89C52單片機與雙口RAM如何實現數據通信

1 引言

數字信號處理器（DSP）是一種適合于實現各種數字信號處理運算的微處理器，具有下列主要結構特點：（1）采用改進型哈佛（Harvard）結構，具有獨立的程序總線和數據總線，可同時訪問指令和數據空間，允許實際在程序存儲器和數據存儲器之間進行傳輸；（2）支持流水線處理，處理器對每條指令的操作分為取指、譯碼、執行等幾個階段，在某一時刻同時對若干條指令進行不同階段的處理；（3）片內含有專門的硬件乘法器，使乘法可以在單周期內完成；（4）特殊的指令結構和尋址方式，滿足數字信號處理FFT、卷積等運算要求；（5）快速的指令周期，能夠在每秒鐘內處理數以千萬次乃至數億次定點或浮點運算；（6）大多設置了單獨的DMA總線及其控制器，可以在基本不影響數字信號處理速度的情況下進行高速的并行數據傳送。

由一片DSP加上存儲器、模/數轉換單元和外設接口就可以構成一個完整的控制系統，但這種方案要達到高速實時控制是不可行的。因為一個實時控制系統一般需要完成數據采集、模/數轉換、分析計算、數/模轉換、實時過程控制以及顯示等任務，單靠一片DSP來完成這些工作勢必會大大延長系統對控制對象的控制周期，從而影響整個系統的性能。所以我們添加一個CPU，負責數據采集、模/數轉換、過程控制以及人機接口等任務，使DSP專注于系統控制算法的實現，充分利用它的高速數據處理能力。從性能價格比的角度出發，這個CPU采用8位的51系列單片機。這時，兩個CPU之間的數據共享就成了一個重要的問題。

采用雙口RAM（簡稱DRAM）是解決CPU之間的數據共享的有效辦法。與串行通信相比，采用雙口RAM不僅數據傳輸速度高，而且抗干擾性能好。在筆者實驗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89C52作為控制系統的CPU。兩個CPU之間通過雙口RAM CY7C133完成數據交換。但在實際使用過程中遇到了89C52 與雙口RAM總線寬度不匹配的問題，需要進行接口電路的設計。

2 雙口RAM CY7C133的內部結構和功能

CY7C133是CYPRESS公司研制的高速2K×16CMOS雙端口靜態RAM，具有兩套相互獨立、完全對稱的地址總線、數據總線和控制總線，采用68腳 PLCC封裝形式，最大訪問時間可以為25/35/55 ns。采用主從模式可以方便地將數據總線擴展成32位或更寬。各引腳的功能如表1所示，內部功能框圖如圖1所示。

CY7C133允許兩個CPU同時讀取任何存儲單元（包括同時讀同一地址單元），但不允許同時寫或一讀一寫同一地址單元，否則就會發生錯誤。雙口RAM中引入了仲裁邏輯（忙邏輯）電路來解決這個問題：當左右兩端口同時寫入或一讀一寫同一地址單元時，先穩定的地址端口通過仲裁邏輯電路優先讀寫，同時內部電路使另一個端口的信號有效，并在內部禁止對方訪問，直到本端口操作結束。BUSY信號可以作為中斷源指明本次操作非法。在主從模式中，主芯片的信號接上拉電阻作為輸出，從芯片的信號作為寫禁止輸入。

3 DSP、單片機與雙口RAM之間的接口電路

89C52的地址總線寬度為16位，數據總線為8位；TMS320C32的數據總線寬度為32位，地址總線寬度為24位。而CY7C133的數據總線寬度為16位，地址總線寬度為11位，所以TMS320C32與雙口RAM的接口并無特別之處，但是89C52與雙口RAM之間的接口電路中就需要對89C52進行總線擴展了。具體做法是利用鎖存器74HC373的鎖存功能，通過對其使能信號的控制，進行分時讀寫，實現數據總線的擴展，即利用鎖存器作為虛擬總線。具體的讀寫過程、讀寫信號及鎖存器使能信號的產生將在下面詳細說明。DSP、單片機與雙口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。通過三八譯碼器74HC138對A20～A23和STRB進行譯碼，給出雙口RAM的片選信號CER。89C52分配給雙口RAM的地址空間為0x1000h～0x1FFFh。通過二四譯碼器74HC139對A13～A15進行譯碼產生雙口RAM的片選信號CEL。雙口RAM每邊都有兩個讀/寫控制信號，分別控制高位字節和低位字節的讀/寫，在使用時可以根據需要分別對數據的高位和低位進行寫入操作。在圖2所示接口電路中，兩邊的兩個讀/寫控制信號分別被連接在一起，也就是說此時雙口RAM的讀寫都是同時讀寫16位數據。

圖2中雙口RAM CY7C133的讀寫信號以及鎖存器74HC373的使能信號的產生如圖3所示。其中，WR是89C52的寫控制信號，RD是89C52的讀控制信號，A0是89C52的地址最低位，A15是地址最高位，R/W是TMS320C32的讀寫控制信號，BUSYL接89C52的P1口的一個引腳（具體可根據系統實際情形自行選擇，圖中未畫出），BUSYR接TMS320C32的READY信號。

下面討論一下89C52對雙口RAM的讀寫過程。當89C52對雙口RAM進行讀數據時，由圖3可知此時A0應為低電平，不妨假設地址為0x1000h，則存儲在雙口RAM中該地址處的16位數據同時被讀出，由于高8位數據線與89C52的8位數據線直接相連，所以高8位數據被立即讀入89C52中。同時，根據圖3中各信號的相互邏輯關系不難判斷，U3的使能信號LE有效（高電平），OE無效（低電平），因而低8位數據被送入U3 中鎖存起來。接著89C52再進行一次讀操作，這時地址變為0x1001h，由于A0變成高電平，雙口RAM的讀使能信號變成無效電平，所以此次讀操作對雙口RAM不產生影響。再來看U3的使能信號LE和OE的變化情況，顯然LE變成了無效電平，而OE變成了有效電平，上次被鎖存的數據（即雙口RAM的低8位數據）被送入89C52。當89C52對雙口RAM進行寫入操作時，注意此時A0應為高電平，不妨假設地址為0x100Ch，同樣可根據圖3判斷U2的使能信號LE和OE均為有效電平，因而數據被同時寫入雙口RAM中（即此時雙口RAM的高8位數據和低8位相同）；接著89C52再進行一次寫操作，此時地址變為0x100Dh，由于A0變成低電平，U2的片選為無效電平，U2被封鎖，數據寫入雙口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通過兩次連續的讀或寫操作，成功地實現了對雙口RAM中數據的讀或寫，只不過是讀入時是先讀入高8位，后讀入低8位；而寫入則是先寫入低8位，后寫入高8位。

4 軟件實現方案

雙口RAM必須采用一定的機制來協調左右兩邊CPU對它的讀寫操作，否則會出現讀寫數據的錯誤。通?？梢杂弥袛?、硬件、令牌和軟件這四種方式來協調雙方，本文采用的是軟件方式。從上面的分析中我們可以得知，在接口電路中實際上已經利用89C52的最低地址位A0把雙口RAM的存儲空間分為奇、偶地址兩個空間。其中，奇地址空間專供89C52寫，偶地址空間專供89C52讀。那么我們只需對TMS320C32的軟件作相應處理即可，也就是說，TMS320C32對雙口RAM的奇地址空間只讀，對偶地址空間只寫。這樣就避免了TMS320C32和89C52對雙口RAM同一地址單元的寫入操作。另外，在對雙口RAM進行訪問之前，CPU首先對本端的BUSY信號進行查詢，只有本端/BUSY信號無效時才進行讀寫操作，進一步保證了數據讀寫的可靠性。

5 結束語

通過雙口RAM實現雙CPU之間的數據通信，極大地提高了數據傳輸速度和可靠性，滿足了控制系統的實時、高速的控制要求。本文所設計的89C52與雙口RAM之間的接口電路簡單實用，成功解決了它們總線匹配的問題，對其他類似需要總線擴展的系統也有一定的參考價值。
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