多CPU系統(tǒng)共享串行EEPROM

1 引言

隨著微電子技術的飛速發(fā)展，單片機的價格已變得十分低廉，特別是ATMEL公司的89系列單片機，內置閃速（Flash）存儲器，具有51系列單片機的內核，尤其是89C2051只有20個引腳，2K Flash程序存儲器，本身已是一個完整的微處理機系統(tǒng)，具有很高的性能價格比。此類CPU可以作為可編程器件用于構成一個比較復雜的應用系統(tǒng)，此方法比使用PAL、GAL等產(chǎn)品的性能價格比更高?，F(xiàn)今軟件工程中比較流行的方法是面向對象的模塊化設計，其思想是將復雜的系統(tǒng)劃分成任務單一的模塊，有利于多人共同開發(fā)大規(guī)模軟件。工控機也大多采用模塊化設計，根據(jù)工控具體情況可方便地組成應用系統(tǒng)。同樣一個小的應用系統(tǒng)也可用單片機作為可編程器件模塊來構成。即將系統(tǒng)劃分成任務單一的模塊，每個器件模塊編程簡單，性能可靠，抗干擾性能強，從而大大節(jié)省設計和編程時間。但同時也出現(xiàn)了一個怎樣實現(xiàn)各器件模塊間交換信息的問題，對于速度要求比較高時，可采用并行通信或并行RAM共享方案；而對速度要求比較低時，可采用串行通信方法，但此方案要占用CPU的串行口的資源，且多點對多點的通信編程也比較困難。而共享串行EEPROM的方案能夠解決這一矛盾，下面以智能熱量儀為例介紹此方案。

2 系統(tǒng)的模塊化設計

根據(jù)具體情況將系統(tǒng)劃分成若干功能單一的模塊。劃分的原則是：實時性強的任務由一獨立器件模塊來完成，信息在器件模塊之間的交換要少，且時間性要求要低。

根據(jù)智能熱量儀要求將其劃分成三個器件模塊，功能框圖如圖1所示。CPU1完成智能熱量儀物理量的采集，即溫差、壓力、流量、壓差或頻率的采集，并能輸出控制信號，包括電流和開關量輸出；CPU2實現(xiàn)人機對話功能：顯示各物理量（溫度、壓力、壓差、頻率、瞬時流量或累積熱量），接收儀表參數(shù)的輸入等； CPU3完成與上位機間的通信和打印功能。EEPROM 93LC66連接這三個器件模塊。為了編程方便，三個CPU的P1.0~P1.3都依次連接EEPROM的CS、CLK、DI、DO；而三個CPU的 P1.4、P1.5則連在一起，作為EEPROM狀態(tài)的標志，用來協(xié)調三個CPU的工作。


圖1 智能熱量儀組成框圖

3 分時共享EEPROM

電路的核心器件是EEPROM（93LC66），它同時與三個CPU的P1.0～P1.3相接，所以，三個CPU只能分時訪問EEPROM。也就是說，同一時間只能有一個CPU訪問它，不訪問時將P1.0～P1.3初始化為高電平，否則會出現(xiàn)競爭。這就要求CPU在訪問EEPROM前，必須知道 EEPROM的狀態(tài)，為此，將三個CPU的P1.4、P1.5分別連接在一起作為標志，三者的狀態(tài)編碼00、01、10分別表示CPU1至CPU3中的哪一個在訪問EEPROM；CPU都不訪問EEPROM時，各CPU初始化標志P1.4、P1.5為高電平，即11。某CPU要訪問EEPROM時，先測試標志P1.4、P1.5，若為11，說明此時CPU可以訪問EEPROM，立即將標志P1.4、P1.5置成此CPU的標志碼，表示EEPROM處于忙狀態(tài)，其它CPU不能再訪問EEPROM；該CPU訪問完EEPROM后，再將P1.4、P1.5置為高電平。為了防止幾個CPU同時測試P1.4、 P1.5位，可規(guī)定CPU1訪問EEPROM的優(yōu)先級比CPU2、CPU3的高。CPU2或CPU3在測試完P1.4、P1.5后，若為11，此CPU立即將P1.4、P1.5置成自己的標志，再測試一下置為1的位是否還為1；若為0，說明有其它CPU在同時訪問EEPROM，則退出等待；若還為1，則進行訪問EEPROM。

CPU1將采集來的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)EEPROM內的儀表參數(shù)計算出瞬時的流量和熱量，進行熱量的累積，每5s將數(shù)據(jù)寫入EEPROM一次，并根據(jù)瞬時量計算出輸出量送給D/A轉換電路，輸出控制電流；CPU2定時地從EEPROM內讀出各物理量暫存在CPU內，根據(jù)從鍵盤接收的命令顯示相應的物理量，還可將鍵盤送來的儀表參數(shù)寫入EEPROM；CPU3也定時地從EEPROM內讀出數(shù)據(jù)存在CPU內，定時或立即打印出來，并和上位機進行串行通信。各 CPU在分時使用EEPROM的工作過程中，已實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換。

4 延長EEPROM工作壽命的方法

各CPU頻繁地擦寫串行EEPROM，93LC′ ′ 系列的EEPROM擦寫次數(shù)典型值為100萬次，這是指某一位由1寫為0或由0寫為1的次數(shù)。而實際上寫入EEPROM的數(shù)據(jù)，對于某一位來說，寫入的數(shù)據(jù)并不是每次都是要變化的，實際測試可證明擦寫次數(shù)大于500萬次。按300萬次算，若5s寫一次，只能寫150天左右，顯然，這是不能滿足要求的。為此，可采用一種利用存儲器空間延長EEPROM工作壽命的方法。其方法為：數(shù)據(jù)存放的地址不是固定的，而是用一個固定的基地址加上EEPROM內的一個單元的內容（即偏移地址）作為真正的地址；若發(fā)現(xiàn)存儲單元已壞（寫入和讀出的內容不同），則偏移地址加一，重新寫入。如果采用100倍的存儲器空間冗余，可將EEPROM的實際壽命延長100倍。對于智能熱量儀，寫入EEPROM的數(shù)據(jù)為14字節(jié)，采用35倍冗余，選用93LC66，可使其壽命大于14年。

5 結束語

串行EEPROM（以93LC66為例）數(shù)據(jù)的讀過程時間比較短，約為150ms（89C51的晶振頻率為12MHz），但寫過程時間較長，技術手冊給出的是每字節(jié)4ms，實測為2ms。根據(jù)各CPU完成任務不同，可將讀寫程序放在不同位置來實現(xiàn)。

這種多CPU共享串行EEPROM的設計方法，各模塊的任務比較單一，又具有獨立性，因而降低了編程的工作量，也方便調試。若系統(tǒng)需要多于三個CPU時，和EEPROM連接的四條線類似總線方式與其它CPU相連，再增加一條或幾條狀態(tài)線即可。構成的系統(tǒng)如果要增加功能，可再增添一個或幾個模塊即可，而不影響原來設計的硬件和軟件，這就解決了過去一旦產(chǎn)品設計完成再想添加功能就很困難的問題。