多端口存儲器在多機系統中的應用
摘要：介紹雙口RAM和FIFO的結構原理及仲裁邏輯控制；詳細說明二者在由數字信號處理器和MCS-51單片機構成的多機系統中的應用，并對二者進行了比較。前言
在測控、儀器儀表、語音信號處理和圖像通信領域中往往需要多處理器分工完成數字信號處理（DSP）算法和與外部系統的通信、控制、數據采集和人機接口功能。在多機系統中，CPU之間的通信常采用以下幾種方式：（1）串行通信。這種方式相對簡單，由于受到波特率的限制，在不同檔次單片機之間需要通信業務大的場合得不到很好的通信效果。
（2）并行通信。利用CPU的I/O功能在CPU之間增加緩沖器或鎖存器實現雙機通信。通信性能較串行通信有所提高，但仍然得不到理想的效果。（3）利用共享式存儲器實現。DMA方式就是其中的一種，能夠達到數據的高速傳輸，但不能同時訪問存儲器，CPU必須等待總線，而且有些CPU不支持DMA功能。另一種是利用多端口存儲器，雙口RAM和FIFO是常用的兩種多端口的存儲器，允許多CPU同時訪問存儲器，大大提高了通信效率，而且對CPU沒有過多的要求，特別適合異種CPU之間異步高速系統中。因此，受到硬件設計者的青睞。
一、兩種多端口存儲器
1.雙口RAM的仲裁控制
雙口RAM是常見的共享式多端口存儲器，以圖1所示通用雙口靜態RAM為例來說明雙口RAM的工作原理和仲裁邏輯控制。雙口RAM最大的特點是存儲數據共享。圖1中，一個存儲器配備兩套獨立的地址、數據和控制線，允許兩個獨立的CPU或控制器同時異步地訪問存儲單元。既然數據共享，就必須存在訪問仲裁控制。內部仲裁邏輯控制提供以下功能：對同一地址單元訪問的時序控制；存儲單元數據塊的訪問權限分配；信令交換邏輯（例如中斷信號）等。
（1）對同一地址單元訪問的競爭控制
如果同時訪問雙口RAM的同一存儲單元，勢必造成數據訪問失真。為了防止沖突的發生，采用Busy邏輯控制，也稱硬件地址仲裁邏輯。圖2給出了地址總線發生匹配時的競爭時序。，此處只給出了地址總線選通信信號先于片選脈沖信號的情況，而且，兩端的片選信號至少相差tAPS——仲裁最小時間間隔（IDT7132為5ns），內部仲裁邏輯控制才可給后訪問的一方輸出Busy閉鎖信號，將訪問權交給另一方直至結束對該地址單元的訪問，才撤消Busy閉鎖信號，將訪問權交給另一方直至結束對該地址單元的訪問，才撤消Busy閉鎖信號。即使在極限情況，兩個CPU幾乎同時訪問同一單元——地址匹配時片選信號低跳變之差少于tAPS，Busy閉鎖信號也僅輸出給其中任一CPU，只允許一個CPU訪問該地址單元。仲裁控制不會同時向兩個CPU發Busy閉鎖信號。
（2）存儲單元數據塊的訪問權限分配
存儲單元數據塊的訪問權限分配只允許在某一時間段內由1個CPU對自定義的某一數據塊進行讀寫操作，這將有助于存儲數據的保護，更有效地避免地址沖突。信號量（Semaphore，簡稱SEM）仲裁閉鎖就是一種硬件電路結合軟件實現訪問權限分配方法。SEM單元是與存儲單元無關的獨立標志單元，圖3給出了一個信號量閉鎖邏輯框圖。兩個觸發器在初始化時均使SEM允許輸出為高電平，等待雙方申請SEM。如果收到一方寫入的SEM信號（通常低電平寫入），如圖3所示，仲裁電路將使其中一個觸發器的SEM允許輸出端為低電平，而閉鎖另一個SEM允許輸出端使其繼續保持高電平。只有當先請求的一方撤消SEM信號，即寫入高電平，才使另一SEM允許輸出端的閉鎖得到解除，恢復等待新的SEM申請。
（3）信令交換邏輯（signaling logic）
為了提高數據的交換能力，有些雙口RAM采用信令交換邏輯來通知對方。IDT7130（1K容量）就是采用中斷方式交換信令。利用兩個特殊的單元（3FFH和3FEH）作為信令字和中斷源。假設左端CPU向3FFH寫入信令，將由寫信號和地址選通信號觸發右端的中斷輸出，只有當右端的CPU響應中斷并讀取3FFH信令字單元，其中斷才被雙口RAM撤消。
以上是雙口RAM自身提供的仲裁邏輯控制，也可采用自行設計的仲裁協議。下面的實例將介紹這種方法。
2.FIFO的工作原理
FIFO（First In First Out）全稱是先進先出的存儲器。先進先出也是FIFO的主要特點。
20世紀80年代早期，FIFO芯片是基于移位寄存器的中規模邏輯器件。容量為n的這種FIFO中，輸入的數據逐個寄存器移位，經n次移位才能輸出。因此，這種FIFO的輸入到輸出延時與容量成正比，工作效率得到限制。
為了提高FIFO的容量和減小輸出延時，現在FIFO內部存儲器均采用雙口RAM，數據從輸入到讀出的延遲大大縮小。以通用的IDT7202為例，結構框圖如圖4所示。輸入和輸出具有兩套數據線。獨立的讀寫地址指針在讀寫脈沖的控制下順序地從雙口RAM讀寫數據，讀寫指針均從第一個存儲單元開始，到最后個存儲單元，然后，又回到第一個存儲單元。標志邏輯部分即內部仲裁電路通過對讀指針和寫指針的比較，相應給出雙口RAM的空（EF）和滿（FF）狀態指示，甚至還有中間指示（XO/HF）。如果內部仲裁僅提供空和滿狀態指示，FIFO的傳輸效率得不到充分的艇。新型的FIFO提供可編程標志功能，例如，可以設置空加4或滿減4的標志輸出。目前，為了使容量得到更大提高
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