（机械设计及理论专业论文）基于新型总线的多cpu并行工作的mcu应用系统的研究与开发.pdf

r 浙江大学硕士学位论文 摘要 鞠6 8 5 3 电子技术的发展和单片饥 生能的提高，对单片 几应用系统的要求也越 柬越高。在任务复杂的工业测控或者科学实验设备中，使用多个c p u 并行 工作能有效地提高系统的实时性。总线是联系多个c p u 并行工作的通道， 总线的通信速率、可靠陛和方便扩展性影响着系统的整体工怍眭能，决定 着系统能否应用于实践。本文针对于m c s 5 1 系列单片机( m i c r o c o n t r o l l e r u n i t m c u ) ，设计了n e w b u s 总线并在此基础上设计了一套多c p u 并仃工怍的单片饥应用系统。该系统具育与汁算机并行串行通信、与下应 机查词通信、数据采集和脉冲信号处理等功能。主要工作包括以下几个方 面： 1 分析了单片机总线技术的发展、单片机应用系统发展趋势和多c p u 并行工 作系统的研究方向。 2 设计了适用于m c s 一5 1 系列单片机的多c p u 处理系统的总线t n e w b u s 总线) 。提出了总线的关键问题的解决方法。 3 基于n e w b u s 总线设计了硬件系统。主要包括主控c p u 板、数据采集板、 脉冲信号处理板、扩展接口板以及人机接口和g p i b 接口板。论述了系统 扩展方法，充分分析了使用共事r a m 双口r a m 时接入总线的方法并设计 了仲裁电路。设计了计算机并行口扩展板，。 4 设计了系统软件。主要包括主控c p u 监控程序、主，从c p u 通信程序、相 应功能板处理程序、与计算机和下位机通信程序。制定了系统通信的初步 协议。 5 提出了在系统扩充时，硬件和软件抗干扰措施。 通过本系统的设计和对总线及接口技术的分析，积累了实现多c p u 集中式 处理系统的经验，为本系统应用于工业测控或科学实验提供了理论和实践壁础。 关键词：单片饥总线并行处理多c p u 通信 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n de n h a n c e m e n to fm i c r o c o n t r o 】l e ru n i t ( m c u ) ，i ti sb e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e rt ot h er e q u i r e m e n to fm c u a p p l i c a t i o ns y s t e m i n t h ei n d u s t r i a l m e a s u r e c o n t r o lo rs c i e n t i f i c e x p e r i m e n t e q u i p m e n tw i t hc o m p l e xa s s i g n m e n t ，u s i n gm u l t i c p up a r a l l e lw o r kc a r le f f i c i e n t l y i m p r o v er e a lt i m ea b i l i t yo fs y s t e m 1 1 1 eb u si s t h ep a s s a g ec o n n e c t i n gw i t hm u l t i - c p u c o m m u n i c a t i o nv e l o c i t y , r e l i a b i l i t ya n de x t e n s i o ni n f l u e n c et l ep e r f o r l r l a n c eo f t h ee n t i r es y s t e ma n dd e c i d ei ft h es y s t e mc a l la p p l yt op r a c t i c e t 1 1 i sp a p e rm a i n l y d e a l sw i t ht h ed e s i g no fn e w b u ss y s t e mb u sf o rm c s 一5is e r i e sm c ua n d a p p l i c a t i o ns y s t e mw i 也p a r a l l e lw o r km u l t i c p uo nt h eb a s i so f i t t h i sa p p l i c a t i o n s y s t e m h a st h ef u n c t i o n so f s e r i a la n d p a r a l l e l c o m m u n i c a t i o nw i t hp c ， c o m m u n i c a t i o nw i t hs u b m a c h i n e ，d a t ac o l l e c t i n g ，p u l s es i g n a lp r o c e s s i n ga n do t h e r s t h i sp a p e r m a i n l yi n c l u d e s a sf c l f l o w s ： 1 a n a l y z et h ed e v e l o p m e n t o f b u st e c h n o l o g yo f m c u ，d e v e l o p m e n tt r e n do fm c u a p p l i c a t i o ns y s t e ma n dr e s e a r c hd i r e c t i o no fs y s t e mw i t hp a r a l l e lw o r km u l t i c p u ， 2 d e s i g ns y s t e mb u sr n e w b u s ) w i t hm u l t i c p uf o r m c s 。51s e r i e sm c u p u t f o r w a r d s o l v i n gm e t h o d so f k e yq u e s t i o n so f b u s 3 d e s i g nas e to f h a r d w a r ea c c o r d i n g t on e w b u s n l eh a r d w a r ec o n s i s t so f m a i n c p ub o a r d ，d a t ac o l l e c t i n g b o a r d ，p u l s es i g n a lp r o c e s s i n gb o a r d ，e x t e n d i n g i n t e r f a c eb o a r db ym a i nc p u h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n dg p i be t c e x p o u n d h o wt oe x t e n ds y s t e m a n a l y z eh o wt oc o n n e c tw i t hn e w b u sw h e nu s i n g s h a r e dr a mo rd u a l p o r tr a ma n dd e s i g na r b i t r a t i n gc i r c u i t d e s i g ne x t e n d e d p a r a l l e lp o r tc i r c u i tb o a r do f p c 4 d e s i g n as e to fs o f t w a r e i ti n c l u d e s m o n i t o r i n gp r o g r a m o fm a l nc p u ， c o m m u n i c a t i o np r o g r a mo f b e t w e e nm a i na n d s u b - c p u p r o c e s s i n gp r o g r a m w i t h s e l f - g o v e m e d c p uc i r c u i tb o a r d s ，c o m m u n i c a t i o n p r o g r a m b e t w e e nm c u a p p l i c a t i o ns y s t e m a n dp co rs u b m a c h i n e s e s t a b l i s ht h ef u n d a m e n t a l c o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 5 p u tf o r w a r da n t i - j a m m i n go f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ew h e n e x t e n d i n gs y s t e m 6 d e s i g n i n gt h i ss y s t e ma n da n a l y z i n gb u sa n di n t e r f a c et e c h n o l o g ym a k eu s a c c t u n u l a t em a n ye x p e r i e n c e so fr e a l i z i n gc e n t r a l i z e dm u l t i c p u p r o c e s s i n g s y s t e ma n dp r o v i d et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h i ss y s t e mt oa p p l y t oi n d u s t r i a lm e a s u r e c o n t r o la n ds c i e n t i f i ce x p e r i m e n t k e yw o r d s ：m c u ，s y s t e mb u s ，p a r a l l e lp r o c e s s i n g ，m u l t i c p u c o m m u n i c a t i o n 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着微电子技术的发展，单片机的性能不断提高，价格不断下降，又因其 体积小、集成度高、功能完善、具有较强的抗干扰性等优点而广泛应用于工业 测量控制、智能仪器仪表、通讯、家用电器等各个领域。 在国内外单片机应用中，尽管有工艺先进、集成度高和内部功能强的1 6 位单片机，但由于其价格昂贵，8 位机在大量的应用领域中一直占据首要地位， 这种趋势仍旧会保持相当长的时期【1 】。目前单片机市场比较流行的的8 位机 系列产品有：i n t e l 的m c s 5 1 系列，m o t o r o l a 的m 6 8 h c 0 5 、m 6 8 h c l l ， z i l o g 公司的z 8 系列及m i c r o c h i p 公司的p i c 系列等，其中m c s 5 1 系列单片 机以其良好的性能和价格比，广泛应用于工业控制中。 单片机自身迅速发展的同时，对单片机应用系统的开发也不断深入，应用 领域不断拓宽，工程上对单片机应用系统的要求也越来越高。由于被测控的对 象千差万别，尽管有多种多样、完成特定功能的c p u ，然而不可能有相应类型 的c p u 与其一一相对应，所以构成个完善的应用系统，不可避免要在一个单 片机基础上进行适当的外部扩展，来满足被测控对象的要求【2 】。常见的单片 机外部扩展包括：存储器扩展，i o 接口扩展，定时记数器以及其它特殊功能 扩展。在一些实时性要求比较高、任务繁杂的场合，用单一c p u 进行系统扩展 承担多任务是不合适的，因为单片机受到本身的运算速度、系统资源、存储空 间的限制：而且由于多任务分时处理，会使系统的实时性下降。因此可采用多 c p u 应用系统，各种比较复杂的任务由独立的c p u 承担，这种系统中某些特 定的任务可以独占c p u 资源，因此保证了系统的实时性，但是却产生了各带有 c p u 的应用系统之间如何协调工作的问题。多c p u 应用系统具体可分为分布 式系统和集中式系统，分布式系统采用串行外部总线相互通信，集中式系统采 用并行内部总线通信【3 】。当设计集中式系统时，现有的标准总线基本上不适 用于m c s 5 1 系列单片机多c p u 扩展。如何设计系统总线，比较简洁方便地进 行扩展，实现多任务实时处理仍旧是一个需要解决的问题。 本章将对单片机应用系统发展趋势和总线技术发展予以论述，分析多c p u 并行工作的m c s 5 1 系列单片机应用系统需要解决的问题，提出本课题研究意 义及内容。 塑垩查兰堡主兰焦堡塞一 1 2 总线技术的发展 总线是一组信号线的集合，是一种传送规定信息的公共通道，通过它可以 把数据和命令传送到各自的地方【1 】。 按照总线的使用范围，可把总线分为芯片级总线、板级总线( 也称局部总 线) 、系统总线( 也称内总线) 和外总线，当然还有其他的一些总线分类，板级 总线与局部总线关系如图1 1 。芯片级总线是指在芯片内部的各部分之间传送信 息的总线。板级总线是指应用系统中各模板上的总线，一般为并行总线。系统 总线是一个计算机或者单片机应用系统各模板之间传送信息的总线。系统总线 一般也为并行总线，包括数据总线、地址总线、控制总线和电源线四组。外总 线用于计算机与计算机或者单片机应用系统与应用系统之间传送信息的总线。 它又可分为并行和串行总线【l 】。 系统总线( 板极总线) 图1 i 局部总线与系统总线的关系 1 2 2 国内外总线技术发展 总线技术是随着微型计算机发展而逐渐发展起来的。在工业测控中广泛采 用并行底板( 母板) 总线，这种并行底板不同于通用计算机的主板，它的特点 是能以简单的硬件支持高速数据传输和处理，充分考虑了工业现场实际条件， 并使整个系统具有较高的兼容性，能够进行灵活配置，使系统能够在原始配置 的基础上，以最小的改动适应被测控对象的变化【2 ，3 ，2 4 。尽管总线为系统设 塑兰奎兰堡主兰竺堡塞 一 计提供了便利条件，但是没有一种总线结构能够满足每个用户的需求，这就是 出现了各种各样的总线标准的原因。这种并行底板总线就是微机的系统总线。 任何总线的设计都有其针对性，同时总线标准也不可能统一，因为它是各个企 业产品竞争的产物。单片机的外部扩展和通信，同样可以用这些总线1 2 - 3 】。 对于设计单片机应用系统，我们所最关心的是系统总线，其次是外部总线， 对于外部总线有并行和串行，基本上我们设计成标准的以利于与其他设备接口。 下面介绍目前常用的微型计算机系统总线和串行总线及其特点： 1 系统总线 ( 1 ) s 一1 0 0 总线 s - 1 0 0 总线是第一条标准化微型机总线，共有1 0 0 条引线。它以8 0 8 0 微处 理器为基础设计的。它的数据总线分成两组单向总线，这不适应于大多数具有 双向数据总线结构的微处理器和接口芯片。模板尺寸为2 5 4 m m x1 2 7 m m 属于大 板结构，冲击和抗震能力差，可靠性差。目前已很少使用。 ( 2 ) s t d 总线 s t d 总线是一种8 位总线，它有1 6 位地址线，8 位数据线，引脚为5 6 条。 s t d 总线有很多优点，在国内已得到广泛应用。s t d 总线主要是面向工业控制 设计的，采用小模板结构，尺寸为1 1 4 3 m i n x l 6 5 ，l m m ，每个模板可以完成一到 二个功能，其机械强度、抗冲击、抗振动等方面都具有良好的特性。s t d 总线 主要是针对z 8 0 ，8 0 8 0 ，8 0 8 5 等8 位c p u 和8 0 8 8 ，8 0 8 6 ，8 0 2 8 6 等1 6 位c p u 设 计的，对于1 6 位数据线的c p u ，需要采用周期窃取的办法，使总线上的高8 位 地址( a 8 “a 1 5 ) 既作地址线，又作数据线。m c s - 5 1 系列单片机尽管地址和数据 总线线可以兼容，但是单片机不具备控制总线的很多信号线，m c s - 5 1 单片机构 成的s t d 总线系统，一般情况只是单c p u 小型系统，依靠分时操作，不能完成 实时多任务处理。 ( 3 ) i b m p c 总线和a t 总线 i b mp c 总线是个人计算机采用的微型机总线，是6 2 引脚的并行总线，主 要为8 0 8 8 设计的。这种总线是用户在i b mp c x t 机的大母板上扩展i o 模板 的i o 总线。p c 总线的模板高度不定，没有导轨，抗冲击和抗振动能力差，对 温度和湿度要求高，不适用于工业应用。 a t 总线是m m 公司为了和8 0 2 8 6 微处理器兼容而在p c 总线基础上增加 3 6 个引脚的a t 扩展槽插座构成的。 ( 4 ) m u l t i b u s 总线 m u l t i b u s 总线支持多处理器并行运行，是由i n t e l 公司制定的，具有 8 6 条信号线a 具有这种总线结构的系统工作原理是多个c p u 通常在各自的局 部总线上运行，局部总线上有其局部存储器和局部i ，o ，当某c p u 要访问系统 塑兰查兰堕主兰垡笙壅 的公用存储器和i 0 时，才能通过总线仲裁占用总线。这种总线有很强多任务 处理能力。这种总线在使用多处理器时需要用到总线控制和总线总裁器，总线 信号繁多，由于m c s 5 1 系列单片机自身资源的限制，使用这种总线也是不合 适的。 ( 5 ) f d b a s e 总线 f d b a s e 总线是我国复旦大学的研究人员在s t d 总线的基础上设计的单 片机系统总线。它采用单片机为主处理机，数据总线为1 6 条。f d b a s e 的机 械特性基本与s t d 总线相同，也为5 6 信号线，但重新定义了信号，比较适用 于m c s 51 9 6 系列单片机。 f d b a s e 是一种非标准总线，对于单片机而言仍旧是以单c p u 为主的小 型系统，不适用于多c p u 智能模板扩充。 ( 6 ) i e e e 4 8 8 并行总线 i e e e 4 8 8 总线是一种并行外总线，即g p i b 接口总线，是由h p 公司制定 的8 通道并行接口标准，主要用于连接计算机、数字设备及其它仪器仪表等 其它微型计算机系统总线还有m o t o r o l a 公司的v m e 总线、i b m 公司 的微通道总线( m c a ) 、c o m p a q 公司的e i s a 总线以及p c i 总线等，都是适 用于高档c p u 的多处理机总线。 2 串行总线 ( 1 ) r s 一2 3 2 c 和r s - 4 8 5 串行总线 r s 一2 3 2 c 通过把t t l 电平转换为r s 2 3 2 电平来提高传输距离，增强抗干 扰能力。传送距离在1 5 m 以内，数据传输最高速率位2 0 k b p s 。对于远距离通信 需要通过调制解调器( m o d e m ) 。r s 4 8 5 采用了平衡驱动和差分接收的方法 消除了信号地线，因而一般不受地电位的波动和共模电磁的干扰，所以传输距 离和传输速度都有相当大的提高【8 】。 ( 2 ) b i t b u s 位总线 b i t b u s 位总线是i n t e l 公司为单片机在分布式控制系统中进行通信传输 而设计的一种串行总线结构。位总线的主体硬件部分借助于i n t e l 公司的 r u p i 4 4 系列单片机来实现。r u p i 4 4 系列单片机是把8 位单片机8 0 5l 系列和 高性能的串行通信接口单元集成在一块芯片上。 ( 3 ) 其它串行外总线还有p h i l i p 公司的1 2 c ，m o t o r o l a 公司s p i s i 。 1 2 c 外围器件为专用器件，使用通用c p u 需要用通过i o 口模拟时钟线和数据 线。s p i s c i 主要是针对m o t o r o l a 公司的6 8 系列单片机设计的。s p i 是同 步串行外围设备接1 ：3 ，可以用于双机或多机通信接口，也可以用于串行i o 芯 片接口；s c i 是异步串行通信接口。【3 ，1 0 】 4 浙江大学硕士学位论文 1 3 单片机应用系统发展趋势 单片机应用技术普及，促使单片机应用系统迅速发展。概括起来单片机应 用系统发展有以下四个特点：小型化、组合化、模块化、标准化【3 】。 1 小型化 ( 1 ) 模板小型化 大规模、超大集成电路的发展，功能强大的高性能器件、可编程的逻辑器 件( p l a 、g a l 、f p g a 等) 等新技术的出现，有效地减小了模板规模【5 ，6 】。 小模板具有明显优点，例如机械强度好，抗振动和冲击，散热好和容易解 决抗干扰等问题，因此适合于工业测控的环境要求。此外易于模块组合，降低 成本。 ( 2 ) 系统小型化 小系统易于维护，可靠性高。大系统可以采用分布式系统设计。 2 组合化 开放式体系结构和总线技术的发展，使工业测控系统组合化设计方法成为 可能。要求应用系统设计要考虑兼容性、开放性和可扩充性。人们不需要对特 定对象单独设计一种系统，而是根据应用系统要求选用成熟的硬件模板和软件 系统进行组合。 3 模块化 组合化的基础是模块化，它实质是把大的单板结构实现板级功能分散，每 个模板功能单一。硬件、软件的模块化具有明显的优点： ( 1 ) 将系统划分为若干个功能模板，可以积累经验，完善设计，利用现成 的功能模板迅速配套成各种用途的应用系统，极大地缩短了设计周期。 ( 2 ) 便于扩充，组态灵活，适应性强。如果系统需要增加或者改进一些功 能，只需要设计或者改动相应模板，而不需要重新设计系统。 ( 3 ) 调试、维修方便，十分有利于分工协作。 4 标准化 在系统或者产品设计时，采用标准总线可以简化系统设计；借助于已有的 软、硬件知识，甚至可以购买模板，缩短系统研制时间；具有良好的可维护性 和经济性。 1 4 多c p u 并行工作系统的研究方向 工业和科学实验应用中，经常遇到多个任务需要同时执行的情况。这种情 形不同于通用计算机的多任务操作系统处理。多任务操作系统实质上各个任务 浙江大学硕士学位论文 分时占用计算机资源，计算机速度和性能的提高，人们感觉不到是多个任务并 发执行。当每个任务都要求独占计算机资源时，使用多c p u 并行工作是必然选 择。另外由于应用系统中丰富的i o 接口和高档c p u 昂贵价格也是使用多c p u 处理系统的一个重要原因。 多c p u 并行工作系统分三种类：分布式系统、主从式系统和多主c p u 系 统，它们之间通过并行或者串行总线联系【3 】。 1 分布式多c p u 系统 在分布式多c p u 系统中，每个c p u 通过一条串行总线连接，每个c p u 都 有自己独立的存储器和i o 接口。其结构可靠，应用灵活。适用于控制对象分 散、系统间通信传输率不高的场合。 2 主从式多c p u 系统 主从式系统只有主控c p u 能控制总线，占用总线资源，从c p u 一般不能 占用总线资源，只是被动执行主c p u 发来的命令并完成指定的任务。其关键问 题是解决主c p u 与多个c p u 的通信问题，一般主从c p u 通信方式采用i o 应 答式、双口r a m 或共享r a m 技术。 3 多主c p u 系统 多主c p u 系统的各个c p u 的地位是平等的，每个c p u 可以直接访问总线 上的系统资源。通过总线仲裁，在并发争夺总线的情况下，优先级高的获得总 线的使用权。关键技术是如何解决多c p u 在总线上的竞争，其软件处理也相当 复杂，涉及到处理机调度、并行计算、通信等等。多主c p u 系统显著特点是运 行速度快，一个任务可以分给多个c p u 同时处理；可靠性高，一个c p u 失效 不会引起系统崩溃。实际上多主c p u 系统并不适用于工业测控系统，工业测控 系统的输入输出接口是差别是很大的，但对于极其复杂的一个任务进行并行处 理就会有很大的优越性，同时它的可靠性也是相当高的。 对于多c p u 并行工作的单片机应用系统，主要研究分布式多c p u 系统的 可靠性和传输速率以及主从式多c p u 系统的主c p u 和各从c p u 之间如何通过 总线进行接口、数据传输。 1 5 本课题的研究意义 通过前面的对总线的分析，比较适用于单片机的系统总线是s t d 和f d b a s e 。s t d 总线并不是针对m c s 一5 i 系列单片机设计，单片机并不提供多数 信号线；f d b a s e 虽然针对于m c s 5 1 9 6 系列单片机设计，但是没有充分考 虑多c p u 扩展，在整个系统实时性要求较高的情况下是不适用的。 由于以上原因，设计一个基于m c s - 5 1 系列单片机的总线，能够方便简洁 6 塑婆查兰堡主兰篁笙茎 地实现系统多处理器扩展，可以满足实时性要求较高的工业测控和实验设备等 集中式系统的需要，并能够实现模块化设计，有利于经验积累，降低系统造价， 同时也为m c s 5 1 系列单片机处理复杂任务提供了一种有效的方法。 1 6 本课题研究的主要内容 本课题硬件部分几乎涉及到了单片机应用的各种接口设计，最关键的部分 是总线接口的设计，它关系到系统是否能够协同工作、方便扩展：其余部分是 相应模板的设计。软件部分主要研究分布式和主从多c p u 工作系统的协议制 定。主要进行工作如下： 1 在充分借鉴已有总线的基础上，设计适用于m c s 5 1 系列单片机的多c p u 处理系统的总线( n e w b u s 总线) ； 2 设计n e w b u s 总线的单片机应用系统的通用扩展方法，并对总线的扩展 能力予以论述； 3 设计单片机应用系统与计算机的串、并行接口； 4 研究总线上数据传输方式； 5 研究总线的传输速率； 6 设计主c p u 板，并对主c p u 板控制信号进行详细分析： 7 设计智能接口板( 从c p u 板) ，分别处理脉冲信号和和模拟信号； 8 设计主c p u 及扩展板完成通信控制器功能，p c 机通过通信控制器管理 主从式多c p u 系统和分布式多c p u 系统； 9 论述共享r a m 或者双口r a m 的解决方案。 1 0 探讨其他接口( 键盘接口、打印接口和g p i b 接口) 在n e w b u s 总线上的 实现方法： l1 总结并分析在n e w b u s 总线上进行扩展时需要考虑的软件和硬件抗干扰 措施； 1 2 制定通信协议，设计系统配套的软件。 塑兰查兰翌主兰垡笪墅一 第二章新型总线的研究与开发 【本章摘要】本章针对m c s ，5 1 系列单片机应用系统，详细分析了几种常用总线在多c p u 扩展时存在的问题，并设计了n e w b u s 总线。详细描述总线信号的功能，对总线上中断 信号的产生进行了总结和设计，设计了总线上扩充模板的通用接口，并对总线传输率、总 线驱动和隔离、总线匹配等关键问题进行了分析，最后阐明了n e w - b u s 总线的优越性。 2 1 常用单片机系统总线分析 比较适用于m c s 5 1 系列单片机的系统总线是s t d 总线和f d b a s e 总线。 p c b u s 总线主要面向通用计算机而设计，对使用环境要求比较高，此外m c s 5 1 系列单片机不能提供绝大部分信号线，所以它是不适合作为单片机的系统总线。 基于s t d 总线或者f d b a s e 总线的m c s 5 1 系列单片机应用系统一般都是单 c p u 的小型系统，不能实现多c p u 并行处理系统。 2 1 1 s t d 总线的单片机应用系统存在问题 由于s t d 总线不是针对于单片机而设计，所以使用s t d 总线的单片机系 统需要考虑兼容问题。s t d 总线可分为电源线、地址线、数据线和控制线四组。 单片机的电源线( 包括地线) 可以和s t d 总线兼容。对于m c s 5 1 系列单片机 而言，数据线和地址线经过总线驱动缓冲后，也是可以兼容的。但是s t d 总 线的很多控制信号单片机没有，单片机的某些信号线s t d 总线没有。一般情况 下，单片机的控制信号与s t d 总线的对应按照表2 1 1 所示【1 ，2 ，3 ，8 】。 表2 1 1 ：m c s 5 1 系列单片机与s t d 总线的对应关系 i 引脚s t d 规范单片机实现引脚s t d 规范 单片机实现 l 3 1w rw r3 2 r dr d 3 3i o r q 划定存储区 3 4 m e m r q 3 51 0 e x p 3 6m e m e x 3 7r e f r e s h 3 8m c s y n ca l e 3 9s t a t u s i 4 0s 1 a t u s o 4 1b u s a k4 2b u s r q 4 3i n t a k 读一个指定口 4 4 i n t r q i n t l 4 5w a i t 读一个指定口 4 6 n m i r q i n t o 4 7s y s r e s e t4 8p b e t e s e tr e s e t 4 9c l o c kc l o c k5 0c n t r l 5 1p c o5 2p c i 注：表示m c s 5 1 系列单片机不提供的信号。 浙江大学硕士学位论文 由表中可以看出，使用s t d 总线的m c s 5 1 单片机应用系统存在以下两个 方面问题： c p u 板只提供了基本的输入和输出信号，并只能在一个c p u 板的基础 上进行扩充，整个系统依靠单c p u 分时操作，不能在总线上进行多c p u 扩展。 总线上空闲引脚并未给出明确定义及其产生方法。所以需要对总线上控 制信号进行重新设计。 2 1 2 f d b a s e 总线的单片机应用系统存在问题 由于8 位数据线的s t d 总线系统用于1 6 位单片机时有很大困难，用户在 硬件上的开销很大，因此，复旦大学的研究人员在吸收s t d 总线优点的基础上， 考虑了8 位和1 6 位单片机模板兼容问题而设计的f d b a s e 总线系统【2 】。 f d b a s e 总线也是5 6 条总线，机械特性和电气特性基本与s t d 相同。其 控制总线见表2 1 2 。实质上，它是把单片机不提供的s t d 总线的信号线中的8 个定义为高8 位数据总线，并重新排列了s t d 总线的信号引脚。 表2 1 2 ：f d b a s e 总线的控制总线的定义 引脚信号名说明引脚信号名说明 3 9a l e 地址锁存信号 4 0p s e n 取指信号 4 1w r 写信号 4 2r d 读信号 4 3b h e ，、 佩h 高，f 氐位数据写 4 4 b u s w i d t h 数据宽度选择 4 5e x t i n t 中断请求 4 6c l o c k 时钟 4 7 b u s r q总线请求 4 8b u s a k 总线响应 4 9 w a i t r q等待请求 5 0i o e x i o 扩展 5 1 s y s r e s e t 系统复位 5 2m e m e x 存储器扩展 f d b a s e 总线有效地解决了8 位和1 6 位单片机兼容问题，但在使用多处 理器时，显得极不完善。表现在总线仲裁时，只能使用链行( 串行) 总线仲裁。 这种总线仲裁方式要求在主c p u 模块中有总线控制器和总线仲裁器，从c p u 模块中有总线仲裁器【l ，2 】。实际上，这种电路结构对于使用m c s 5 1 9 6 系列 单片机来说是很复杂的。从其公布的技术规范中，并没有说明如何进行总线上 多处理器扩展。 2 2 新型总线 n e w - b u s ) 的定义 考虑到现有标准总线不适用于m c s 5 1 系列单片机的多c p u 处理系统，在 参阅p c b u s ，f d b a s e ，s t d 等总线的基础上进行重新定义总线( 以下称 9 浙江大学硕士学位论文 n e w b u s ) 。主要以s t d 总线为蓝本，适用于m c s 5 1 系列单片机构成的单片 机应用系统或者智能仪器，机械特性和电气特性基本按照s t d 标准。 s t d 总线主要是面向工业测控的，充分考虑了到恶劣的现场环境，其机械 结构合理，抗震性能好。采用宽高= 4 5 i n 6 5 i n = 1 1 4 3 m m 1 6 5 1 m m 的小插 件摸板结构，模板的两侧有导轨，用于固定。底板上装有若干个5 6 引脚的插座， 每个插座的5 6 个引脚与底板上的总线相连。底板上只有总线，不焊接其它元器 件【2 ，8 】。由于s t d 总线有不同插座的标准机笼，可以根据需要在市场上购买， 方便了n e w b u s 总线系统的设计。当然也可以按照s t d 总线要求自行设计。 n e w b u s 总线借鉴p c 总线的多中断处理结构，从而方便了系统扩充； 借鉴f d b a s e 总线，主要考虑的是单片机所能提供的系统资源。 2 2 1 引脚定义 n e w b u s 总线是5 6 条信号线和电源线构成的并行总线，按其功能可分 为四类：电源总线，数据总线，地址总线。引脚定义见表2 2 1 ： 表2 2 1 ：n e w b u s 总线信号于引脚描述 引脚序号名称信号流向说明 lv c c逻辑电源( + 5 v ) 2v c c 逻辑电源( + 5 v ) 逻辑 3g n d 输入逻辑地 电源 4g n d 逻辑地 总线 5v b a t 备用电源线 6v b b 逻辑偏压 7d 3 8d 7 9d 2 数据1 0 d 6 双向数据总线 总线 l ld l 1 2d 5 1 3d o 1 4d 4 1 5a 7 1 6a 1 5 1 7a 6 1 8a 1 4 l ga 5 2 0a 1 3 地址2 la 4 总线2 2h 1 2 输出地址总线 2 3a 3 2 4a 1 l 2 5a 2 2 6a 1 0 2 7a 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 8a 9 2 9a o 3 0a 8 控制3 1w r输出存储器或i 0 写 总线 3 2r d 输出存储器或i o 读 3 3i o r q 输出i o 地址选通 3 4m e m r q 输出存储器扩展选址 3 5 1 0 e x p输出 i 0 扩展 3 6m e m e x p 输出 存储器扩展选址 3 7 i r q 3输入中断请求3 3 8m c s y n c 输出c p u 机器周期同步 3 9 i r q 2输入中断请求2 4 0 i r q 7输入 中断请求7 4 1 i r q i输入中断请求l 4 2 i r q 6输入中断请求6 4 3 i r q o输入 中断请求0 4 4 i r q 5输入中断请求5 4 5 w a i t r q输入 等待查询 4 6 i r q 4输入中断请求4 4 7 s r e s e t 输出系统复位 4 8s c t r l l 输出 系统控制1 4 9 c l o c k 输出时钟 5 0s c t r l o 输出系统控制0 5 1 s i n q o输入状态查询0 5 2 s i n q i输入状态查询1 5 3a g n d 输入辅助电源地 辅助5 4a g n d 输入辅助电源地 电源 5 5a u x + v 输入辅助正电源( + 1 2 v ) 5 6a u x v 输入辅助负电源( 一1 2 v ) 说明：信号流向是相对于主c p u 模板的流向。 2 2 2 控制信号线描述 w r ，r d ：由主c p u 发出，低电平有效： i o r q ：i o 选址信号，由主c p u 发出，低电平有效： i o e x p ：可以作为i o 口扩充，功能与i o r q 相同； m e m r q ：作为主c p u 扩展r a m 或者主c p u 和从c p u 使用双口r a m 时 的另一端选通信号，低电平有效； m e m e x p ：存储器扩展选址，作为主c p u 扩展r a m 或者与从c p u 使用 共享r a m 的选通信号线； 由于m c s 5 1 系列单片机把存储器和y o 口同等对待，因此必要时i o r q 、 i o e x p 、m e m r q 、m e m e x p 是可以互相代替的； m c s y n c ：c p u 机器周期同步，用来保持特定的外围芯片与处理器操作同 步，由主c p u 发出目口m c s s i 系列单片机的a l e 信号线； 塑坚查兰塑主兰焦笙室 i r q 0 i r q 7 ：中断线，由从c p u 模板产生，高电平有效； w a i t r q ：作为主c p u 与低速外设连接时的系统等待线，由扩展模板发出， 高电平有效； s r e s e t ：系统复位线，高电平有效： c l o c k ：主c p u 时钟线，由x t a l 2 经缓冲后发出； s c t r l 0 s c t r l l ：由主c p u 发出作为外部设备、从c p u 控制线： s i n q 0 s i n q l ：从c p u 或者扩展i ，0 板发出，由主c p u 查询。 2 3n e w b u s 总线的扩展能力及约定 主c p u 的扩展i o 模板受底板的插座个数限制，插座数最多不超过2 0 个， 这是由总线的驱动能力决定的。 从c p u 模板一般在8 块。可以增加，但是只能用共享r a m 或双口r a m 。 总线完全由主c p u 管理，从c p u 不能占用总线，主从c p u 通信是通过从 c p u 扳上的接口部件或者双口r a m 、共享r a m 来完成。 n e w b u s 总线的单片机应用系统总体结构如图2 2 1 ： n e w b u s 系统总线 图2 2 i ：n e w b u s 总线系统构成 2 4n e w - b u s 总线的关键技术的研究和探讨 所设计的总线能否应用于实践，要考虑信号线产生和接口的复杂度、总线 驱动能力、模板调试方便性等。以下将充分地分析、研究与总线相关的技术并 对一些实用方法进行整理、设计，说明我们开发的单片机应用系统采用的技术。 1 2 浙江大学硕士学位论文 2 4 1 多中断处理技术 m c s 5 1 系列单片机只有两个外部中断，而主c p u 板上要接收8 个中断，因 此必须进行中断扩展。通常用的有四种方方法。 1 5 个中断全部作为外部中断 把两个外部中断、两个定时器溢出中断和一个串行口中断全部作为外部中断 使用，但是此种方式几乎用尽了c p u 资源，使c p u 不能发挥应有功能。一般 情况不使用。 2 集电极开路反向器【1 】 把设备的中断输入线经过集电极开路的反向器( 即o c 门输出) 输出接到一 起，再连接到8 0 3 l 的中断线，注意反向后需要用上拉电阻。无论是哪个外部设 备产生中断都能使i n t 0 引脚变为低电平，产生中断，c p u 通过查询p 1 口而获 得是那些外部设备产生中断信号，按照预先规定优先级执行中断处理程序。此 方法接口简单( 如图2 4 1 ) 。一般只能适用于中断不频繁发生的情况，它的明显 缺陷： 占用了c p u 的p 1 资源； 占用大量c p u 查询时间； 无论使用边沿触发方式还是使用电平触发方式，中断的撤除和中断嵌套问 题将十分难以解决，软件编程复杂。 + 5 v 图2 4 1 集电极开路反向器实现的多中断扩展 3 使用优先权编码器7 4 l s l 4 8 实现【9 】 塑兰查堂翌主兰垡造窭一 _ _ _ - j 一 如图2 4 2 所示，编码群输出端g s 与c p u 的外部中断源i n t o 相连，e i 为编码器使能端。当外部设备有中断产生时，会在i n t o 产生低电平下降沿，c p u 查询p i 口，按照预先规定好的中断优先级执行中断。使用编码器只需要占用p 1 口的三条信号线就可以扩展8 个外部中断，尽管占用c p u 资源和查询时间减少 了，仍有中断撤除和中断嵌套问题需要解决，适用条件与方法- $ 1 同。 g n d 图2 4 2 使用优先权解码器实现的多中断扩展 中 断 输 入 端 4 使用8 2 5 9 中断控制器 8 2 5 9 是一种可编程的中断控制器( i n t e r r u p tc o n t r o l l e r ) ，主要为8 0 8 6 8 0 8 8 和8 0 8 0 8 0 8 5 扩充中断源而设计，也可以用于m c s 5 1 系列单片机。一片8 2 5 9 可以扩展8 个中断，并具有优先级控制能力，还可以进行级联扩展更多的中断， 实际上8 2 5 9 有很强的控制功能。【1 4 6 ，8 , 2 2 ，3 8 1 我们设计的n e w b u s 就是以 8 2 5 9 来扩展中断的。 8 2 5 9 按照下列过程处理外围设备的中断申请( 见图2 4 - 3 ) ： ( 1 )当在i r 0 - i r 7 的中断请求输入端上有一个或多个出现高电平时，i r r 的相应位置“1 ”，表明相应设