單片機多CPU系統(tǒng)設計
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單片微機具有小巧靈活、易擴展成為功能強大的控制系統(tǒng)。目前，一些監(jiān)控終端以及許多獨立的控制系統(tǒng)（如：發(fā)電機的微機勵磁裝置）多以單片微機為核心構成。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)測控環(huán)境要求設計的單片微機也難以保證控制系統(tǒng)能長期可靠的運行，從而導致控制系統(tǒng)癱瘓。這樣，如何提高控制系統(tǒng)的可靠性，保證測控系統(tǒng)能正確穩(wěn)定的運行就尤為重要。顯然，采用雙CPU冗余設計是非常有效的一種解決辦法。由于單片微機的功能強大，價格低廉，為設計雙機冗余系統(tǒng)提供了很好的條件。為此，我們設計了一種由兩片單片微機組成的雙機容錯系統(tǒng)，以比較簡單和與傳統(tǒng)的多CPU系統(tǒng)完全不同思路的設計方法實現(xiàn)了雙機的互為備用及相互切換。在該雙機冗余系統(tǒng)設計中，其關鍵問題是雙機系統(tǒng)的重構策略和雙機系統(tǒng)的仲裁邏輯切換。
1 傳統(tǒng)的多CPU系統(tǒng)設計方法
傳統(tǒng)的多CPU系統(tǒng)的常用設計方法有三種：
① 利用雙口RAM實現(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口和競爭裁決電路，可以同時聯(lián)接兩個CPU，這樣通過雙口RAM可以實現(xiàn)多CPU之間通信。
② 利用共享內(nèi)存的方法實現(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的競爭裁決電路實現(xiàn)對RAM的訪問，而這種方法是利用不同的時序實現(xiàn)內(nèi)存共享的。
③ 利用總線方法實現(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等接口實現(xiàn)CPU之間的通信。
2 該雙CPU系統(tǒng)的結構和工作原理
該雙CPU控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的多CPU系統(tǒng)的設計方法完全不同，它由兩片Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51 CPU構成，雙機互為備用，彼此獨立并行運行，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冗余系統(tǒng)，一個CPU 作為另一CPU的熱備份 ，雙機在任務上同步運行。所有輸入信號通過輸入接口同時送給兩個CPU，但CPU 運算、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備，當主CPU發(fā)生故障時，系統(tǒng)的自我檢測切換邏輯將發(fā)出信號，自動切斷其輸出通道，并通過CPU的工作指示系統(tǒng)報警。此時，系統(tǒng)或自動或人工切換到另一個備用的CPU，并同時打開其輸出通道，備用機變?yōu)橹鳈C運行狀態(tài)，控制系統(tǒng)這時降級為單機運行。人們可以將原主機拔離系統(tǒng)以便進行維修。從圖中可知，兩個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備相接，兩組三態(tài)門的控制端都同時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應三態(tài)門（如三態(tài)門1、3）正常輸出，另一路輸出使所控制的對應三態(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 雙機仲裁切換邏輯真值表
關鍵詞：
單片機
多CPU系統(tǒng)
AT89C51
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