DSP與單片機(jī)的一種高速通信實(shí)現(xiàn)方法

　　1 引言

　　數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是一種適合于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，具有下列主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）采用改進(jìn)型哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)，可同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)指令和數(shù)據(jù)空間，允許實(shí)際在程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間進(jìn)行傳輸；（2）支持流水線(xiàn)處理，處理器對(duì)每條指令的操作分為取指、譯碼、執(zhí)行等幾個(gè)階段，在某一時(shí)刻同時(shí)對(duì)若干條指令進(jìn)行不同階段的處理；（3）片內(nèi)含有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，使乘法可以在單周期內(nèi)完成；（4）特殊的指令結(jié)構(gòu)和尋址方式，滿(mǎn)足數(shù)字信號(hào)處理FFT、卷積等運(yùn)算要求；（5）快速的指令周期，能夠在每秒鐘內(nèi)處理數(shù)以千萬(wàn)次乃至數(shù)億次定點(diǎn)或浮點(diǎn)運(yùn)算；（6）大多設(shè)置了單獨(dú)的DMA總線(xiàn)及其控制器，可以在基本不影響數(shù)字信號(hào)處理速度的情況下進(jìn)行高速的并行數(shù)據(jù)傳送。

　　由一片DSP加上存儲(chǔ)器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元和外設(shè)接口就可以構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，但這種方案要達(dá)到高速實(shí)時(shí)控制是不可行的。因?yàn)橐粋€(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)一般需要完成數(shù)據(jù)采集、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、分析計(jì)算、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)過(guò)程控制以及顯示等任務(wù)，單靠一片DSP來(lái)完成這些工作勢(shì)必會(huì)大大延長(zhǎng)系統(tǒng)對(duì)控制對(duì)象的控制周期，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。所以我們添加一個(gè)CPU，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、過(guò)程控制以及人機(jī)接口等任務(wù)，使DSP專(zhuān)注于系統(tǒng)控制算法的實(shí)現(xiàn)，充分利用它的高速數(shù)據(jù)處理能力。從性能價(jià)格比的角度出發(fā)，這個(gè)CPU采用8位的51系列單片機(jī)。這時(shí)，兩個(gè)CPU之間的數(shù)據(jù)共享就成了一個(gè)重要的問(wèn)題。

　　采用雙口RAM（簡(jiǎn)稱(chēng)DRAM）是解決CPU之間的數(shù)據(jù)共享的有效辦法。與串行通信相比，采用雙口RAM不僅數(shù)據(jù)傳輸速度高，而且抗干擾性能好。在筆者實(shí)驗(yàn)室研制的電力有源濾波器中，選用了TI公司的第三代DSP芯片TMS320C32和51系列單片機(jī)89C52作為控制系統(tǒng)的CPU。兩個(gè)CPU之間通過(guò)雙口RAM CY7C133完成數(shù)據(jù)交換。但在實(shí)際使用過(guò)程中遇到了89C52 與雙口RAM總線(xiàn)寬度不匹配的問(wèn)題，需要進(jìn)行接口電路的設(shè)計(jì)。

　　2 雙口RAM CY7C133的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能

　　CY7C133是CYPRESS公司研制的高速2K×16CMOS雙端口靜態(tài)RAM，具有兩套相互獨(dú)立、完全對(duì)稱(chēng)的地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn)，采用68腳 PLCC封裝形式，最大訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間可以為25/35/55 ns。采用主從模式可以方便地將數(shù)據(jù)總線(xiàn)擴(kuò)展成32位或更寬。各引腳的功能如表1所示，內(nèi)部功能框圖如圖1所示。

　　CY7C133允許兩個(gè)CPU同時(shí)讀取任何存儲(chǔ)單元（包括同時(shí)讀同一地址單元），但不允許同時(shí)寫(xiě)或一讀一寫(xiě)同一地址單元，否則就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。雙口RAM中引入了仲裁邏輯（忙邏輯）電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：當(dāng)左右兩端口同時(shí)寫(xiě)入或一讀一寫(xiě)同一地址單元時(shí)，先穩(wěn)定的地址端口通過(guò)仲裁邏輯電路優(yōu)先讀寫(xiě)，同時(shí)內(nèi)部電路使另一個(gè)端口的信號(hào)有效，并在內(nèi)部禁止對(duì)方訪(fǎng)問(wèn)，直到本端口操作結(jié)束。BUSY信號(hào)可以作為中斷源指明本次操作非法。在主從模式中，主芯片的信號(hào)接上拉電阻作為輸出，從芯片的信號(hào)作為寫(xiě)禁止輸入。

　　3 DSP、單片機(jī)與雙口RAM之間的接口電路

　　89C52的地址總線(xiàn)寬度為16位，數(shù)據(jù)總線(xiàn)為8位；TMS320C32的數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為32位，地址總線(xiàn)寬度為24位。而CY7C133的數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為16位，地址總線(xiàn)寬度為11位，所以TMS320C32與雙口RAM的接口并無(wú)特別之處，但是89C52與雙口RAM之間的接口電路中就需要對(duì)89C52進(jìn)行總線(xiàn)擴(kuò)展了。具體做法是利用鎖存器74HC373的鎖存功能，通過(guò)對(duì)其使能信號(hào)的控制，進(jìn)行分時(shí)讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)的擴(kuò)展，即利用鎖存器作為虛擬總線(xiàn)。具體的讀寫(xiě)過(guò)程、讀寫(xiě)信號(hào)及鎖存器使能信號(hào)的產(chǎn)生將在下面詳細(xì)說(shuō)明。DSP、單片機(jī)與雙口RAM之間的接口電路如圖2所示。

　　TMS320C32分配給雙口RAM的地址空間為0x800000h～0x8007FFh。通過(guò)三八譯碼器74HC138對(duì)A20～A23和STRB進(jìn)行譯碼，給出雙口RAM的片選信號(hào)CER。89C52分配給雙口RAM的地址空間為0x1000h～0x1FFFh。通過(guò)二四譯碼器74HC139對(duì)A13～A15進(jìn)行譯碼產(chǎn)生雙口RAM的片選信號(hào)CEL。雙口RAM每邊都有兩個(gè)讀/寫(xiě)控制信號(hào)，分別控制高位字節(jié)和低位字節(jié)的讀/寫(xiě)，在使用時(shí)可以根據(jù)需要分別對(duì)數(shù)據(jù)的高位和低位進(jìn)行寫(xiě)入操作。在圖2所示接口電路中，兩邊的兩個(gè)讀/寫(xiě)控制信號(hào)分別被連接在一起，也就是說(shuō)此時(shí)雙口RAM的讀寫(xiě)都是同時(shí)讀寫(xiě)16位數(shù)據(jù)。

　　圖2中雙口RAM CY7C133的讀寫(xiě)信號(hào)以及鎖存器74HC373的使能信號(hào)的產(chǎn)生如圖3所示。其中，WR是89C52的寫(xiě)控制信號(hào)，RD是89C52的讀控制信號(hào)，A0是89C52的地址最低位，A15是地址最高位，R/W是TMS320C32的讀寫(xiě)控制信號(hào)，BUSYL接89C52的P1口的一個(gè)引腳（具體可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情形自行選擇，圖中未畫(huà)出），BUSYR接TMS320C32的READY信號(hào)。

　　下面討論一下89C52對(duì)雙口RAM的讀寫(xiě)過(guò)程。當(dāng)89C52對(duì)雙口RAM進(jìn)行讀數(shù)據(jù)時(shí)，由圖3可知此時(shí)A0應(yīng)為低電平，不妨假設(shè)地址為0x1000h，則存儲(chǔ)在雙口RAM中該地址處的16位數(shù)據(jù)同時(shí)被讀出，由于高8位數(shù)據(jù)線(xiàn)與89C52的8位數(shù)據(jù)線(xiàn)直接相連，所以高8位數(shù)據(jù)被立即讀入89C52中。同時(shí)，根據(jù)圖3中各信號(hào)的相互邏輯關(guān)系不難判斷，U3的使能信號(hào)LE有效（高電平），OE無(wú)效（低電平），因而低8位數(shù)據(jù)被送入U(xiǎn)3 中鎖存起來(lái)。接著89C52再進(jìn)行一次讀操作，這時(shí)地址變?yōu)?x1001h，由于A0變成高電平，雙口RAM的讀使能信號(hào)變成無(wú)效電平，所以此次讀操作對(duì)雙口RAM不產(chǎn)生影響。再來(lái)看U3的使能信號(hào)LE和OE的變化情況，顯然LE變成了無(wú)效電平，而OE變成了有效電平，上次被鎖存的數(shù)據(jù)（即雙口RAM的低8位數(shù)據(jù)）被送入89C52。當(dāng)89C52對(duì)雙口RAM進(jìn)行寫(xiě)入操作時(shí)，注意此時(shí)A0應(yīng)為高電平，不妨假設(shè)地址為0x100Ch，同樣可根據(jù)圖3判斷U2的使能信號(hào)LE和OE均為有效電平，因而數(shù)據(jù)被同時(shí)寫(xiě)入雙口RAM中（即此時(shí)雙口RAM的高8位數(shù)據(jù)和低8位相同）；接著89C52再進(jìn)行一次寫(xiě)操作，此時(shí)地址變?yōu)?x100Dh，由于A0變成低電平，U2的片選為無(wú)效電平，U2被封鎖，數(shù)據(jù)寫(xiě)入雙口RAM的高8位。從上面的分析可知，利用最低地址位A0的不同電平，89C52通過(guò)兩次連續(xù)的讀或?qū)懖僮?，成功地?shí)現(xiàn)了對(duì)雙口RAM中數(shù)據(jù)的讀或?qū)懀徊贿^(guò)是讀入時(shí)是先讀入高8位，后讀入低8位；而寫(xiě)入則是先寫(xiě)入低8位，后寫(xiě)入高8位。

　　4 軟件實(shí)現(xiàn)方案

　　雙口RAM必須采用一定的機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)左右兩邊CPU對(duì)它的讀寫(xiě)操作，否則會(huì)出現(xiàn)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。通常可以用中斷、硬件、令牌和軟件這四種方式來(lái)協(xié)調(diào)雙方，本文采用的是軟件方式。從上面的分析中我們可以得知，在接口電路中實(shí)際上已經(jīng)利用89C52的最低地址位A0把雙口RAM的存儲(chǔ)空間分為奇、偶地址兩個(gè)空間。其中，奇地址空間專(zhuān)供89C52寫(xiě)，偶地址空間專(zhuān)供89C52讀。那么我們只需對(duì)TMS320C32的軟件作相應(yīng)處理即可，也就是說(shuō)，TMS320C32對(duì)雙口RAM的奇地址空間只讀，對(duì)偶地址空間只寫(xiě)。這樣就避免了TMS320C32和89C52對(duì)雙口RAM同一地址單元的寫(xiě)入操作。另外，在對(duì)雙口RAM進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)之前，CPU首先對(duì)本端的BUSY信號(hào)進(jìn)行查詢(xún)，只有本端/BUSY信號(hào)無(wú)效時(shí)才進(jìn)行讀寫(xiě)操作，進(jìn)一步保證了數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的可靠性。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)雙口RAM實(shí)現(xiàn)雙CPU之間的數(shù)據(jù)通信，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性，滿(mǎn)足了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、高速的控制要求。本文所設(shè)計(jì)的89C52與雙口RAM之間的接口電路簡(jiǎn)單實(shí)用，成功解決了它們總線(xiàn)匹配的問(wèn)題，對(duì)其他類(lèi)似需要總線(xiàn)擴(kuò)展的系統(tǒng)也有一定的參考價(jià)值。