多CPU单片机系统设计在社区安防系统中的应用

摘要：本文较为详细地介绍基于多CPU的单片机系统设计思想，并给出它在社区安全防范系统中的应用。
关键词：多CPU 安全防范 系统设计
概述
随着人们生活水平的提高和科学技术的发展，安全防范的问题引起了越来越多的关注。人们在承受现代文明所带来的高效率、快节奏压力的同时，都希望能拥有一个安全、舒适的家庭环境。因此，越来越多的安防产品应运而生，尤其是蓬勃发展的现代化社区物业管理，通过监控网络把家庭和社区值班室紧密地联系起来，给人们的生活带来了极大的方便。但是，有些社区监控网络并不能完全履行其职责，存在一定的安全隐患。主要原因是目前大多数的监控节点都是采用1个CPU完成所有的功能，包括扫描各传输器模块状态、信息处理、数据显示、报警、与上位机通信等等。这无疑给此CPU带来了很大的压力：一旦出现故障，使得此单片机不能正常工作，则该监控节点将完全瘫痪，报警信息将得不到有效的处理。另外，在一些实时性要求较高的多任务系统中，单CPU结构也将显得力不从心。那么，能否找到一种既简单又经济的解决办法，把目前服务器中较为流行的多CPU并行处理的设计思想融入到社区监控网络中来呢？答案是肯定的。随着单片机技术的发展，单片机的价格在不断下降，其价格甚至比一些常用的接口芯片还要低，这就使多CPU的单片机系统的成本大大降低。此外，由于采用多CPU的设计思想，将使系统在并行处理和实时采集数据方面具有明显的优势，能极大地提高系统的稳定性和可靠性。尤其是对一些功能稍微复杂一点的系统，多CPU系统设计方法将更能显示出它的优越性。那么，如何实现多CPU的单片机系统设计呢？本文将在这方面进行一些有益的探索。


一、多CPU系统的设计原理
顾名思义，多CPU系统就是在1个系统中含有多个CPU。每个CPU独立地处理1个或少量的事务，然后通信某种方法，控制数据的合理流动，以完成设计要求的系统。其典型结构如图1所示。
从图1中可以看到，多CPU系统中一个非常重要的问题，是如何解决好各CPU之间数据的合理流动问题，以下是几种常用的方法。
1.利用双口RAM实现CPU之间的通信
双口RAM是一种高速的并行传输芯片，是实现CPU之间通信的一种简便有效的方法。常用的CMOS双口RAM有IDT7132、IDT7142等型号。IDT7132和6116类似，都是CMOS静态RAM，存储容量均为2KB。不同点在于IDT7132有两套I/O口，并有一套竞争裁决电路。因此，IDT7132内部的2KB存储器可以通过左右两边的任一组I/O口进行全异步的存储器读写操作，能方便地实现CPU之间的数据交换。采用双口RAM实现多CPU系统的示意图如图2所示。


利用这种方法可以实现数据的高速传输。CPU对IDT7132的读写时间小于120ns，通常为几十ns。当工作电源为 5V时，其读写的最大功耗为325mW，而在维持工作时最大功耗仅为5mW。另外，由于双口RAM是一种通用芯片，因此，它在选择与CPU接口时具有较大的灵活性。不过这种方法也会增加电路设计的难度和成本。 在Neuron芯片中，每个CPU最小周期等于3个系统周期；每个系统时钟周期等于2个输入钟周期；3个CPU的最小周期分别间隔1个系统钟周期。这样，每个CPU在1个指令周期内部能访问存储区和ALU一次。系统对3个CPU采用了管道技术，在不影响性能的情况下降低硬件的需求。3个CPU可并行工作，不会造成耗时中断和上下文切换。 根据HDT的功能特点，将任务分成3个部分，分别由3个CPU来完成。各CPU之间采用I2C总线进行通信，其结构如图6所示。CPU-1专门用于与PC机的通信，包括：（1）接收PC机发来的命令，并传送给其他CPU；（2）生成家庭状态字节，向PC机返回信息；（3）进行声光报警。CPU-2专门用于与第3级各模块的通信，包括：（1）扫描各传感器模块的报警状态，并及时通知其他CPU；（2）接收其他CPU传送过来的命令，对有关控制对象进行操作；（3）向AT24C64中存储报警记录，包括报警类型和报警时间，实现