基于单片机双CPU构成的复杂系统应用研究 - 全文

　单片机以其功能强、体积小、可靠性高及价格低廉等优势，被广泛应用在各种智能化仪器、仪表以及各种小型控制系统中。但其本身结构较为简单，自身资源少，在一些较为复杂的应用系统中就显出其硬件资源不足，速度太慢等缺点。在这种情况下，往往采取双CPU或多CPU的设计方案，以弥补其不足。但是由于单片微机不像通用的微机系统具有其它总线主控设备向CPU请求总线使用申请信号输入端，以及CPU对系统中其他总线主控设备请求使用权的应答信号输出端，这就给双CPU系统的设计带来一定的困难。本文提出一种双CPU共享外部数据存储器的设计方案，并介绍了该系统的几种应用实例。

　　1　系统的硬件设计

　　ATMEL公司的89系列是目前广泛应用的单片微机，图1所示的是用两片89C52和一片6264构成的双CPU共享一个外部存储器系统。其中89C52（1）为主CPU，89C52（2）为从CPU，两个CPU分别用P1．0来执行对6264地址线、数据线的控制权，6264既可作为两个CPU共享的数据存储器，也可作为两个CPU共享的程序存储器。双CPU之间的通信分别通过各自的和P1．1实现。当从CPU需获得6264的访问权时，可以通过P1．1口线向主CPU提出中断申请，主CPU同意从CPU享有对6264的控制权时，则首先使P1．0为“1”，让出总线使用权，随后通过P1．1向从CPU送出应答信号。从CPU得到主CPU的应答信号后，便将P1．0变为“0”，从而获得了总线控制权。当从CPU操作完毕，便通过P1．1通知主CPU恢复总线控制权。当从CPU正处于对总线的使用状态中，而主CPU需立即恢复控制权时，也可通过主CPU的P1．1向从CPU发出中断申请，从而恢复总线的使用权。

　　2　应用之一（主、从处理器工作模式）

　　当某些单片机系统需处理的问题较多时，例如，需快速进行数据采集与分析，键盘扫描，显示与打印，执行机构的驱动信号输出等，这些操作都必须依据数据的最终处理结果，使用一个CPU来同时完成，时序上安排较困难，对故障分析和系统升级都会带来麻烦。如采用图1所示的双CPU系统就能较为轻松地完成这些任务。主CPU负责数据处理、执行机构驱动信号的输出、显示、打印等工作，而从CPU负责数据采集、键盘扫描等。从CPU将采样的数据或键盘的键值送入共享的数据存储器后便通知主CPU负责处理。主CPU则从数据存贮器中读取采集的数据或键码后进行必要的处理，再进行显示、打印，并根据需要驱动相应的执行机构。设计人员可以将主、从CPU的程序分别设计调试，只要按照预先约定的控制规则，主、从CPU的程序可以由不同的设计人员同时完成。这就节省了大量的研发时间，加快了研制进度。

　　3　应用之二（系统软件加密）

　　89C52单片机其内部驻留有8KB程序存储器，自带软件加密字，以防软件被窃。但就目前技术而言，通过专用破解工具进行程序解密是轻而易举的事。一旦源程序被解密，极易被分析后进行非法修改或升级，这样整个系统就被窃取了。而采用双CPU构成的复杂系统，就可以通过软件加密的方法使非法窃取者不易获得两个CPU运行的源程序，具体方法如下：

　　我们可以将两个CPU运行程序中的关键程序段不放在各自89C52的内部程序存储器中，而是将这些关键的程序段通过汇编成机器码后，分别让另一个CPU以数据的形式写入外部数据存储器。如主CPU的一部分程序段汇编成机器码后，由从CPU以数据的形式写入图1中所示的6264中，数据写入后，从CPU通过P1．1向主CPU发出中断请求，主CPU响应中断，转向外部6264中取指令，而这些指令正是刚才从CPU以数据形式写入的程序段，这些程序段可以是系统程序的一些关键部分，如标志位、重要数据等，一旦主CPU执行完这些程序后，又返回至内部程序执行，同时通知从CPU程序执行完毕。从CPU随后用其他数据覆盖6264中刚才写入的程序部分。系统设计者也可以用时间估算的办法来覆盖程序，如写入6264的程序估计需执行500μs，此时从CPU可启动定时器，于1ms后将刚才写入的数据覆盖，使用这种方法可避免通过单步仿真操作来获得这些程序。用同样的方法也可对从CPU进行程序加密处理。

　　采用这种方法来进行软件加密的特点是：一般情况下软件窃取者很难获得全部源程序，因此，不能对系统的软件进行修改、升级或仿制，从而能有效地保护设计者的权利。

　　以下程序是主、从CPU进行程序加密的一个例子。首先，从CPU将主CPU执行的程序以数据格式写入6264。

　　4　结束语

　　单片机双CPU构成复杂系统提高了整个系统的性能，用这种方法还可以构成两个以上CPU的复杂系统，从而完成更复杂的控制。用这种方法构成的系统实际上是一个多CPU共享资源的问题，也是对总线使用权合理分配的问题。图1所示介绍的是双CPU共享SRAM，可以设想，只要是通过总线扩展的外设，只需CPU间通过约定的通信和使用协议，同样可以实现共享。