雙端口RAM在單片機系統中的應用

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1 引言

在對產品可靠性要求高的系統中，往往需要硬件冗余。有些設備不僅要求其在各種惡劣的天氣下工作，而且要求長期不間斷工作。為提高可靠性往往采用雙CPU系統。平時主單片機系統工作，并將所處理的數據存儲在外存，一旦主CPU系統出現故障，副CPU可切換上來，并利用公共外存的數據繼續工作，而不需要人工干預。這時雙端口RAM做為外存就是兩個CPU之間信息傳遞的最好渠道。本文以美國IDT公司生產的IDT7130為例，闡述雙端口RAM在最常用的80C31雙機系統中的應用。

2 系統的基本結構及硬件框圖

如圖1所示，整個系統由2個8031最小系統、雙端口RAM、故障探測及切換系統、程序監控系統、I／O轉換電路、鍵盤顯示電路及外部受控設備組成。

2個8031最小系統中，一個為主CPU（左邊），右邊為副CPU系統。當兩個CPU均為正常工作時，切換系統控制為主CPU系統工作，這時副CPU端的CE被屏蔽，同時鍵盤顯示系統和I／O 口由主CPU系統控制。切換系統不斷地檢測兩個CPU系統的工作狀況。

當切換系統檢測出主CPU系統發生故障時，屏蔽掉左邊的CE，而打開CE，同時將鍵盤顯示系統及I／O交由副CPU系統控制。這時副CPU將接著主CPU系統剛剛中斷的工作繼續進行。由于副CPU系統所使用的是雙端口RAM中同一地址的數據繼續工作，所以從外部看不出切換過程的發生。

為了保證設備長期不間斷運行的可靠性，特使用了看門狗電路（MAX813L），這樣首先從軟件上保證程序運行的可靠性，最后又從雙CPU切換來保證硬件上的可靠性。

由于鍵盤顯示電路（8279）中用到了數據總線，所以使用了二片74HC245，并將RD、WR進行了二選一，245的方向也由PSEN及RD通過邏輯組合進行控制。

　
3 系統各部分工作原理

3 ．1 IDT7130的工作原理

IDT7130為1 kΩ×8位的靜態雙端口RAM，它采用高性能CEMOS工藝，典型功耗為325 MW，最大訪問時間僅為20 ns。它帶有兩個自身控制，地址和I／O引腳的獨立端口。它允許任何一個端口獨立地讀寫存儲器中的任何單元。為了避免雙CPU系統對數據讀寫發生爭用，其片內帶有硬件端口仲裁電路，以保證雙機有序地讀寫存儲器中的任何單元。在MCS－51系列單片機中，由于沒有READY延時線，所以不能使用這
些仲裁電路，而需另設硬件電路來防止數據爭用。

3．2 MAX813L的使用

此電路為MAX公司生產的程序監控專用電路，用以防止程序跑死、跑飛，如圖2所示。將MR與看門狗輸出端WDO相連，看門狗輸入端WDI接到單片機的P1．5腳，REST端接單片機復位端RESET。平時，在定時中斷子程序中對P1．5輸出一次，每次取反，則P1．5腳將輸出標準的方波，不斷觸發看門狗。當系統受到干擾，出現“死機”現象時，單片機將無法從P1．5給出脈沖，1．6 s后813L的REST端便給出復位信號，使單片機復位。另外在掉電和上電期間，MAX813L均能產生可靠的復位信號。

3．3 故障探測及切換系統

這個系統有兩個任務：一是探測2個CPU系統的工作狀況；二是發現故障時及時進行整個系統的切換。既然要檢測CPU的工作是否正常，它本身就應該高可靠，結構要精少，嚴格篩選。2個CPU同時給故障檢測及切換系統不間斷脈沖，檢測系統則檢測所給的脈沖間隔，由此來確定2個CPU系統是否正常工作。這個間隔應大于看門狗產生復位所需的時間，以確定確實硬件出故障后再做切換。當某CPU系統所給出的脈沖間隔大于設定值時，說明此CPU系統發生了故障。這時切換控制系統就可通過邏輯組合屏蔽掉此CPU的CE，同時放開另一CPU端的CE，將雙端口RAM交由副CPU使用。

4 軟件

在此電路的其它部分有現成的8 Hz信號，可將此信號作為外部中斷源，由P1．5輸出脈沖信號給故障檢測電路及看門狗電路。每發生一次中斷，將P1．5輸出取一次反，形成了250 ms的方波信號。外部中斷子程序如圖3所示。其中03H為設定的標志位，它代表了上一次P1．5輸出的電平。

在主程序的初始化中，應避免對各內外存儲器置數，以便出現故障產生復位后，單片機能夠不間斷按原故障處繼續運行。

5 結 論

在以往的雙機容錯系統中，為了共享存儲器而不得不增加大量類似245、244的器件，反而影響了可靠性的提高，而雙端口RAM的使用可大大簡化電路，從而真正保證雙機系統可靠性的提高。

對以上方案進行了許多模擬故障試驗，均能可靠地進行切換和不間斷工作。應用在建筑塔鐘控制系統上以后，經過長期運行，證明設計是成功的，運行是可靠的。

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