一次，并根据瞬时量计算出输出量送给D/A转换电路，输出控制电流；CPU2定时地从EEPROM内读出各物理量暂存在CPU内，根据从键盘接收的命令显示相应的物理量，还可将键盘送来的仪表参数写入EEPROM；CPU3也定时地从EEPROM内读出数据存在CPU内，定时或立即打印出来，并和上位机进行串行通信。各CPU在分时使用EEPROM的工作过程中，已实现了数据交换。

4 延长EEPROM工作寿命的方法

    各CPU频繁地擦写串行EEPROM，93LC´ ´ 系列的EEPROM擦写次数典型值为100万次，这是指某一位由1写为0或由0写为1的次数。而实际上写入EEPROM的数据，对于某一位来说，写入的数据并不是每次都是要变化的，实际测试可证明擦写次数大于500万次。按300万次算，若5s写一次，只能写150天左右，显然，这是不能满足要求的。为此，可采用一种利用存储器空间延长EEPROM工作寿命的方法。其方法为：数据存放的地址不是固定的，而是用一个固定的基地址加上EEPROM内的一个单元的内容（即偏移地址）作为真正的地址；若发现存储单元已坏（写入和读出的内容不同），则偏移地址加一，重新写入。如果采用100倍的存储器空间冗余，可将EEPROM的实际寿命延长100倍。对于智能热量仪，写入EEPROM的数据为14字节，采用35倍冗余，选用93LC66，可使其寿命大于14年。

5 结束语

    串行EEPROM（以93LC66为例）数据的读过程时间比较短，约为150ms（89C51的晶振频率为12MHz），但写过程时间较长，技术手册给出的是每字节4ms，实测为2ms。根据各CPU完成任务不同，可将读写程序放在不同位置来实现。

    这种多CPU共享串行EEPROM的设计方法，各模块的任务比较单一，又具有独立性，因而降低了编程的工作量，也方便调试。若系统需要多于三个CPU时，和EEPROM连接的四条线类似总线方式与其它CPU相连，再增加一条或几条状态线即可。构成的系统如果要增加功能，可再增添一个或几个模块即可，而不影响原来设计的硬件和软件，这就解决了过去一旦产品设计完成再想添加功能就很困难的问题。

参 考 文 献

1 武汉力源单片机技术研究所. CMOS串行EEPROM原理及应用.