DSP和80C196雙CPU構(gòu)成的高速實時控制系統(tǒng)設(shè)計

DSP也稱數(shù)字信號處理器。TMS320C31是TI公司的第三DSP芯片,它的基本結(jié)構(gòu)包括：（1）程序文憑間與數(shù)據(jù)空間分開的總線結(jié)構(gòu),可以對程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器這兩個獨立的存儲器進行獨立編址、獨立訪問;（2）流水線結(jié)構(gòu),以三級流水線操作為例,在每個指令周期內(nèi),三條不同的指令都處于激活狀態(tài),但處于不同的階段,分別為取指、譯碼和執(zhí)行;（3）專用的硬件乘法器,使乘法可以在單周期內(nèi)完成;（4）特殊的DSP指令;（5）快速的指令周期,可以達到33.3ns,即每秒能執(zhí)行60M條指令。

由一片TMS320C31加上存儲器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元和外設(shè)接口就可以構(gòu)成一個完整的控制系統(tǒng),但這種方案若要達到高速實時控制則是不可行的。因為TMS320C31除要完成復(fù)雜的算法,還要采集處理數(shù)據(jù)、控制外部系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)和實現(xiàn)人機接口等功能,而這些工作勢必會大大延長系統(tǒng)對控制對象進行控制的周期。所以我們采用TMS320C31和一個通用微處理器80C196一起來作為這個高速實時控制系統(tǒng)的CPU。其中80C196作為主機,負責(zé)數(shù)據(jù)的采集處理、外部系統(tǒng)中執(zhí)行機構(gòu)的控制和驅(qū)動以及人機接口等功能;TMS320C31作為從機,負責(zé)復(fù)雜算法的實現(xiàn)。這樣可以使TMS320C31專注于算法的計算,充分利用它高速數(shù)據(jù)處理的能力。TMS320C31與80C196之間通過雙口RAM進行高速數(shù)據(jù)通信,之所以采用雙口RAM是因為這種通信方式數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎芨?并且抗干擾性能較好。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由兩大模塊組成：算法模塊和輸入輸出控制模塊。算法模塊以TMS320C31為核心構(gòu)成,是整個系統(tǒng)的計算中心,負責(zé)復(fù)雜算法的實現(xiàn);輸入輸出控制模塊以80196為中心構(gòu)成,負責(zé)數(shù)據(jù)的采集處理、外部系統(tǒng)中執(zhí)行機構(gòu)的控制和驅(qū)動以及人機接口等功能。算法模塊與輸入輸出控制模塊之間通過雙口RAM IDT7140進行高速數(shù)據(jù)通信。算法通過從輸入輸出控制模塊處獲得算法所需的輸入數(shù)據(jù)（即實時采樣到的數(shù)據(jù)）,然后將計算結(jié)果送給輸入輸出控制模塊,最后再由輸入輸出控制模塊控制各執(zhí)行機構(gòu)。

2 TMS320C31、80C196與雙口RAM IDT7140之間的接口電路

如圖1所示,IDT7140有兩組完全對稱的地址線數(shù)據(jù)線和控制線,

TMS320C31與左邊這組線相連,80C196與右邊的那組線相連。TMS320C31給IDT7140分配的地址空間為0x20000H～0x1003ffH。通過GAL16V8對A[20,23]和外部存取選通信號/STRB進行譯碼,給出IDT7140的片選信號/CEL。IDT7140通過/BUSYL和/BUSYR引腳接高電平,工作在中斷方式。IDT7140的中斷信號/INTL可以與TMS320C31的某個外部中斷引腳直接相連（這里將外部中斷1即INT1分配給雙口RAM IDT7140）,具體原因?qū)⒃诘?部分進行說明。80C196給IDT7140分配地地址空間為0xA000H～0xA3ffH。通過GAL16V8對AD[12,15]和外部存儲器讀信號/RD進行譯碼,給出IDT7140的片選信號/CER。80C196的/WE在寫周期為低電平,讀周期為高電平,與IDT7140的R/WR定義一致,所以/WE可直接與R/WE可直接與R/WR相連,作為IDT7140右邊的讀之所以控制信號。IDT7140的中斷引腳/INTR接到80C196的外部中斷。

3 雙口RAM IDT7130/40的中斷邏輯設(shè)計

雙口RAM必須采用一定的機制來協(xié)調(diào)左右兩邊CPU對它的讀寫操作。IDT公司的雙口RAM系列用口斷、硬件、令牌和軟件這四種方式來協(xié)調(diào)雙方。在TMS320C31和80C196雙CPU構(gòu)成的高速實時控制系統(tǒng)中,IDT7140采用的是中斷方式。下面介紹IDT雙口RAM系列的中斷邏輯設(shè)計。

如圖2所示,IDT雙口RAM的中斷邏輯實際上是由與非門組成的兩個基本RS觸發(fā)器所構(gòu)成。在所有的IDT雙口RAM芯片中,內(nèi)存的最高兩個單元被用作為左右兩邊CPU的中斷信箱。以1K雙口RAM為例,這兩個單元為3FEH和3FFH。其中3FEH為左邊CPU的中斷信箱,3FFH為右邊CPU的中斷信箱。各CPU只能讀自己的中斷信箱,寫對方的中斷信箱;而不能寫自己的中斷信箱,讀對方的斷信箱。當(dāng)左邊CPU中右邊CPU的中斷信箱3FFH單元寫入數(shù)據(jù)時,圖2中/WR置0,IRn+1置1,指向右邊CPU的中斷信號有效;當(dāng)右邊CPU從自己中斷信箱3FFH單元讀數(shù)據(jù)時,圖2中/RR置0,則IRn+1置0,指向右邊CPU的中斷信號被清除。同樣地,右邊CPU對左邊CPU中斷信號的設(shè)置和清除也是如此,只不過把上面的3FFH單元換為3FFH單元。其真值表如表1所示。

表1 雙口RAM中斷邏輯真值表

/WR /RR IRn IRn+1

0 0 0 1
0 0 1 1
1 0 0 0
1 0 1 0
0 1 0 1
0 1 1 1
1 1 0 0
1 1 1 1

從圖2和表1不難看出,指向右邊CPU的中斷信號從被置為低電平那一刻起一直有效至右邊CPU來讀3FFH單元。TMS320C31要求一個外部中斷必須至少持續(xù)一個H1周期保持為低電平,以便讓TMS320C31來確認。如果外部中斷信號在一到三個H1周期之內(nèi)保持為低,那么只有一個中斷被確認;如果在三個或更多個周期內(nèi)保持為低,則可以確認多于一個中斷。所以IDT7140提供的中斷信號的有效時間可以滿足TMS320C31的要求,這樣IDT7140的/INTL引腳就可以和TMS320C31的INT1直接相連。但與此同時也要求TMS320C31盡快地服務(wù)IDT7140的中斷申請,以免一個中斷申請被誤認為多個中斷申請。

4 TMS320C31與80C196之間采用雙口RAM進行高速數(shù)據(jù)通信的軟件實現(xiàn)

從圖2中我們得知,左邊CPU寫右邊CPU的中斷信箱3FFH單元時,雙口RAM會給右邊CPU發(fā)一中斷信號;同樣,右邊CPU在寫左邊CPU的中斷信箱3FFH單元時,雙口RAM也會給左邊CPU發(fā)一中斷信號。以左邊的TMS320C31為例,在它獲得外部中斷信號INT1后,它并不知道右邊的80C196是剛開始占用雙口RAM還是用完了要釋放使用權(quán),或者是其它別的意思。所以雙方事先應(yīng)有一個簡單的協(xié)議,例如右邊CPU在3FEH單元中（或右邊CPU在3FFH單元中）寫“FFH”代表右（左）邊正占用雙口RAM,定“11H”代表要釋放使用權(quán),或者還可以有更多的數(shù)據(jù)含義的定義,視兩邊CPU通信內(nèi)容的復(fù)雜程度而定。例如在這個高速實時控制系統(tǒng)中,還定義了“88H”和“55H”來表示其它的含義。這樣,在中斷服務(wù)程序里,就可以做相應(yīng)的操作。下面以TMS320C31為例來說明數(shù)據(jù)通信的軟件實現(xiàn),程序流程如圖3和圖4所示。

隨著各種復(fù)雜算法的應(yīng)用越來越廣泛,DSP的應(yīng)用也會越來越普及,各種不同的多CPU系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。在這些系統(tǒng)中,雙口RAM以它方便、快速的特點將成為很多多CPU系統(tǒng)中的通信途徑。

作者：陳云窗 侯朝楨 湯霞清