單片機多CPU系統設計
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單片微機具有小巧靈活、易擴展成為功能強大的控制系統。目前，一些監控終端以及許多獨立的控制系統（如：發電機的微機勵磁裝置）多以單片微機為核心構成。但由于諸如工作環境惡劣、電磁干擾等原因，即使使用按工業測控環境要求設計的單片微機也難以保證控制系統能長期可靠的運行，從而導致控制系統癱瘓。這樣，如何提高控制系統的可靠性，保證測控系統能正確穩定的運行就尤為重要。顯然，采用雙CPU冗余設計是非常有效的一種解決辦法。由于單片微機的功能強大，價格低廉，為設計雙機冗余系統提供了很好的條件。為此，我們設計了一種由兩片單片微機組成的雙機容錯系統，以比較簡單和與傳統的多CPU系統完全不同思路的設計方法實現了雙機的互為備用及相互切換。在該雙機冗余系統設計中，其關鍵問題是雙機系統的重構策略和雙機系統的仲裁邏輯切換。
1 傳統的多CPU系統設計方法
傳統的多CPU系統的常用設計方法有三種：
① 利用雙口RAM實現CPU之間的通信。雙口RAM是一種高速的并行傳輸芯片，具有兩套I/O口和競爭裁決電路，可以同時聯接兩個CPU，這樣通過雙口RAM可以實現多CPU之間通信。
② 利用共享內存的方法實現CPU之間的通信。這種方法與上一種方法類似，所不同的是，上一種方法是利用雙口RAM的競爭裁決電路實現對RAM的訪問，而這種方法是利用不同的時序實現內存共享的。
③ 利用總線方法實現CPU之間的通信。通過接口芯片或CPU本身具備的SPI、I2C以及SMBus等接口實現CPU之間的通信。
2 該雙CPU系統的結構和工作原理
該雙CPU控制系統與傳統的多CPU系統的設計方法完全不同，它由兩片Atmel公司生產的AT89C51 CPU構成，雙機互為備用，彼此獨立并行運行，硬邏輯切換。其雙CPU控制系統原理框圖如圖1所示。
這是一種非表決式的雙機冗余系統，一個CPU 作為另一CPU的熱備份 ，雙機在任務上同步運行。所有輸入信號通過輸入接口同時送給兩個CPU，但CPU 運算、處理后的輸出量受到仲裁切換電路的控制，只有主CPU允許讀寫外部數據存貯器及輸出至外部設備，當主CPU發生故障時，系統的自我檢測切換邏輯將發出信號，自動切斷其輸出通道，并通過CPU的工作指示系統報警。此時，系統或自動或人工切換到另一個備用的CPU，并同時打開其輸出通道，備用機變為主機運行狀態，控制系統這時降級為單機運行。人們可以將原主機拔離系統以便進行維修。從圖中可知，兩個CPU的地址、數據及控制總線都通過一組三態門（三態門1、2）輸出與外部數據存貯器相接，兩個CPU的某些輸出控制I/O口都通過另一組三態門（三態門3、4）輸出與外部輸出控制設備相接，兩組三態門的控制端都同時受仲裁切換電路控制，而仲裁切換電路的兩路輸出互為反邏輯，即只有一路輸出能使所控制的對應三態門（如三態門1、3）正常輸出，另一路輸出使所控制的對應三態門（如三態門2、4）處于高阻狀態，從而不影響主CPU正常讀寫數據和向控制I/O口輸出數據。
圖1雙CPU控制系統原理框圖
表1 雙機仲裁切換邏輯真值表
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