計算機多端口存儲器在多機系統(tǒng)上的應(yīng)用電科論文
介紹雙口RAM和FIFO的結(jié)構(gòu)原理及仲裁邏輯控制；詳細說明二者在由數(shù)字信號處理器和MCS-51單片機構(gòu)成的多機系統(tǒng)中的應(yīng)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(lǐng)域中往往需要多處理器分工完成數(shù)字信號處理（DSP）算法和與外部系統(tǒng)的通信、控制、數(shù)據(jù)采集和人機接口功能。在多機系統(tǒng)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(yè)務(wù)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(xiàn)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(xiàn)。DMA方式就是其中的一種，能夠達到數(shù)據(jù)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(tǒng)中。因此，受到硬件設(shè)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(tài)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(shù)據(jù)共享。圖1中，一個存儲器配備兩套獨立的地址、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)共享，就必須存在訪問仲裁控制。內(nèi)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(shù)據(jù)塊的訪問權(quán)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(shù)據(jù)訪問失真。為了防止沖突的發(fā)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(fā)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(nèi)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(quán)交給另一方直至結(jié)束對該地址單元的訪問，才撤消Busy閉鎖信號，將訪問權(quán)交給另一方直至結(jié)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(fā)Busy閉鎖信號。
（2）存儲單元數(shù)據(jù)塊的訪問權(quán)限分配
存儲單元數(shù)據(jù)塊的訪問權(quán)限分配只允許在某一時間段內(nèi)由1個CPU對自定義的某一數(shù)據(jù)塊進行讀寫操作，這將有助于存儲數(shù)據(jù)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(jié)合軟件實現(xiàn)訪問權(quán)限分配方法。SEM單元是與存儲單元無關(guān)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(fā)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(fā)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(xù)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(fù)等待新的SEM申請。
（3）信令交換邏輯（signaling logic）
為了提高數(shù)據(jù)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(shè)左端CPU向3FFH寫入信令，將由寫信號和地址選通信號觸發(fā)右端的中斷輸出，只有當右端的CPU響應(yīng)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(shè)計的仲裁協(xié)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，F(xiàn)IFO芯片是基于移位寄存器的中規(guī)模邏輯器件。容量為n的這種FIFO中，輸入的數(shù)據(jù)逐個寄存器移位，經(jīng)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(xiàn)在FIFO內(nèi)部存儲器均采用雙口RAM，數(shù)據(jù)從輸入到讀出的延遲大大縮小。以通用的IDT7202為例，結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。輸入和輸出具有兩套數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(nèi)部仲裁電路通過對讀指針和寫指針的比較，相應(yīng)給出雙口RAM的空（EF）和滿（FF）狀態(tài)指示，甚至還有中間指示（XO/HF）。如果內(nèi)部仲裁僅提供空和滿狀態(tài)指示，F(xiàn)IFO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(shè)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，存儲單元采用動態(tài)RAM代替靜態(tài)RAM，并將刷新電路集成在芯片，且內(nèi)部仲裁單元決定器件的輸入、讀出及自動刷新操作。
FIFO只允許兩端一個寫，一個讀，因此FIFO是一種半共享式存儲器。在雙機系統(tǒng)中，只允許一個CPU往FIFO寫數(shù)據(jù)，另一個CPU從FIFO讀數(shù)據(jù)。而且，只要注意標志輸出，空指示不寫，滿指示不讀，就不會發(fā)生寫入數(shù)據(jù)丟失和讀出數(shù)據(jù)無效。
3.其他多端口存儲器
以上只介紹了兩種雙端口存儲器。隨著電子工藝的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了三端口及以上的存儲器，并且在存儲深度和寬度上得到很大發(fā)展，仲裁邏輯控制更加復(fù)雜；但多端口存儲器源彼雙端口存儲器，基本更加復(fù)雜；但多端口存儲器源自雙端口存儲器，基本工作原理入雙端口存儲器相似，這里不一一詳述。
二、雙口RAM實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)字信號處理器（DSP）能實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法，而DSP的控制功能不強，可以采用8051單片機控制數(shù)據(jù)采集板，將采集的原始數(shù)據(jù)送給DSP處理并將處理結(jié)果傳送給8位單片機。圖5給出了利用1片數(shù)字信號處理器TMS320F206（以下簡稱DSP）和2片AT89C51單片機（以下簡稱MCU）構(gòu)成多機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口圖。
本系統(tǒng)采用兩片CMOS靜態(tài)雙口RAM（IDT7132）實現(xiàn)MCU和DSP的數(shù)據(jù)雙向傳遞。雙口RAM作為DSP的片外數(shù)據(jù)存儲器，即用外部數(shù)據(jù)存儲器選通信號DS和高位地址信號經(jīng)高速或門輸出選通雙口RAM的片選信號。這樣
可以利用DSP的重復(fù)操作指令（RPT）和數(shù)據(jù)存儲器塊移動指令（BLDD）減少數(shù)據(jù)傳送時間，雙口RAM的8位數(shù)據(jù)總線接在DSP的低8位。IDT7132的仲裁邏輯控制只提供Busy邏輯輸出，而由于MCU無Busy功能，只能采用自行設(shè)計的軟件協(xié)議仲裁方法。將雙口RAM劃分為兩塊：上行數(shù)據(jù)區(qū)（DSP接收MCU采集的數(shù)據(jù)區(qū)）和下地數(shù)據(jù)區(qū)（DSP輸出處理結(jié)果區(qū)）。此處的上行數(shù)據(jù)區(qū)將遠大于下行數(shù)據(jù)區(qū)。采用DSP的4個I/O口與MCU中斷口和I/O口相連，并在數(shù)據(jù)區(qū)中規(guī)定一個信令交換單元。以DSP采集右端MCU上行數(shù)據(jù)為例，說明仲裁流程。
（1）初始化時，DSP置IO3為輸出口，保持高電平，IO2為輸入口（MCU使其初始化為低電平）。
（2）DSP需要采集MCU數(shù)據(jù)時，向右端IDT7132下行數(shù)據(jù)區(qū)的下行信令字單元（此處設(shè)為00H）寫入需要取數(shù)的信令字，再向右端MCU發(fā)中斷，置IO3為低電平，然后查詢IO2等待MCU應(yīng)答。
（3）MCU及時響應(yīng)中斷后，則先從IDT7132的下行數(shù)據(jù)區(qū)的下行信令字單元讀取DSP請求信息，檢測為DSP需要取數(shù)的下行信令。然后，向IDT7132上行數(shù)據(jù)區(qū)的上行信令字單元寫入數(shù)據(jù)，準備好需要DSP取數(shù)據(jù)的信令（00H）或數(shù)據(jù)未準備好的信令（01H）。最后，向DSP發(fā)送應(yīng)答信號，置IO2為高電平（此處高電平的持續(xù)時間不過長，只要DSP可以檢測到即可）。
（4）DSP檢測到IO2為高是平，表明MCU應(yīng)答，立即讀取IDT7132上行數(shù)據(jù)區(qū)的上行信令字單元。若為可以取數(shù)據(jù)的上行信令，則從IDT7132上行數(shù)據(jù)區(qū)取出采集數(shù)據(jù)，完成后，需要向右端MCU發(fā)送采集結(jié)束下行信令（01H）；若為數(shù)據(jù)未準備好的上行信令（01H），則跳轉(zhuǎn)至與左端MCU通信程序中。
以下是DSP部分采集右端MCU數(shù)據(jù)的部分代碼：
rx1: splk #0020h,60h
out 60h,wsgr ;設(shè)置等待狀態(tài)寄存器，指令周期為50ns；而IDT7132選用55ns，則需插入1個等待狀態(tài)
splk #0000h,dn-sig ;向下行信令字單元寫入00h（dn-sig表示下行信令字單元），通知MCU需要接收上行的語音數(shù)據(jù)
call int0gr ;向右端MCU發(fā)中斷
reply:in 70h,iosr
bit 70h,12 ；檢測IO3
bcnd reply,ntc ；IO3為低，返回reply，繼續(xù)檢測
lacl up-sig ；讀上行信令字單元（up-sig表示下行信令字單元）到累加器中
sacl 70h
bit 70h,15
bcnd rx2,tc ；若為01H，表示MCU沒有準備好，跳之與另一MCU通信rx2處；為00H，表示允許采集數(shù)據(jù)
mar *,ar1
lar ar1,#data-buf ;將目的數(shù)據(jù)塊首地址存入ar1輔助寄存器
rpt #data-size ;重復(fù)下一條指令（data-size+1）次
bldd #up-data,*+
splk #0000h,dn-sig ;向下行信令字單元寫入01h，表示采集數(shù)據(jù)結(jié)束，讓出雙口RAM上行數(shù)據(jù)區(qū)的使用權(quán)
call int0gr ；向右端MCU發(fā)中斷
b rx2
RPT和BLDD是TMS320F206的高級指令，充分體現(xiàn)了DSP的流水線特點。RPT沒有時間開銷，它使下一條指令重復(fù)執(zhí)行；BLDD是數(shù)據(jù)存儲器間塊移動指令，源和目的塊不一定都要在片內(nèi)或片外。當RPT和BLDD一起使用時，中斷應(yīng)該禁止，而且一旦流水線啟動，BLDD就變成了單周期指令，如上述程序，DSP采集100Byte的數(shù)據(jù)，指令周期為50ns，一個等待狀態(tài)周期則僅需50ns×2×100=10000ns=10μs，充分節(jié)省了采集時間，使DSP將更多的時間投入到算法中。
以下是產(chǎn)生中斷子程序：
int0gr：in 70h,iosr ;讀IO狀態(tài)寄存器到70H單元中
lacl 70h
and #0fffbh
sacl 71h
out 71h,iosr;置IO2為低電平，下跳變觸發(fā)INT0中斷
call wait1 ；延時，低電平的持續(xù)時間需滿足MCU接收中斷的要求
lacl 70h
or #0004h
sacl 71h
out 71h,iosr ;恢復(fù)IO2為高電平
ret
三、FIFO的雙向擴展和語音數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)
用DSP實現(xiàn)語音壓縮和解壓算法得到了廣泛的應(yīng)用。例如，用TMS320LC549可以實現(xiàn)基于G.723.1壓縮算法的全雙工語音編解碼器。G.723.1語音解碼器可將輸入的PCM編碼壓縮為6.3和5.3Kbps的語音數(shù)據(jù)，壓縮出的語音數(shù)據(jù)是每30ms突發(fā)輸出一幀。比如，6.3Kbps的速率，編解碼器每30ms輸出24Byte壓縮語音幀（包括信令數(shù)據(jù)），同樣，編解碼器每30ms突發(fā)接收24Byte語音數(shù)據(jù)解壓，輸出PCM編碼。為了實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的全雙工實時交換，可采用雙向FIFO設(shè)計交換系統(tǒng)。下面，以1片AT89C51（簡稱MCU）與2片TMS320LC549（簡稱DSP）實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)雙向交換為例，介紹FIFO的具體應(yīng)用。其中DSP用于語音數(shù)據(jù)的壓縮解壓；MCU用于轉(zhuǎn)發(fā)語音數(shù)據(jù)流和監(jiān)控；FIFO用于CPU之間的數(shù)據(jù)緩沖。
首先，用2片單向FIFO IDT7202擴展為雙向FIFO（也可使用專用的雙向FIFO），如圖6所示可以在A和B系統(tǒng)之間實現(xiàn)雙向通信。
圖7為語音雙向交換的原理簡圖（圖中未給出模擬話路和PCM編解碼器等）。MCU分別通過兩個雙向FIFO與相應(yīng)的DSP實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)交換。MCU對雙向FIFO的選通控制采用一片16V8GAL電路。DSP壓縮完一幀用中斷通知MCU取壓縮的語音數(shù)據(jù)。
MCU在中斷服務(wù)程序中接收壓縮語音。圖8給出了MCU的中斷服務(wù)程序。如圖8所吉，MCU分別在兩個對等的中斷服務(wù)程序中，從上行的FIFO接收上行的語音數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)發(fā)給另一個下行的FIFO。DSP檢測下行FIFO的空標志。若為空間，則從下行的FIFO中接收需要解壓的語音數(shù)據(jù)，并對語音數(shù)據(jù)包解壓回放。
由上可以看出，利用FIFO實現(xiàn)多機接口，硬件和通信流程簡單，并且在實際的調(diào)試中，本系統(tǒng)的語音數(shù)據(jù)得到實時交換，沒有出現(xiàn)語音幀丟失的情況，語音延時符合要求，可以實現(xiàn)全雙工通信。
結(jié)束語
本文介紹了以雙口RAM和FIFO為例，利用多端口存儲器設(shè)計多機系統(tǒng)。現(xiàn)對雙口RA幾FIFO比較如下：
（1）FIFO的仲裁控制簡單，但其容量不如雙口RAM。由于先進先出的特點，特別適合數(shù)據(jù)緩沖和突發(fā)傳送數(shù)據(jù)。某些芯片的內(nèi)部就集成小容量FIFO，例如，DSP的同步串口就集成兩個FIFO，用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖。雙口RAM的仲裁邏輯比FIFO復(fù)雜，但其容量較大。由于存儲數(shù)據(jù)完全共享，適用于雙機系統(tǒng)的全局存儲器和大容量數(shù)據(jù)存儲共享，例如大容量磁盤的數(shù)據(jù)緩存可采用雙口RAM。
（2）FIFO只給外部提供一個讀和一個寫信號，因此CPU用一個I/O地址便可讀或?qū)慒IFO，使硬件趨于簡單，給編程也帶來一些方便，但CPU不能對FIFO內(nèi)部的存儲器進行尋址。雙口RAM由于有兩套地址線，使硬件較FIFO復(fù)雜，但允許CPU訪問內(nèi)部存儲單元，因此CPU之間可以自己定主和分配數(shù)據(jù)塊以及數(shù)據(jù)單元，使軟件設(shè)計更加靈活。
在異種機系統(tǒng)設(shè)計中，利用雙口RAM和FIFO能夠?qū)崟r、快速、靈活和方便地進行相互通信，得到滿意的效果。
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