[科普中国]-多中央处理机-

基本概念

多中央处理机即多CPU系统，我们所说的多CPU系统通常包括四种不同的形式即多处理器系统（Multiprocessor Systems）、多计算机系统（Multicomputer Systems）、网络系统（Network Systems）和分布式系统（Distributed Systems）。

嵌入式系统硬件标准化、模块化的设计，一直以来倍受设计人员重视。微型计算机技术的快速发展，各种各样的单片机系统被开发出来，由于功能强大、价格低廉、灵活性强，所以被广泛地用来代替纯硬件电路组成的子模块，通过软件控制，使得每个子模块具有分析判断、控制能力，较纯硬件电路组成的子模块相比，有很大的优越性。另一方面，由于单片机处理速度慢、任务多，一个系统仅靠一个CPU有时难以达到技术要求。所以，目前比较复杂的嵌入式系统一般都由若干个含有CPU的子模块组成，即多CPU嵌入式系统。在多CPU嵌入式系统中，各个CPU之间的任务协调，数据传递是系统设计的关键，也是难点。

多CPU系统中的数据共享数据共享是指多个CPU之间通过一个或几个存贮器来传递相互间的信息。通常一个CPU将要传递的数据，写入到存贮器的固定区域，然后通知另一个CPU去取出数据，对数据进行处理。将处理的结果再写入到存贮器某一区域，通知有关CPU取走并进行处理。

数据共享是多CPU系统传递信息、协调任务的一种重要手段。通常共享的存贮器可以是双端口RAM，也可以是串口。在实际中要根据系统的实时性要求进行选择。一般，对于实时性要求高、需要传输大量数据的系统宜选用双端口RAM作为共享存贮器，如音频、视频信号的分析处理，否则宜选用价格相对便宜的串口作为共享存贮器（如24C02，93C46等），以优化设计降低成本。

多CPU之间的通信利用双端口RAM实现CPU之间通信双端口RAM是一种高速的存储器芯片，有两套地址总线、数据总线和控制总线，并有一套竞争裁决电路。因此，2个CPU在仲裁电路控制下，可以通过各自的地址总线、数据总线对其进行读写操作，方便地进行CPU之间的数据交换。常用的CMOS双口RAM有IDT7132, ID7102等。利用双端口RAM组成的多CPU系统原理如图所示：

该系统特点是数据交换量大、速度快，适用于快速数据传输，但是系统的成本较高。能否用单端口RAM实现双端口的功能呢，答案是肯定的。

利用单端口RAM实现CPU之间的通信顾名思义，单端口RAM只有一套地址总线、数据总线、控制总线。要实现双端口RAM的功能，就必须由硬件电路将一套总线变成两套总线，分属2个CPU控制。另外还必须设计一套竞争仲裁电路，防止2个CPU同时对RAM的操作冲突。好在这种接口电路的设计并不是太困难，74HC244， 74HC245再加一些门电路就能解决问题。

利用串口EPROM实现CPU之间的通信串口由于其引线少，价格低廉，在嵌入式系统中得到了广泛的应用。下面以共享25C02为例，介绍多CPU之间的数据传输。原理如图所示：

图中CPU1与CPU2通过共享25C02，CPU2与CPU3通过共享25C02完成他们之间的通信。

利用串行总线实现多CPU之间的通信随着计算机技术的发展，计算机的串口通信越来越多样化。同步串口通信、异步串口通信、总线、SPI总线、USB等，由于其实用性好，越来越为设计者所关注。特别是在多CPU嵌入式系统中，各个CPU通过串行总线相连可以方便地进行多CPU之间的通信。

（1）用总线实现多CPU之间的通信

(Inter Intergrated Circuit)总线是由Philips公司提出并注册的一种总线接口标准，是一种主从结构的二线同步总线，其中一根是同步移位时钟SCL，另一根为数据线SDA。各CPU通过2条线相连，其原理如图所示：

系统中的CPU可以选用带有总线接口的，如Philips公司的80C652, P87LC764等，其通信软件包可以在网上下载，对于不带总线接口的CPU，可以通过I/O模拟Iz C总线，相应软件可从网上下载，也可自己编写。

有4种工作模式、主发送模式、主接收模式、从发送模式、从接收模式。根据各子系统需要，合理选用其工作模式即构成总线多CPU通信系统。Iz C总线的数据传送格式如图所示：

S为Start信号，SLA为从机地址，也可以是通信地址；R/W为读写控制位；A为ACK应答位；DATA0~DATA7为数据字节；S/P为下一个start或stop信号。

（2）利用SPl总线实现多CP U之间通信

SPI( Serial Peripheral Interface)总线是由Motorola公司提出并拥有商标的一种总线接口标准，是一种4线同步串行总线。4根线分别是：片选CS；串行移位SCK；串行移位数据输入SI；串行移位输出SO。在同一时刻串行数据移位输入、输出不能同时进行，因此，可以将二者连在一起，共用一根口线(即三线同步串行并线)。

如图是典型的基于 SPI总线组成的多CPU系统：

系统中的CPU可以采用带有SPI总线接口的单片机。对于没有SPI总线接口的单片机系统，可使用普通I/O口模拟SPI总线，其通信程序自编。利用SPI总线组成的一个三级多CPU系统运行结果良好。利用串行总线实现多CPU通信，其优点是：连线简单、方便、可靠，产品性价比好；缺点是数据传输速度慢，实时性差，不宜用于数据量大、通信频繁的多CPU系统1。