如何实现多CPU的单片机系统的应用设计

随着人们生活水平的提高和科学技术的发展，安全防范的问题引起了越来越多的关注。人们在承受现代文明所带来的高效率、快节奏压力的同时，都希望能拥有一个安全、舒适的家庭环境。因此，越来越多的安防产品应运而生，尤其是蓬勃发展的现代化社区物业管理，通过监控网络把家庭和社区值班室紧密地联系起来，给人们的生活带来了极大的方便。但是，有些社区监控网络并不能完全履行其职责，存在一定的安全隐患。主要原因是目前大多数的监控节点都是采用1个CPU完成所有的功能，包括扫描各传输器模块状态、信息处理、数据显示、报警、与上位机通信等等。这无疑给此CPU带来了很大的压力：一旦出现故障，使得此单片机不能正常工作，则该监控节点将完全瘫痪，报警信息将得不到有效的处理。另外，在一些实时性要求较高的多任务系统中，单CPU结构也将显得力不从心。那么，能否找到一种既简单又经济的解决办法，把目前服务器中较为流行的多CPU并行处理的设计思想融入到社区监控网络中来呢？答案是肯定的。随着单片机技术的发展，单片机的价格在不断下降，其价格甚至比一些常用的接口芯片还要低，这就使多CPU的单片机系统的成本大大降低。此外，由于采用多CPU的设计思想，将使系统在并行处理和实时采集数据方面具有明显的优势，能极大地提高系统的稳定性和可靠性。尤其是对一些功能稍微复杂一点的系统，多CPU系统设计方法将更能显示出它的优越性。那么，如何实现多CPU的单片机系统设计呢？本文将在这方面进行一些有益的探索。

一、多CPU系统的设计原理

顾名思义，多CPU系统就是在1个系统中含有多个CPU。每个CPU独立地处理1个或少量的事务，然后通信某种方法，控制数据的合理流动，以完成设计要求的系统。其典型结构如图1所示。

从图1中可以看到，多CPU系统中一个非常重要的问题，是如何解决好各CPU之间数据的合理流动问题，以下是几种常用的方法。

1.利用双口RAM实现CPU之间的通信

双口RAM是一种高速的并行传输芯片，是实现CPU之间通信的一种简便有效的方法。常用的CMOS双口RAM有IDT7132、IDT7142等型号。IDT7132和6116类似，都是CMOS静态RAM，存储容量均为2KB。不同点在于IDT7132有两套I/O口，并有一套竞争裁决电路。因此，IDT7132内部的2KB存储器可以通过左右两边的任一组I/O口进行全异步的存储器读写操作，能方便地实现CPU之间的数据交换。采用双口RAM实现多CPU系统的示意图如图2所示。

利用这种方法可以实现数据的高速传输。CPU对IDT7132的读写时间小于120ns，通常为几十ns。当工作电源为+5V时，其读写的最大功耗为325mW，而在维持工作时最大功耗仅为5mW。另外，由于双口RAM是一种通用芯片，因此，它在选择与CPU接口时具有较大的灵活性。不过这种方法也会增加电路设计的难度和成本。

2.利用共享内存的方法实现CPU之间的通信

这种方法与前面的方法类似。所不同的是，前一种方法是利用双口RAM的一套竞争裁决电路实现对RAM的访问，而这里是利用不同的时序实现共享内存的。LON网络中的Neuron节点芯片设计都是采用这种方法的，其典型结构如图3所示。

在Neuron芯片中，每个CPU最小周期等于3个系统周期；每个系统时钟周期等于2个输入钟周期；3个CPU的最小周期分别间隔1个系统钟周期。这样，每个CPU在1个指令周期内部能访问存储区和ALU一次。系统对3个CPU采用了管道技术，在不影响性能的情况下降低硬件的需求。3个CPU可并行工作，不会造成耗时中断和上下文切换。

利用这种方法也能够实现CPU之间数据的高速传输，但是，它必须制成专用芯片，把CPU和RAM等元件封装在一起。因此，这种方法比较适合于特定的工业场合。

3.利用总线的方法实现CPU之间的通信

随着总线技术的发展，使得多主多从的单片机系统设计变得越来越简单。设计者只须通过接口芯片就可以将CPU挂到总线上去，实现CPU之间的通信，其典型的结构如图4所示。

这种方法具有结构简单、设计灵活、经济实惠的特点。在系统数据量不大，速度要求不是很高的情况下，应该是一种很好的选择方法。值得一提的是，在这种方法中，I2C总线以其结构简单、设计灵活、易于扩展和开发周期短的特点，越来越受到设计者的青睐。尤其目前很多单片机都带有I2C接口，不用接口芯片就中以把CPU直接挂到总线上，使得电路设计更加简单、经济。本文的多CPU系统也是基于I2C总线的一种安防系统。

二、基于多CPU下的社区安防系统的设计方法

1.系统的拓扑结构

系统的拓扑图如图5所示。该系统实际上是一个3级分布式测控系统。第1级由1台安装在社会值班室的PC机组成，是整个系统的核心部分。它主要负责向各家庭数据终端（HDT）发出各种命令，接收返回信息，并进行数据库管理和报表统计等工作。第2级由安装在各家庭的家庭数据终端组成，相当于1个监控节点。它主要负责接收PC机发来的命令和向PC机发送各检测模块的检测信息，并进行显示、报警、存储等信息的处理。第3级由安装在家庭各房间的各种模块组成，包括烟感、红外等报警模块，水表、电表等数字模块和家电控制的控制模块。它主要负责检测和控制各控制对象的状态。

2.家庭数据终端（HDT）的功能

家庭数据终端是安装在家庭内部的1个监控节点，主要执行以下任务：（1）接收PC机发来的命令；（2）信息显示；（3）键盘扫描；（4）声光报警；（5）生成家庭状态字节，并向PC机发送各种状态信息；（6）报警信息储存，即“黑匣子”功能；（7）扫描各传感器模块状态。另外，HDT还应个有可添加扩展模块的功能。这些功能当然可以用1个CPU实现，但将给CPU带来较大的工作量，降低了系统的安全性和可靠性。因此，我们采用多CPU的思想进行系统的设计。

根据HDT的功能特点，将任务分成3个部分，分别由3个CPU来完成。各CPU之间采用I2C总线进行通信，其结构如图6所示。CPU-1专门用于与PC机的通信，包括：（1）接收PC机发来的命令，并传送给其他CPU；（2）生成家庭状态字节，向PC机返回信息；（3）进行声光报警。CPU-2专门用于与第3级各模块的通信，包括：（1）扫描各传感器模块的报警状态，并及时通知其他CPU；（2）接收其他CPU传送过来的命令，对有关控制对象进行操作；（3）向AT24C64中存储报警记录，包括报警类型和报警时间，实现“黑匣子”功能。CPU-3专门用于信息显示和键盘扫描，包括：（1）接收PCF8583的数据，显示时间；（2）接收CPU-2传送来的信息，显示报警类型或故障位置；（3）扫描键盘，并向其他CPU发送命令，完成布防、撤防、修改密码等操作功能。在3个CPU之间，采用I2C总线进行连接；CPU选用Philips公司生产的P87LPC76X芯片。P87LPC76X芯片是一种20脚封装的单片机，适合于许多要求高集成、低成本的场合，具有较高的性能价格比，是Philips小型封装系列中的一员。它在提供很多新特征的同时，提供了I2C总线的通信接口。另外，它还提供了3个寄存器和中断控制位以实现对I2C总线的操作，因此，可以很容易地利用它的I2C接口实现多CPU的设计思想。

结束语

随着单片机技术的迅速发展，封装小、功能强、价格低的单片机越来越多地被开发出来。单片机所执行的功能也会越来越专一，越来越简单。这将为多CPU系统的设计提供一个坚实的基础，也必然会提高系统的安全性和可靠性。

责任编辑：gt