雙端口RAM的并口設(shè)計應(yīng)用

摘要：IDT7132/IDT7142是一種高速2k×8雙端口靜態(tài)RAM,它擁有兩套完全獨立的數(shù)據(jù)、地址和讀寫控制線。文中分析了雙端口RAM（DPRAM）的設(shè)計方案。并以IDT7132/7142為例介紹了雙端口RAM的時序、競爭和并行通訊接口設(shè)計以及雷達(dá)仿真平臺中的應(yīng)用。

??? 關(guān)鍵詞：微處理器 雙端口RAM IDT7132/7142

數(shù)據(jù)獲取及交換是多CPU系統(tǒng)的重要組成部分。在這類系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)交換要求的通訊速率往往很高,平均速率一般在10k左右,有時甚至達(dá)100k以上。傳統(tǒng)的并行接口和串行接口設(shè)計無論在通信速率,還是在可靠性方面都不易滿足要求。而雙端口RAM則是一個較好的實現(xiàn)方案。它具有通訊速率高、接口設(shè)計簡單等特點,因而在設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用。

1 常用雙端口RAM的結(jié)構(gòu)特點

1.1 通用集成電路組成的雙端口

采用通用集成電路組成的雙端口RAM如圖1所示。一般的RAM只有一套地址總線、數(shù)據(jù)總線和讀寫控制線,因此,兩端CPU芯片的三總線必須經(jīng)過緩沖隔離才能共享靜態(tài)RAM。具體工作過程是兩個CPU的地址信號和讀寫控制信號全中接入仲裁電路,由仲裁電路判斷訪問雙端口RAM的CPU,并使能相應(yīng)的總線緩沖器。若兩個CPU在同一段時間內(nèi)訪問共享的RAM的發(fā)生競爭,則由仲裁電路迫使后訪問的CPU處于等待狀態(tài),一旦前一個CPU訪問結(jié)束,再由仲裁電路打開緩沖器,以使后一個CPU接通RAM并進(jìn)行訪問。

該電路的特點是成本低、簡單且存儲量大,其容量在64k～128k之間。缺點是在兩個CPU發(fā)生競爭時,有一方CPU必須等待,因而降低了訪問效率。

1.2 專用雙端口RAM芯片

目前市場上有多種專用雙端口RAM芯片,如IDT7132/7142、DS1609等。這些芯片有兩套完全獨立的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫控制線,因而可使兩個CPU分時獨立訪問其內(nèi)部RAM資源。由于雙CPU同時訪問時的仲裁邏輯電路全部集成在雙端口RAM內(nèi)部,因而需要用戶設(shè)計的電路比較簡單。雙端口RAM內(nèi)一般都有一個總線搶占優(yōu)先級比較器,只要雙CPU不同時訪問同一存儲單元,那么較先送出地址的CPU將擁有該單元的本次訪問優(yōu)先權(quán),而另一個CPU的地址與讀寫信號將被屏蔽掉,同時通過“busy”引腳告知該CPU以使之根據(jù)需要對該單元重新訪問或撤消訪問。

專用雙端口RAM的優(yōu)點是通訊速度快,實時性強,接口比較簡單,兩邊CPU都可主動進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;缺點是成本高,需要克服競爭現(xiàn)象。

以上兩種技術(shù)方案各有優(yōu)點,在要求存儲量較大時,一般采用通用集成電路組成的雙端口RAM;在通信實時性要求較高的而通信數(shù)據(jù)量不大時,一般采用專用雙端口RAM芯片。

在實際應(yīng)用中,雙端口RAM與并行接口與串行接口相比,它不僅能利用其兩端口異步操作來讀寫數(shù)據(jù),而且可用作多CPU微處理系統(tǒng)CPU的數(shù)據(jù)交換接口,從而簡化了對各CPU之間數(shù)據(jù)通信規(guī)約的要求,提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信處理的可靠性,同時提高了CPU之間數(shù)據(jù)交換的實響應(yīng)速度。

2 IDT7132/7142簡介

2.1 IDT7132/7142結(jié)構(gòu)與連接方式

IDT7132/7142是高速2k×8雙端口靜態(tài)RAM,可提供兩個擁有獨立的控制總線、地址總線和I/O總線端口,允許CPU獨立訪問內(nèi)部的任何存儲單元。當(dāng)CE引腳出現(xiàn)下降沿時,選中DPRAM即可通過控制OE或R/W來訪問內(nèi)部存儲單元。IDT32一般被用作8位雙端口RAM,也可以作為主片與DIT7142從片構(gòu)成主從式16位雙端口RAM。連接方式如圖2所示：

2.2 IDT7132/7142時序圖

IDT7132/7142的時序如圖3所示,它與RAM的讀寫時序非常類似。當(dāng)CPU選中DPRAM時,CE引腳出現(xiàn)下降沿,當(dāng)控制紆OE為高且R/W為低時,CPU對內(nèi)部存儲單元進(jìn)行寫操作;而當(dāng)控制線OE為低且R/W為高時,CPU對內(nèi)部存儲單元進(jìn)行讀操作。

2.3 競爭現(xiàn)象的處理

當(dāng)外部CPU通過兩個端口對雙端口RAM內(nèi)部的同一個存儲單元進(jìn)行操作時,系統(tǒng)將出現(xiàn)競爭。這種競爭一般有如一兩種模式：

（1）如果兩個端口的總線訪問地址相同,并先于片選信號CE有鏟,則片內(nèi)控制邏輯將在CEL與CER之間發(fā)生競爭。

（2）如果兩個端口的片選信號CE在地址信號有效之前變低,則片內(nèi)控制邏輯將在地址信號到達(dá)時發(fā)生競爭。

為避免因競爭而導(dǎo)致的通訊失敗,設(shè)計者提出了各種解決方案。常見的有三種：

（1）設(shè)置標(biāo)志位：在開辟數(shù)據(jù)通訊區(qū)的同時,可通過軟件方法在某個固定存儲單元設(shè)立標(biāo)志位。這種方法要求兩端CPU每次訪問雙端口RAM之前,必須查詢、測試和設(shè)置標(biāo)志位,然后再根據(jù)標(biāo)志位的狀態(tài)決定是否可以訪問數(shù)據(jù)區(qū);有的雙端口RAM本身就個有專用的一個或多個硬件標(biāo)志鎖存器和專門的測試和設(shè)置指令,可直接對標(biāo)志位進(jìn)行讀/寫操作。這種方法通常用在多個處理器共享一個存儲器塊時。為了保證通訊數(shù)據(jù)的完整性,在采用這種方法時往往要求每個處理器能對該存儲器塊進(jìn)行互斥的存取。

（2）軟件查詢BUSY引腳狀態(tài)：雙端口RAM必須具有解決兩個處理器同時訪問同一單元的競爭仲裁邏輯功能。當(dāng)雙方址發(fā)生沖突時,競爭仲裁邏輯可用來決定哪個端口訪問有效,同時取消無效端口的訪問操作,并將禁止端口的Busy信號置為低電平。因此Busy信號可作為處理器等待邏輯的輸入之一,即當(dāng)Busy為低電平時,讓處理器進(jìn)入等待狀態(tài)。每次訪問雙端口RAM時,CPU檢查BUSY狀態(tài)以判斷是否發(fā)生競爭,只有BUSY為高時,對雙端口RAM的操作才有效。

（3）利用硬件解決競爭：將BUSY信號引入READY引腳可在發(fā)生競爭時使BUSY為低,從而使CPU內(nèi)部總線時序根據(jù)READY引腳狀態(tài)自動插入WAIT信號并展寬總線,以達(dá)到分時訪問的目的。對于80C196KC和8098等MCS-96系列微處理器,利用這種方法便可通過硬件解決競爭問題。

另外,在使用BUSY信號時必須首先將此信號接上拉電阻,其次應(yīng)在BUSY信號有效期間使處理器保持讀寫操作經(jīng)及相應(yīng)的地址和數(shù)據(jù),但是需要說明的是：在BUSY信號變高之前,這種情況下的所有寫操作都是無效的,圖4所示發(fā)生競爭時的時序圖。

3 RAM在雷達(dá)仿真平臺中的應(yīng)用

雷達(dá)仿真平臺是用于雷達(dá)操作手訓(xùn)練的仿真設(shè)備。該平是一個由計算機、主控CPU（80C196KC）、手輪控制CPU（8098）等組成的多機系統(tǒng)。在主控CPU判斷目標(biāo)是否進(jìn)入雷達(dá)波瓣作用范圍時,必須將目標(biāo)理想諸元與雷達(dá)的高低角和方位角做比較。在雷達(dá)仿真平臺中,雷達(dá)的高低角和方位角是通過對高低手輪和方位手輪的軸角轉(zhuǎn)換而獲得的。主控CPU每隔20ms就向手輪控制CPU發(fā)送一次模擬目標(biāo)的高低角、方位角、距離以及目標(biāo)屬性等多組數(shù)據(jù)（共200字節(jié)）,同時接收手輪控制CPU的數(shù)據(jù)。為了加快通迅速度,簡化通訊,提高通信的實時性指標(biāo),系統(tǒng)要用了雙端口RAM（DPRAM）IDT7132/7142來進(jìn)行CPU之間的數(shù)據(jù)交換。具體電路見圖5。

80C196KC和8098均有READY引腳,通過80C196KC和8098的時序可知,當(dāng)READY引腳出現(xiàn)低電平時,CPU可自動插入WAIT等待周期,以延長讀寫和片選信號,因此,設(shè)計時將80C196KC和8098的READY引腳與IDT7132/7142的BUSY引腳相連就可在發(fā)生競爭時,自動使80C196KC或8098處于等待狀態(tài)。

??? 在資源分配方面,該設(shè)計還劃分了電視跟蹤數(shù)據(jù)區(qū)、雷達(dá)跟蹤數(shù)據(jù)區(qū)、手輪實測值數(shù)據(jù)區(qū)和命令狀態(tài)區(qū),并明確規(guī)定了各個通訊區(qū)的任務(wù)和性質(zhì),從而簡化了通訊程序,提高了通訊速度。

通過雷達(dá)仿真平臺控制系統(tǒng)的實時運行實驗證明：主控CPU與手輪控制CPU之間的數(shù)據(jù)交換速率很高、運行可靠,大大提高了系統(tǒng)的實時性能。目前,該系統(tǒng)已經(jīng)通過了技術(shù)鑒定。