51系列單片機(jī)雙CPU系統(tǒng)通信方法

引 言

本文介紹一種新穎的方法來實(shí)現(xiàn)51系列單片機(jī)雙CPU系統(tǒng)。該方法靈活地運(yùn)用了51單片機(jī)的ID工作方式，使沒有HOLD功能的51單片機(jī)能夠直接通過片外RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。不但硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)都比較簡單，數(shù)據(jù)傳輸速度快，而且不涉及高成本特殊器件。對一般51單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。

1 實(shí)現(xiàn)雙處理器的一般方法

① 使用雙口RAM。這種方法方便地實(shí)現(xiàn)了CPU之間的通信，在選擇CPU接口時(shí)具有較大的靈活性；但這種方法會增加電路設(shè)計(jì)的難度和成本。

② 利用I/O口進(jìn)行并行通信。這種方法既要用I/O口傳送數(shù)據(jù)，又要用I/O口來進(jìn)行傳送的控制，因此占用較多的I/O口；而且控制過程涉及進(jìn)行通信的兩個CPU，軟件設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。

③ 利用串口進(jìn)行通信。使用UART或I2C總線來聯(lián)系CPU也是常用的方法。這種方法實(shí)現(xiàn)簡單，只是傳輸速度較慢。

④共享內(nèi)存。共享內(nèi)存實(shí)際上又有兩種不同實(shí)現(xiàn)。第一種如LON網(wǎng)絡(luò)的Neuron節(jié)點(diǎn)芯片，利用不同時(shí)序?qū)崿F(xiàn)共享內(nèi)存。這種方法必須制成專用芯片，把CPU和RAM封裝在一起，一般情況下實(shí)現(xiàn)困難。第二種如96系列單片機(jī)，使用HOLD線先掛起其中一單片機(jī)的總線，以使用其內(nèi)存。這種方法簡單而且傳輸速度快，在具有HOLD功能的CPU系統(tǒng)中經(jīng)常使用這種方法實(shí)現(xiàn)雙CPU。

2 使用共享內(nèi)存法實(shí)現(xiàn)雙CPU通信

由于51單片機(jī)沒有HOLD功能，一般不能使用共享內(nèi)存法實(shí)現(xiàn)雙CPU通信。這里介紹一種方法，使一般51單片機(jī)能夠用共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)雙CPU通信。該方法電路簡單，軟硬件實(shí)現(xiàn)容易；數(shù)據(jù)傳輸速度快，而且占用系統(tǒng)資源少（不使用I/O口傳遞數(shù)據(jù)，而用一部分地址空間作為數(shù)據(jù)傳送的媒體），能充分發(fā)揮雙CPU的作用。下面具體介紹這種方法。

2.1 基本設(shè)計(jì)方案

首先，甲機(jī)劃出一部分片外RAM的地址空間作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶ｉT通道（一般可用高端地址空間）；同時(shí)，把這個地址空間映射到接收數(shù)據(jù)的乙機(jī)端的相同大小片外RAM地址空間（乙機(jī)端可以直接訪問到）。兩邊需要傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，甲機(jī)就直接向這個地址讀寫數(shù)據(jù)。讀寫數(shù)據(jù)之前，兩邊要先聯(lián)絡(luò)，做好數(shù)據(jù)傳輸前的準(zhǔn)備。

兩邊數(shù)據(jù)線要用開關(guān)門電路隔開，可以用三態(tài)門。地址線也按照設(shè)計(jì)者的安排，甲機(jī)端經(jīng)過開關(guān)門電路直接映射到乙機(jī)端特定片外RAM地址。因?yàn)榧讬C(jī)要在乙機(jī)這邊讀寫數(shù)據(jù)，所以甲機(jī)對片外RAM的讀寫選通信號也要經(jīng)過開關(guān)接到乙機(jī)讀寫端。發(fā)送數(shù)據(jù)前，要打開這些開關(guān)門電路。這樣，甲機(jī)就可以在乙機(jī)的片外RAM中讀寫數(shù)據(jù)了。

最后，還有一個重要工作。兩邊的CPU有自己獨(dú)立的工作，彼此獨(dú)立地在自己的數(shù)據(jù)線和地址線運(yùn)行程序，要共用乙機(jī)的RAM來實(shí)現(xiàn)通信就必須在傳送通信數(shù)據(jù)期間讓乙機(jī)交出總線控制權(quán)，而51單片機(jī)又不具備96單片機(jī)的HOLD功能，怎樣才能讓乙機(jī)交出總線控制權(quán)？這里要用其它方法。51系列單片機(jī)本身有ID工作方式（空閑狀態(tài)），ID方式可以用中斷喚醒。我們可以利用ID工作方式讓乙機(jī)暫停工作，從而讓甲機(jī)CPU在乙機(jī)這邊存取數(shù)據(jù)。

2.2 具體實(shí)現(xiàn)方法

圖1是兩個51單片機(jī)組成的雙機(jī)系統(tǒng)。我們把左邊甲機(jī)的普通片外RAM地址尋址空間分為0000H~7FFFH和8000H~0FFFFH兩個不同的區(qū)域。其中，0000H~7FFFH可作為普通片外RAM空間，8000H~0FFFFH可作為數(shù)據(jù)傳輸通道。在這里，我們把8000H~803FH的片外RAM尋址空間映射到右端乙機(jī)的0000H~003FH的地址空間。（其實(shí)甲機(jī)8000H以上的任意地址都會映射到相應(yīng)的乙機(jī)0000H ~003FH空間。這里為簡單起見，只用甲機(jī)的最高位地址線直接線選，并約定甲機(jī)的通信數(shù)據(jù)都往8000H~803FH中寫。）因此，甲機(jī)端的低六位地址線通過74ALS373接到乙機(jī)端的低六位地址線。同時(shí)，讀寫控制線也接過來。兩邊的數(shù)據(jù)線通過74ALS245接起來以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。不傳數(shù)據(jù)時(shí)，乙機(jī)的P1.7為高電平，74ALS373處于高阻態(tài)，74ALS245也因?yàn)闆]有被甲機(jī)的地址線選通而呈高阻態(tài)，兩邊的CPU可以在自己的空間運(yùn)行程序，保持相對獨(dú)立。甲單片機(jī)P1.0接到乙機(jī)的INT0腳，可通知乙單片機(jī)做傳輸數(shù)據(jù)的相應(yīng)處理，同時(shí)可以通過中斷來喚醒處于ID狀態(tài)的乙機(jī)。傳數(shù)據(jù)時(shí)，乙機(jī)的P1.7為低電平，打開74ALS373，同時(shí)乙機(jī)的P1.7還接到甲機(jī)的INT0口，以通知甲機(jī)可以開始送數(shù)或取數(shù)。甲機(jī)最高位地址線A15作為數(shù)據(jù)選通信號，使甲機(jī)端可以讀寫乙機(jī)端0000H~003FH地址空間RAM中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送方向由乙機(jī)的P1.6腳進(jìn)行控制。

甲機(jī)要把數(shù)據(jù)傳到乙機(jī)時(shí)，先通過P1.0輸出一個下降沿脈沖到乙機(jī)的INT0口通知乙單片機(jī)，乙機(jī)中斷服務(wù)程序判斷是甲機(jī)要送數(shù)據(jù)過來，用指令

　　　MOV DPTR, #003FH
　　　MOV A, #0FFH
　　　MOVX @DPTR 0FFH

把地址線置為003FH，P0口置為FFH。為什么要做這個工作呢？因?yàn)橐覚C(jī)把地址線置為003FH后，進(jìn)入ID狀態(tài)，地址線會保持這種狀態(tài)，甲機(jī)就可以控制乙機(jī)的低六位地址線；同時(shí)乙機(jī)的高十位地址線保持為"0"，這樣就確保了甲機(jī)的數(shù)據(jù)映射到乙機(jī)的0000H~003FH的地址空間。乙機(jī)向數(shù)據(jù)線上寫FFH，是保證把P0口都置?quot;1"，進(jìn)入ID工作方式后，P0口（即數(shù)據(jù)線）也會保持這種狀態(tài)，以保證甲機(jī)端數(shù)據(jù)順利寫入。然后，乙機(jī)P1.6腳輸出高電平，置數(shù)據(jù)傳送方向?yàn)榧讬C(jī)到乙機(jī)。最后，乙機(jī)在P1.7腳發(fā)一個下降沿脈沖，以中斷通知甲機(jī)可以送數(shù)據(jù)，同時(shí)保持低電平,打開74ALS373，再執(zhí)行

　　　ORL PCON.0,#00000001B

進(jìn)入ID狀態(tài)。甲機(jī)的INT0中斷服務(wù)程序把數(shù)據(jù)從8000H~803FH送過來。送完后，通過甲機(jī)P1.0再給乙單片機(jī)的INT0端發(fā)一個下降沿脈沖喚醒乙機(jī)，乙機(jī)INT0中斷服務(wù)程序判斷數(shù)據(jù)已經(jīng)傳送完，進(jìn)行接收數(shù)據(jù)處理。

同理，乙機(jī)要送數(shù)據(jù)到甲機(jī)時(shí)，先把數(shù)據(jù)寫到0000H~003FH，最后是向003FH寫FFH，以完成正確置位地址線和數(shù)據(jù)線。還要把P1.6腳置為低電平，控制數(shù)據(jù)從乙機(jī)傳向甲機(jī)。再在乙機(jī)P1.7發(fā)下降沿脈沖觸發(fā)甲機(jī)INT0中斷，同時(shí)P1.7保持低電平，打開三態(tài)門，然后進(jìn)入ID狀態(tài)。甲機(jī)INT0中斷服務(wù)程序判斷乙機(jī)要送數(shù)據(jù)過來，并且已經(jīng)做好準(zhǔn)備,就把數(shù)據(jù)從8000H~803FH取過來（當(dāng)然，803FH中數(shù)據(jù)無效）。取完后，甲機(jī)再通過P1.0給乙單片機(jī)的INT0端發(fā)一個"1"下降沿脈沖喚醒乙機(jī)，讓乙機(jī)繼續(xù)運(yùn)行程序。

乙機(jī)的INT0中斷服務(wù)程序要處理幾個不同事務(wù)，有幾個分支。如果是乙機(jī)向甲機(jī)傳數(shù)據(jù)，乙機(jī)INT0不用做實(shí)質(zhì)工作，退出中斷繼續(xù)運(yùn)行主程序即可；如果是甲機(jī)向乙機(jī)傳數(shù)據(jù)，在傳數(shù)據(jù)之前，乙機(jī)INT0要為傳數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備，并置乙機(jī)為ID狀態(tài)。傳數(shù)據(jù)之后，乙機(jī)INT0處理數(shù)據(jù)。這里要設(shè)置數(shù)據(jù)傳送方向和數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)兩個標(biāo)志，用以引導(dǎo)程序正確運(yùn)行。甲機(jī)的INT0根據(jù)傳數(shù)據(jù)方向標(biāo)志傳數(shù)據(jù)或讀數(shù)據(jù)即可。這里不再寫具體程序。