多端口存儲器在多機系統(tǒng)中的應用

發(fā)布時間:2008/5/26 0:00:00 訪問次數(shù):2704

來源：單片機及嵌入式系統(tǒng)應用作者：柳永勝黃祥偉趙武智摘要：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(shù)字信號處理器和mcs-51單片機構成的多機系統(tǒng)中的應用，并對二者進行了比較。

關鍵詞：雙口 ram fifo 多機系統(tǒng) 仲裁邏輯 dsp 單片機

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(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(fā)busy閉鎖信號。

（2）存儲單元數(shù)據(jù)塊的訪問權限分配

存儲單元數(shù)據(jù)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(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合軟件實現(xiàn)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(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(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，fifo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。