單片機(jī)多CPU系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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單片微機(jī)具有小巧靈活、易擴(kuò)展成為功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)。目前，一些監(jiān)控終端以及許多獨(dú)立的控制系統(tǒng)（如：發(fā)電機(jī)的微機(jī)勵(lì)磁裝置）多以單片微機(jī)為核心構(gòu)成。但由于諸如工作環(huán)境惡劣、電磁干擾等原因，即使使用按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的單片微機(jī)也難以保證控制系統(tǒng)能長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)癱瘓。這樣，如何提高控制系統(tǒng)的可靠性，保證測(cè)控系統(tǒng)能正確穩(wěn)定的運(yùn)行就尤為重要。顯然，采用雙CPU冗余設(shè)計(jì)是非常有效的一種解決辦法。由于單片微機(jī)的功能強(qiáng)大，價(jià)格低廉，為設(shè)計(jì)雙機(jī)冗余系統(tǒng)提供了很好的條件。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種由兩片單片微機(jī)組成的雙機(jī)容錯(cuò)系統(tǒng)，以比較簡(jiǎn)單和與傳統(tǒng)的多CPU系統(tǒng)完全不同思路的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)的互為備用及相互切換。在該雙機(jī)冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，其關(guān)鍵問題是雙機(jī)系統(tǒng)的重構(gòu)策略和雙機(jī)系統(tǒng)的仲裁邏輯切換。
1 傳統(tǒng)的多CPU系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
傳統(tǒng)的多CPU系統(tǒng)的常用設(shè)計(jì)方法有三種：
① 利用雙口RAM實(shí)現(xiàn)CPU之間的通信。雙口RAM是一種高速的并行傳輸芯片，具有兩套I/O口和競(jìng)爭(zhēng)裁決電路，可以同時(shí)聯(lián)接兩個(gè)CPU，這樣通過雙口RAM可以實(shí)現(xiàn)多CPU之間通信。
② 利用共享內(nèi)存的方法實(shí)現(xiàn)CPU之間的通信。這種方法與上一種方法類似，所不同的是，上一種方法是利用雙口RAM的競(jìng)爭(zhēng)裁決電路實(shí)現(xiàn)對(duì)RAM的訪問，而這種方法是利用不同的時(shí)序?qū)崿F(xiàn)內(nèi)存共享的。
③ 利用總線方法實(shí)現(xiàn)CPU之間的通信。通過接口芯片或CPU本身具備的SPI、I2C以及SMBus等接口實(shí)現(xiàn)CPU之間的通信。
2 該雙CPU系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理
該雙CPU控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的多CPU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法完全不同，它由兩片Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51 CPU構(gòu)成，雙機(jī)互為備用，彼此獨(dú)立并行運(yùn)行，硬邏輯切換。其雙CPU控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
這是一種非表決式的雙機(jī)冗余系統(tǒng)，一個(gè)CPU 作為另一CPU的熱備份 ，雙機(jī)在任務(wù)上同步運(yùn)行。所有輸入信號(hào)通過輸入接口同時(shí)送給兩個(gè)CPU，但CPU 運(yùn)算、處理后的輸出量受到仲裁切換電路的控制，只有主CPU允許讀寫外部數(shù)據(jù)存貯器及輸出至外部設(shè)備，當(dāng)主CPU發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)的自我檢測(cè)切換邏輯將發(fā)出信號(hào)，自動(dòng)切斷其輸出通道，并通過CPU的工作指示系統(tǒng)報(bào)警。此時(shí)，系統(tǒng)或自動(dòng)或人工切換到另一個(gè)備用的CPU，并同時(shí)打開其輸出通道，備用機(jī)變?yōu)橹鳈C(jī)運(yùn)行狀態(tài)，控制系統(tǒng)這時(shí)降級(jí)為單機(jī)運(yùn)行。人們可以將原主機(jī)拔離系統(tǒng)以便進(jìn)行維修。從圖中可知，兩個(gè)CPU的地址、數(shù)據(jù)及控制總線都通過一組三態(tài)門（三態(tài)門1、2）輸出與外部數(shù)據(jù)存貯器相接，兩個(gè)CPU的某些輸出控制I/O口都通過另一組三態(tài)門（三態(tài)門3、4）輸出與外部輸出控制設(shè)備相接，兩組三態(tài)門的控制端都同時(shí)受仲裁切換電路控制，而仲裁切換電路的兩路輸出互為反邏輯，即只有一路輸出能使所控制的對(duì)應(yīng)三態(tài)門（如三態(tài)門1、3）正常輸出，另一路輸出使所控制的對(duì)應(yīng)三態(tài)門（如三態(tài)門2、4）處于高阻狀態(tài)，從而不影響主CPU正常讀寫數(shù)據(jù)和向控制I/O口輸出數(shù)據(jù)。
圖1雙CPU控制系統(tǒng)原理框圖
表1 雙機(jī)仲裁切換邏輯真值表
關(guān)鍵詞：
單片機(jī)
多CPU系統(tǒng)
AT89C51
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