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基于硬件仲裁和串行总线的多机通信

时间:12-11 来源:互联网 点击:
摘要 多个单片机通过串行总线度串行接口(I2C、SPI)存储芯片可以构成简捷、高效的多主机系统。多主机系统需要解决好共用串行总线的仲裁问题,本文给出利用优先编码器74HCl48和译码器74HCl38实现硬件仲裁的解决方法。与软件实现总线仲裁相比,该方法简单可靠,实时性高,可实现总线的预约功能,适用于由各种不同类型的CPU构成的多机系统,进一步提高多主机系统的性能。
关键词 多主机系统 串行总线 I2C SPI硬件仲裁优先编码器


引 言
随着单片机技术的发展和单片机芯片价格的下降,利用多个相同类型或不同类型的单片机构成一个多单片机系统,可以获得良好的系统灵活性和性能价格比,如可以用一个AT89C52单片机作多功能外围器件芯片。系统内多个单片机之间的通信可以有多种方式,如硬件UART、片内SPI/I2C总线、软件模拟SPI/I2C总线、I/O口、双口RAM和基于I2C总线及FRAM的通信方式。其中,基于串行总线(SPI或I2C)及串行接口存储芯片(FRAM或SRAM,如DSl302芯片内的SRAM)的通信方式是一种简单、高效、实用的解决方法。此时,系统可以有多个主机,需要解决串行总线的仲裁问题,即在某一个时刻只允许一个主机占用串行总线。在参考文献[1]和[4]中,分别采用测试序列和时间片的软件仲裁方法实现,需要占用CPU的处理时间,且在仲裁过程中有可能受到外部干扰,因此对软件编程的可靠性有较高的要求。本设
计利用优先编码器74HCl48和译码器74HCl38,通过硬件方式进行总线仲裁.使仲裁所需时间大为缩短,可靠性得到提高。
下面着重以n=8个主机系统为例说明串行总线硬件仲裁的实现方法,并将其推广到n>8的多机系统中。

1 译码器74HCl38功能简介
74HCl38是十分常见的三线一八线译码器。该译码器有3个输入A2、Al、A0,它们总共有8种状态的组合,可以译出8个输出信号Y0~Y7。从表1所列的74HCl38真值表中可以看出:当STA、STB、STC不满足使能条件时,Y0~Y7输出为1,均为无效信号;而当74HCl38满足使能条件时,Y0~Y7其中一个为0,即有一路有效信号(由A2、Al、AO决定),其余为1。(74HCl38引脚排列参见图1)

2 优先编码器74HCl48功能简介

74HCl48是八线一三线的优先编码器。该编码器有8个信号输入端,3个二进制码输出端。此外,电路还设置了输入使能端EI,输出使能端EO和优先编码器工作状态标志GS。从表2所列的74HCl48真值表中可以看出:当EI=1时,不论8个输入端为何种状态,3个输出端均为高电平,且输出使能端和状态标志端均为高电平,编码器处于非工作状态;当EI=O,且至少有一个输入端有编码请求信号(逻辑O)时,GS为0,表明编码器处于工作状态,否则为1。由真值表可知,在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入O端(优先级别最低位)时,A2AlAO均为111,此时可由GS的状态加以区别。当GS=1时,表示无输入信号,A2A1A0=111为非编码输出;当GS=O时,A2AlA0=111表示响应输入O端为低电平时的编码输出。E0只有在EI为0,且所有输入端为l时,输出为0,用于级联。
由表2可知,输入优先级别的次序依次为17,16,15,14,13,12,11,10。输入有效信号为低电平,当某一输入端有低电平输入,且比它优先级别高的输入端无低电平时,输出端才输出相对应的输入端的代码;同时,74HC148的编码输出为反码。例如,当17为O时,编码输出为000。(74HC148引脚排列参见图1)

3 硬件仲裁的实现
利用74HC148和74HCl38可实现8个主机的硬件仲裁,电路原理如图1所示。该电路以I2C总线芯片(如FM24C64)作为数据交换芯片。电路提供3种类型的信号:Ask、Reply、Status。Ask为总线请求信号,Reply为总线请求的返回信号,Status为总线状态。从图1可知,Ask的有效请求信号为低电平。当Ask0~Ask7都为高电平时,GS(Status)输出为高电平,此时74HCl38处于无效的工作状态,Reply0~Reply7均为高电平信号。只有当AskO~Ask7中至少有一个低电平时,GS(Status)输出为低电平,使74HCl38处于译码状态,Reply0~Reply7至少有一个低电平输出,故Starus为低电平表示总线被占用。

每个主机需要提供3个I/O口作为控制线和状态线用于总线仲裁,2个I/0口用于读写I2C总线。
以CPUA为例,当CPUA需要占用总线时,首先检查Status的状态,若为高电平,说明总线没有被占用,若为低电平,说明总线已被占用;当CPU没有占用总线时,CPUA可以发出总线申请信号(将Ask0置为低电平)。此时,也有可能有多个CPU同时发出总线申请信号,但只有优先级别最高的CPU申请有效。因此,CPUA随即检查Reply0的电平,若为低电平,则说明成功申请到总线,可以对I2C总线进行数据操作;否则,总线被其他CPU所占用,需要在Status为高电平时继续申请。
以图1为例,其中CPUH的优先级最高。必须说明的是,由于74HCl48输出的编码为反码,当74HCl48的17输入为低电平时,编码输出应为000,经74HC138译码输出Y0为低电平。同样,16对应Yl,依此类推。
CPU在发出申请之后,如果没有成功获得总线,就必须立即撤消总线申请信号(Ask置为高电平),否则将影响其他CPU的总线申请;如果成功获得总线,则在完成数据处理后,也必须立即撤消总线申请信号。
有关的软件编程也是相当简单的,以MCS51单片机为例;

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