基于主_从结构的多CPU系统的研究与实现

各模块间功能独立， 相互影响小， 可以方便地单独调
试， 并寻找问题所在。对程序的扩充更为方便， 不用更
改原有结构， 只需增加要扩充的部分即可。
２．２ 处理器间的通信及任务调度
在只有一个 ＣＰＵ 的情况下， 传统的单片机系统监
控程序通常是基于单任务机制的。这种机制具有简单
直观， 易于控制的优点。然而由于程序只能按单一的
技
术 图 １ 整机方框图
创
模块化设计的优点， 首先是加快了机器运行的速
度和提高了可靠性； ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ次是由于各模块相对独立， 简
新 化了开发工作， 特别是软件的复杂性， 提高了开发的
速度； 再是配置灵活， 通过不同模块的组合， 形成多种
产品， 容易实现多样化； 此外， 还降低了生产和维护的
难度。在这种结构之中， 主板模块要打印时， 只须将打
片 机 系 统 程 序 结 构 ，讨 论 了 具 体 实 现 方 法 ， 并 给 出 在 ｅＰＯＳ８００ 收 款 机 系 统 中 的 应 用 实 例 。
关键词：嵌入式系统；多 ＣＰＵ；多任务机制；中断机制；收款机；系统设计
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｐ ３６８．１
文献标识码：Ｂ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｔｅｘｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ， Ｈａｖｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔａｓｋ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
－ １４ － ３６０元 ／ 年 邮局订阅号： ８２－９４６
《 现场总线技术应用 ２００ 例》
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嵌入式系统应用
４． 模块的睡眠—唤醒技术 在主／从式的多 ＣＰＵ 系统中， 有些从属模块可 能 在较长时间内没有工作， 此时可使该模块休眠， 待需 要时再唤醒。除了可减低功耗之外， 从属模块的休眠 也可大大减低电磁辐射。 ２．３ 模块之间的数据传输 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。在多 ＣＰＵ 设计 中， 处理器之间必须能够相互通信， 以便控制对共享 资源的访问。同时也出现了一个怎样实现各器件模块间 交换信息的问题。文献中给出了数据交换的一些方式。 ｅＰＯＳ８００ 系列收款机的模块化结构要求主模块与 其它从属模块之间能保证正常的数据传输。如采用并行 总线方式的数据传输设计， 虽然可获得较高的传输速 度， 但是需要使用大量的接口电路和连接电缆， 增加设 计成本， 可靠性也很难保证。所以在 ｅＰＯＳ８００ 系列收款 机中， 各模块之间的数据传输大量采用了串行总线数据 传输方式， 使电路得到简化， 连接更简洁， 系统的稳定性 和抗干扰能力得到提高， 同时也相应减低成本。 ２．４ 关键部分的选择 为 解 决 串 行 总 线 数 据 传 输 速 度 的 问 题 ， ｅＰＯＳ８００ 系 统 使 用 了 具 备 ＳＰＩ 串 行 接 口 的 ＣＰＵ 来 完 成 主 板 与 打 印 、显 示 模 块 之 间 的 数 据 交 换 。 ＥＰＯＳ８００ 系 统 具 有 ５ 个 串 口 和 １ 个 并 口 的 外 部 接口。为保证能较好的控制设计成本， 仅用了一片 １６Ｃ５５２ 作为扩展接口， 其余则有效的利用了系统内多 ＣＰＵ 的优点， 充分的利用了各 ＣＰＵ 的串口资源。 为解决二类收 款机的显示 和汉字输入 的问题， ｅ－ ＰＯＳ８００ 采 用 了 １５ 行 ＊４０ 列 的 点 阵 图 形 液 晶 显 示 模 块， 采 用 全 拼 汉 字 输 入 ， 并 可 外 接 ＰＣ 键 盘 ， 这 样 用 户 可以象操作 ＰＣ 机一样使用 ｅＰＯＳ８００。 ｅＰＯＳ８００ 系列收款机在设计时， 充分考虑到了用 户在使用过程中的操作简便性， 设计了非常友好的人 机界面和全中文化菜单。通过完善的软件设计， 可支 持多种销售模式， 菜单导航， 操作方便简单。为了让用 户能更好地进 行二次开发 ， ｅＰＯＳ８００ 系 列 收 款 机 为 用 户设计了完善的底层 ＷＩＮＤＯＷＳ 接口库， 用 户可以自 行设计自己的后台软件和管理系统。
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。
ｅＰＯＳ８００ 系列收款机是基于多颗 ５１ 系列 ＣＰＵ 的 单片机系统。根据功能要求将其划分成三个常用模 块， 此外还可根据需要加入会员卡等模块。主板模块、 打印模块和键盘显示模块都有自己专用的微控制器 （ ＭＣＵ） 和驱动软件， 甚至有专用的电源。功 能框图如 图 １ 所示。其主处理器为一个 ５１ 内核， 使用了多处理 器后， 就可以将许多特定功能从主处理器中转移到本 地的外围器件中去完成， 从而将主处理器解放出来去 执行一些更高级的协议和管理功能。
（１． 韶关学院；２．韶关龙飞数码科技有限公司）骆 耀 祖 １ 李 强 １ 陈 代 权 ２ 彭 志 雄 ２
ＬＵＯ ＹＡＯＺＵ ＬＩ ＱＩＡＮＧ ＣＨＥＮ ＤＡＩＱＵＡＮ Ｐ ＥＮＧ ＺＨＩＸＯＮＧ
摘要： 本 文 较 为 详 细 地 介 绍 基 于 多 ＣＰＵ 的 单 片 机 嵌 入 式 系 统 的 系 统 设 计 思 想 ， 提 出 了 在 多 ＣＰＵ 情 况 下 的 基 于 任 务 机 制 的 单
不断增多， 以及新型外围接口的不断扩充， 广泛受到
术 电子工程师 的欢迎。目前 ， 各家厂商竞 相为单片机 增 创 加 符 合 潮 流 的 新 功 能 和 为 设 计 者 提 供 Ｃ 语 言 编 译
器 、软 件 模 拟 器 和 廉 价 硬 件 仿 真 器 等 开 发 工 具 套 件 。
新 目 前 ， 按 销 售 量 而 论 ， ８ 位 单 片 机 仍 居 榜 首 。 在 一 些
ｕｎｄｅｒ ｍｕｌｔｉ－ ＣＰＵ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ， Ｈａｖｉｎｇ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｇｉｖｉｎｇ ａｐ－
ｐｅａｒｉｎｇ ｉｎ ｅＰＯＳ ８００ ｃａｓｈ ｒｅｇｉｓｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．
您的论文得到两院院士关注 文章编号：１００８－ ０５７０（２００６）１１－ ２－ ００１３－ ０３
嵌入式系统应用
基于主/从结构的多 ＣＰＵ 系统的研究与实现
Ｉｍ ｐ ｌｅ ｍ ｅ ｎ ｔａ ｔｉｏ ｎ ｏ ｆ ｍ ａ ｉｎ ／ｓ ｌａ ｖｅ ｓ ｔｒｕ ｃｔｕ ｒｅ ａ ｎ ｄ ｍ ｕ ｔｌｉ－ ＣＰＵ ｅ ｍ ｂ ｅ ｄ ｄ ｅ ｄ ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ
多任务机制是现代操作系统才具有的突出优点。 在这种机制下， ＣＰＵ 的运行时间被划分为许多小的时 间片， 由某种调度（ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ） 算法按不同优先级别分 配给不同的进程。
主系统必须担负起调度进程的责任， 不断地切换 进程， 以提高系统的效率。
１． 轮询方式 单片机完成的系统功能往往可以分解为若干相 对独立的模块， 可以将这些模块理解为子任务， 并引 进多任务机制进行管理， 从而形成多 ＣＰＵ 的功能模块 结构和一种崭新的程序结构。在这种结构下， 执行顺 序也比较灵活， 且可在程序运行过程中动态地改变执 行结构。 各子任务的执行频率要求表现为它们的优先 级， 优先级越高的子任务单位时间内执行次数越多， 从而其执行频率越高。通过合理设计时间片大小和 各任务的优先级， 可以自然地满足系统内各种复杂 的定时要求。 ２． 中断方式 在单片机系统中引入多任务机制， 可以有效改善 程序结构， 满足复杂系统的要求。任何多任务本质上 都借助于中断机制。通用单片机中都允许使用中断， 从而保证了在单片机系统中实现多任务的切实可行。 ３．抢 占 式 调 度 策 略 在单 ＣＰＵ 的情况下， 通常对具有某种紧迫性的实 时进程采用 ＦＩＦＯ 的调度方式， 即排在运行队列前 面 的进程先 运行， 直到它主 动放弃 ＣＰＵ 后 ， 才 能 轮 到 下 一个进程运行。 如果进程执行的任务比较短小， 这种算法勉强还 能满足实时的需要， 若是任务比较大， 就会出现某些 紧急的任务因为当前进程没有执行完毕而无法获得 ＣＰＵ， 导致任务被迫等待而无法满足实时要求。对于这 种情况， 可采用抢占式的优先权算法， 当没有中断发 生时， 调度器根据就绪任务的优先级来决定任务的运 行次序。事实证明， 抢占式的优先权调度算法是很有 效率的。
能够提供较高的性能价格比， 其次是必须能够在处理 机构的驱动信号输出等。如果这些操作都必须依据
器之间实现有效通信。
数 据 的 最 终 处 理 结 果 ， 使 用 一 个 ＣＰＵ 来 同 时 完 成 ，
近 ２０ 年来， ８ 位单片机因其价格低廉、功耗极低、 时 序 上 安 排 较 困 难 ， 对 故 障 分 析 和 系 统 升 级 都 会 带
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ，Ｍｕｌｔｉ－ ＣＰＵ，Ｍｕｌｔｉ－ ｔａｓｋ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ，ｉｎｔｅｒ ｒ ｕｐｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｃａｓｈ ｒ ｅｇｉｓｔｅｒ ，ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ
技
１ 多 ＣＰＵ 的嵌入式系统概述
１．１ 多 ＣＰＵ 系统及嵌入式系统 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， 然后通过某种 方法， 控制数据的合理流动， 以完成设计要求的系统。 对许多应用来说， 单 ＣＰＵ 很难满足人们对设备性 能飞速提高的要求。而在复杂的实时系统中， 采用多 ＣＰＵ 通常会使性能分配更加容易做到， 因此响应时间 也更容易达到要求。同时， 外围器件或专用加速器中 的专用 ＣＰＵ 也能够分担主 ＣＰＵ 中那些比较低级的功 能， 从而使主 ＣＰＵ 能够专注于高级功能的实现。 多 ＣＰＵ 设 计 非 常 适 用 于 嵌 入 式 系 统 ， 这 主 要 有 几 方 面 的 原 因 。首 先 ， 嵌 入 式 应 用 的 功 能 通 常 可 以 灵 活地进行分离， 因此很容易将其功能映射到多个 ＣＰＵ 中 。 有 时 将 嵌 入 式 系 统 的 功 能 分 割 映 射 到 多 个 单 独 的 ＣＰＵ 中 甚 至 比 映 射 到 一 个 ＣＰＵ 中 更 容 易 。其 次 是 成 本 方 面 的 考 虑 ， 可 以 用 一 系 列 低 档 ＣＰＵ 来 开