基于令牌仲裁的雙口RAM高速數(shù)據(jù)傳輸技術

摘 要：針對雙CPU遙控模型直升機機載飛控系統(tǒng)中微處理器間高速可靠數(shù)據(jù)傳輸這一關 鍵性問題，設計了雙口RAM數(shù)據(jù)共享的軟硬件，在基于旗語邏輯的令牌仲裁方式下，實現(xiàn)了DSP 和單片機的雙向數(shù)據(jù)通信。測試結果表明，本文所設計的雙口RAM軟硬件可滿足機載飛控系統(tǒng) 雙CPU間高速可靠數(shù)據(jù)通信的要求，數(shù)據(jù)傳輸效率高，為后續(xù)機載飛控系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎， 并對其他多CPU系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸有很好的借鑒意義。

關鍵詞：遙控模型直升機；機載飛控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸；雙口RAM；令牌仲裁

中圖分類號：TN79 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）01-0053-04

TheTechnologyofHighSpeedDataTransmission BasedonDualPortRAMinTokenArbitrationMethod

LUYingyue，JIANGJu，WANGXinhua，HANShengnan

（CollegeofAutomationEngineering，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China）

Abstract：Forthekeyproblemofhighspeedreliabledatatransmissionbetweenmicroprocessorsin theairborneflightcontrolsystemofdoubleCPUremotemodelhelicopter，thispaperdevisesboththesoft wareandthehardwareofdualportRAMdatasharingsystem，andrealizesthetwowaydatacommunica tionbetweenDSPandsinglechipprocessor.TestresultsshowthatthedualportRAMsystemcansatisfy theneedofhighspeedreliabledatacommunicationintheairborneflightcontrolsystemwithhighdata transferefficiency.Ithaslaidthefoundationforthedevelopmentoffollowupairborneflightcontrolsys tem，andisagoodreferencetodatatransmissioninothermultiCPUsystem.

Keywords：remotecontrolmodelhelicopter；airborneflightcontrolsystem；datatransmission；du alportRAM；tokenarbitration

0 引 言

無人直升機自主飛行控制系統(tǒng)的設計一直是飛控領域的研究熱點[1]。單CPU由于其控制能力 和信息處理能力有限，難以滿足部分飛控系統(tǒng)實 時性和高效數(shù)據(jù)處理的要求[2]。因此，本文給出了 一種雙CPU遙控模型直升機自主飛行控制機載電 路方案。

多CPU間常采用串行方式進行通信，這種方 法的缺點是傳輸速率低、數(shù)據(jù)提取困難[3]。若采用 標準總線結構進行并行數(shù)據(jù)傳輸，其硬件結構和 軟件協(xié)議都比較復雜，開發(fā)周期長[4]。對飛控系統(tǒng) 而言，雙CPU間快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸是整個系統(tǒng) 正常運行的基礎，而高性能的雙口RAM可保證高效的數(shù)據(jù)傳送，其傳輸速度快、電路結構簡單、可 靠性高，能滿足多CPU系統(tǒng)的要求[5-6]。在此基 礎上，本文設計了采用令牌仲裁方式、基于雙口 RAM的雙CPU間通信方案，完成了硬件搭建和軟 件編程，并進行了性能測試。

1 基于DSP和單片機的模型直升機飛控系 統(tǒng)方案設計

遙控模型直升機機載飛控系統(tǒng)的結構設計框 圖如圖1所示。其結構按功能模塊劃分，主要分為 CPU最小系統(tǒng)模塊、外擴存儲器模塊、無線通信模 塊、傳感器模塊和執(zhí)行器控制模塊。本系統(tǒng)充分考 慮了系統(tǒng)接口的靈活性和可拓展性，飛控機硬件 資源豐富、成本低，便于調試。其主控制器采用雙 CPU結構：DSP為主CPU，負責控制律解算、導航 算法、飛行管理以及舵面輸出等功能；單片機作為 CPU，負責機載設備的信息采集、與地面監(jiān)控設備 通信等功能；DSP和單片機之間通過雙口RAM進 行實時通信。

如圖1所示，傳感器子系統(tǒng)采集姿態(tài)角速度、 線加速度等數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)幀的形式送往單片機，單 片機通過雙口RAM將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP，DSP解幀 后即可提取出傳感器數(shù)據(jù)；借助一對相互通信的 無線數(shù)傳模塊，地面站發(fā)送控制指令幀給單片機， 單片機通過雙口RAM將指令傳輸?shù)紻SP，DSP解 幀后即可提取出指令：獲取了必要的數(shù)據(jù)和指令后 DSP可進行控制律解算，產生PWM脈沖輸出至4 個航模舵機，用于控制縱向周期變距、橫向周期變 距、總距和尾槳槳距。此外，DSP輸出的舵機PWM 占空比可以通過雙口RAM傳送至單片機，單片機 再通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送到地面站顯示，供地面實時監(jiān)控用。

由此可見，在以上的飛控計算機工作流程中， 雙口RAM是單片機和DSP之間通信的橋梁，雙 CPU間高速可靠的數(shù)據(jù)通信是系統(tǒng)得以正常運作 的關鍵技術。

2 雙CPU間數(shù)據(jù)通信的硬件設計

作為一種不同于單端口RAM的高速并行傳輸 芯片，雙口RAM配備兩套獨立的地址、數(shù)據(jù)和控 制線，數(shù)據(jù)存取功能與普通單端口RAM相同，存 取速度能滿足不同CPU的要求而無需插入等待狀 態(tài)，允許兩個獨立CPU同時異步地訪問存儲單元， 因此在多CPU系統(tǒng)中應用廣泛。本文采用IDT公 司高性能CMOS工藝生產的容量4K×16位的高速 雙口靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲邏輯器件IDT70V24[7]，可滿足 應用需求。

當兩側CPU在同一時刻對雙口RAM的同一 內存單元寫數(shù)據(jù)，或對同一存儲單元一讀一寫數(shù) 據(jù)時，會發(fā)生競爭使用現(xiàn)象，此時大多數(shù)雙口 RAM內部集成的幾種仲裁邏輯可以仲裁CPU使用 權，以避免競爭發(fā)生。常見的有硬件地址仲裁 （BUSY）、令牌仲裁（SEM）和中斷仲裁（INT） 等[8]。芯片自身并不具備以上這些仲裁功能，需要 用戶編寫軟件以配合實現(xiàn)硬件的功能。本文采用 的是令牌仲裁方式。令牌仲裁方式與旗語（Sema phore，或SEM）有關。

2.1 IDT70V24的旗語邏輯

旗語單元是IDT70V24的8個不同于存儲單元 的獨立標志單元，用作端口間的標志（或稱為令 牌）傳送，以申明對某一塊共享資源的使用權。從 硬件上來說旗語邏輯是8個鎖存器，其閉鎖邏輯框 圖如圖2所示。兩個D觸發(fā)器在初始化時均使 SEM輸出高電平，等待雙方申請SEM。如果收到 一方寫入SEM低電平信號，仲裁電路將使該方的 觸發(fā)器輸出端為0，同時繼續(xù)閉鎖另一個SEM輸 出端，使其繼續(xù)保持1。只有當先請求的一方撤銷 SEM信號，即寫入1，才使得另一方SEM輸出端的 閉鎖信號得以解除，恢復等待新的SEM申請。也 就是說，任何想使用RAM共享資源的一方CPU首 先要申請令牌，即向SEM寫0；然后通過讀取SEM 的值以確定是否申請成功。若申請成功，則該CPU 獲取了對RAM資源的使用權；若未成功，則表明 另一方CPU獲取了令牌且正在使用共享資源，此 時用查詢的方式等待另一方CPU釋放了SEM后即 可獲取對RAM資源的使用權。

旗語單元內部的讀寫機制能保證在讀寫周期 間隙系統(tǒng)級競爭現(xiàn)象不會發(fā)生。旗語模式下，CPU 間的這種軟件握手機制與硬件操作無關，因此為 資源共享提供了最大的靈活度。但需注意，旗語初 始化并不是自動發(fā)生的，程序初始階段要用軟件 釋放所有要使用的令牌。

2.2 雙口RAM與CPU的硬件連接

IDT70V24的引腳接線參照圖1所示，電源引 腳和未使用到的引腳沒有畫出。其片選使能引腳 和旗語使能引腳與CPU的通用I/O口相連；讀寫 引腳與CPU的讀寫引腳相連，無需軟件控制；本 文中只使用低8位數(shù)據(jù)，據(jù)此設置高/低位數(shù)據(jù)使 能引腳；每側各12根地址線和8根數(shù)據(jù)線分別和 CPU的地址引腳、數(shù)據(jù)引腳對應相連，以便正確尋 址和讀寫。

在開始針對飛控系統(tǒng)的特殊應用之前，首先 完成了一個全功能測試，即

（1）測試是否每個地址空間都能正確讀寫數(shù) 據(jù)；

（2）使用雙CPU對雙口RAM的同一地址單 元進行讀寫，觀察雙口RAM的通信功能是否正 常。

本文對雙口RAM的兩種測試方案都編寫了相 應的測試代碼，并在飛控板硬件平臺上進行了測 試驗證。結果表明，雙口RAM的每個地址單元都 能正確讀寫數(shù)據(jù)，且雙CPU對同一地址單元的讀 寫也正確無誤。這為下一步飛控系統(tǒng)特定功能的 實現(xiàn)奠定了保證。

模擬遙控直升機飛控板的工作，驗證令牌判 優(yōu)下雙口RAM在本系統(tǒng)中實現(xiàn)雙CPU間數(shù)據(jù)通 信的流程，本文設計以下兩種實驗方案：

（1）單片機通過串口接收地面監(jiān)控站發(fā)送來 的指令幀并解幀，將指令存于雙口RAM中；DSP 在定時器中斷中從雙口RAM里提取出指令，調用 相應的舵機PWM脈沖產生函數(shù)，控制某一通道舵 面偏轉；

（2）單片機采集航姿傳感器AHRS每50ms發(fā) 送來的數(shù)據(jù)幀，于定時器中斷處理程序中解幀，將 數(shù)據(jù)存儲于雙口RAM中；DSP也在定時器中斷中從 雙口RAM里提取出數(shù)據(jù)，以便做解算處理用。

首先分析本文飛控系統(tǒng)CPU間數(shù)據(jù)傳輸軟硬 件設計的可靠性：

以上方案中，（1）是不定時接收小規(guī)模數(shù)據(jù)， （2）是定時接收大規(guī)模數(shù)據(jù)。實驗證明，兩者都取 得了滿意的效果：方案（1）中，地面站發(fā)送對油門 通道的某一指令后，油門通道PWM脈沖輸出的波 形能按既定規(guī)律變化，這一方案已在試飛中驗證 成功，這表明指令幀讀取正確；方案（2）中，多次 運行程序，對比單片機收到的數(shù)據(jù)幀和DSP接收 該數(shù)據(jù)幀的數(shù)組中的內容，發(fā)現(xiàn)每次結果兩者都 幾乎一致，誤碼率在1%以下，這表明數(shù)據(jù)幀讀取 基本正確。以上說明令牌判優(yōu)下基于雙口RAM的 數(shù)據(jù)通信是可靠的，數(shù)據(jù)傳輸沒有出現(xiàn)明顯錯誤。

再來分析本文飛控系統(tǒng)CPU間數(shù)據(jù)傳輸軟硬 件設計的高速性。DSP部分的程序全速運行時，將雙口RAM的寫信號接往示波器觀察，如圖5所 示：圖5（a）是讀使能和寫使能的總線時序，圖5 （b）是放大后的某次寫使能總線時序。

首先分析圖5（a）。圖中體現(xiàn)出的是讀寫信號 之間的時序關系。寫使能拉高后，經過不到80ns 的時間進入讀使能時序，這對應于測試代碼中，寫 操作過后立刻進入讀操作，在此期間需要經歷一 個地址建立時間，估算值為42ns，因此這部分時 序正確。讀使能拉低后，經過約500ns的時間進入 寫使能時序；測試代碼中，讀操作過后，軟件延時 了約600ns，才進入下一個寫操作，故而這部分時 序也是正確的。

再來分析圖5（b）。低電平表示寫信號使能， 從圖中讀出其持續(xù)時間約為180ns。可以通過計算 來驗證：程序中根據(jù)DSP外設時鐘配置知，讀寫外 擴RAM時前導階段（LEAD）、有效階段（ACTIVE） 和結束階段（TRAIL）分別為3，7和3個機器周期， 而DSP初始化設置為2分頻，其機器周期為6.67 ns，故理論上的寫信號使能時間為（3+7+3）×2× 6.67ns=173ns，這表明計算值與實際值相當。