51系列單片機雙機并行互連的實(shí)現方法

由于MCS51系列單片機具有性能穩定、工作可靠、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，因此其應用相當廣泛。一個(gè)MCS51系列的單片機（如Atmel89cxx）內部包含有RAM、FLASH ROM、兩個(gè)或者三個(gè)16位的定時(shí)器/計數器、一個(gè)通用異步串行通信控制器（UART）等多種資源。但即便如此，在一些相對復雜的單片機應用系統中，僅僅一個(gè)單片機資源還是不夠的，因此而常常需要擴充I/O接口、定時(shí)器/計數器、串行通信接口、RAM、ROM等。采用通用的標準器件進(jìn)行擴充是通常的做法，但將單片機本身作為一個(gè)通用的擴充器件來(lái)使用，也不失為一個(gè)好的方法。在這種情況下，一個(gè)系統中就使用了兩個(gè)或兩個(gè)以上的單片機，而單片機之間就要通過(guò)互連來(lái)進(jìn)行數據通信。MCS51系列的單片機（以下簡(jiǎn)稱(chēng)單片機）都帶有串口，利用串口進(jìn)行互連通信極為方便，其各種連接方式在許多書(shū)籍和資料上都有介紹，在此不再重述。但如果系統要求擴充的資源是對外連接的串口，或對相互之間的數據傳送有一定的速度要求，則單片機的串口就不能用作系統內兩單片機的通信接口了。所幸的是，單片機的并行端口也能相互連接來(lái)進(jìn)行數據通信。根據單片機端口內部結構的特點(diǎn)，這些端口的端口線(xiàn)可以直接相連，從而使兩單片機之間并行通信接口的實(shí)現不用另外的硬件電路設備?；谶@種情況，設計時(shí)，可根據不同的使用要求，來(lái)采用不同的并行連接方法。下面介紹在兩個(gè)單片機之間進(jìn)行三種并行通信接口的實(shí)現方法。

1 單向并行通信接口的實(shí)現

在應用中，如果只需一個(gè)單片機向另一個(gè)單片機傳送數據，則可以采用單向并行通信接口方式，這種方式較為簡(jiǎn)單。圖1所示為單向并行通信接口的組成方法。圖中，單片機A為數據發(fā)送方，單片機B為數據接收方，8位端口可以是P0～3的任何一個(gè)。數據傳送的流程是：?jiǎn)纹瑱CA將數據送到端口后，通過(guò)STB信號中斷單片機B，單片機B進(jìn)入中斷并從端口讀取數據，讀完后，利用BUSY信號進(jìn)行應答，單片機A在檢查到端口線(xiàn)CHK上的應答信號后，就可以發(fā)送下一個(gè)數據了。以上是采用中斷方式進(jìn)行數據傳送的具體方法。當然，單片機B也可以采用查詢(xún)方式接收數據。利用單向并行通信接口方法的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用單片機的資源來(lái)擴充整個(gè)系統的串行通信接口、并行接口、定時(shí)器等部件。

2 主從并行通信接口的實(shí)現

主從并行通信接口的特點(diǎn)是兩單片機之間能夠通過(guò)并行通信接口將數據發(fā)送到對方，但這種方法必須有一個(gè)單片機處在主機狀態(tài)，另一個(gè)單片機處在從機狀態(tài)。圖2為主從并行通信接口原理圖。單片機A是主機，單片機B是從機，該接口使用了一個(gè)8位端口（如P0或P1）和4根控制信號線(xiàn)。

在主從工作方式下，該接口的工作方式有主機發(fā)送從機接收和主機接收從機發(fā)送等兩種情況。

2.1 主機發(fā)送從機接收方式的主機工作流程

主發(fā)從收方式的工作流程如下：

（1）主機設置數據傳送方法控制位DIR為0，以表示主機有數據發(fā)送到從機；

（2）主機在STB端口產(chǎn)生一個(gè)負脈沖，以使從機進(jìn)入中斷，并準備接收數據；

（3）主機將數據送8位數據端口，再設定ACK信號表示數據有效；

（4）主機檢查CHK端口，等待從機從8位端口取走數據；

（5）數據發(fā)送完成返回。

2.2 主機接收從機發(fā)送時(shí)的主機工作流程

主機接收從機發(fā)送方式時(shí)的工作流程如下：

（1）主機設置數據傳送方向控制位DIR為1，以表示主機將從從機讀取數據；

（2）主機在STB端口產(chǎn)生一個(gè)負脈沖，以使從機進(jìn)入中斷，并準備發(fā)送數據；

（3）主機查詢(xún)CHK端口，等待從機將數據送到8位端口上；

（4）主機從8位端口上讀取數據，再設定ACK信號以表示數據已被讀??；

（5）數據接收完成返回。

2.3 從機工作流程

在主從并行通信接口工作方式下，無(wú)論從機是接收數據還是發(fā)送數據，都是在中斷（也可以是查詢(xún)方式）方式下進(jìn)行的，從機的工作流程如下：

（1）進(jìn)入中斷服務(wù)程序；

（2）檢查數據傳送的方向；

（3）如果DIR為0，則等待CHK信號有效，再從8位端讀取數據，讀完后設定ACK信號有效；

（4）如果DIR為1，從機將數據送到8位端上，再設定ACK為有效，并等待主機取走數據（即CHK信號有效）；

（5）退出中斷服務(wù)程序。

3 無(wú)主從雙向并行通信接口的實(shí)現

無(wú)主從雙向并行通信接口的特點(diǎn)是兩個(gè)單片機處在平等的地位，兩個(gè)單片機均可隨時(shí)提出申請，向對方發(fā)送數據，當然也可通過(guò)簡(jiǎn)單的接口協(xié)議從對方讀取數據。這種情況下，就有可能出現兩個(gè)單片機同時(shí)提出使用8位端口的申請而發(fā)生沖突，從而影響雙方數據的傳送。要解決這個(gè)問(wèn)題，就要求每一方必須在數據傳送之前進(jìn)行檢查，以判斷8位端口是否被對方所使用，從而避免沖突的發(fā)生。圖3是無(wú)從雙向并行通信接口的原理圖。該接口中采用了5根控制信號線(xiàn)，其中CHK/ACK控制信號線(xiàn)，其中CHK/ACK控制信號線(xiàn)的功能可以復用。8位端口可以是P0、P1或其它8位I/O口。

在無(wú)主從雙向并行通信接口中，由于單片機A與單片機B沒(méi)有主從關(guān)系而處在平等位置，所以單片機B與單片機A的數據接收發(fā)送流程完全相同。這里只說(shuō)明單片機A的數據接收發(fā)送流程。

3.1 數據發(fā)送流程

下面給出單片機A的數據發(fā)送流程：

（1）檢查CHKREQ，判斷單片機B是否提出了數據傳送申請；

（2）如果單片機B提出了申請，則轉a繼續等待；否則，單片機A提出申請，將REQ置為有效；

（3）再次檢查CHKREQ，判斷單片機B是否同時(shí)提出了申請；

（4）如果單片機B提出了申請，則發(fā)生沖突；清除REQ并延時(shí)；然后執行（1）；

（5）將數據送8位端口，設定STB有效；

（6）檢查CHK，等待單片機B將數據取走；

（7）檢查單片機A的數據是否全部送完，如沒(méi)有則轉執行（5）；

（8）撤銷(xiāo)REQ信號，釋放8位端口；

（9）數據發(fā)送完成，退出流程。

3.2 數據接收流程

單片機A的數據接收流程如下：

（1）進(jìn)入中斷服務(wù)流程；

（2）從8位端口讀取數據；

（3）設置ACK信號有效，表示數據已成功讀??；

（4）退出中斷服務(wù)流程。

4 三種并行接口方式的特性分析

本文介紹的三種并行通信接口連接方式能夠適用于不同的要求。下面分別對采用三種通信接口工作方式的數據通信響應時(shí)間進(jìn)行分析。假設單片機的工作時(shí)鐘頻率為24MHz，8位端口為P0口。系統中每一個(gè)單片機只有一個(gè)中斷源。在單個(gè)中斷源情況下的中斷響應時(shí)間為3～8μs。在單向并行通信接口工作方式下，數據只從單片機A向單片機B傳送，假設接收方單片機B中斷接收。個(gè)字節的傳送過(guò)程將包括數據發(fā)送端口、通知接收方、等待接收方的已接收應答等三個(gè)部分。其程序的一般寫(xiě)法為：

MOV P0，#DATA

CLR STB

JB CHK，$

如各條指令的執行時(shí)間分別為1μs、1μs、3～8μs。那么，這種方式下，一個(gè)字節的傳送時(shí)間在10μs左右，最短可到5μs，因此數據的數傳率較高。

在主從并行通信接口方式下，數據傳送包括接收和發(fā)送兩個(gè)方向，由于數據傳送均在主機控制下進(jìn)行，且數據的接收和發(fā)送兩個(gè)方向的時(shí)間大體相等。根據其數據傳送流程，主機發(fā)送數據的程序如下：

CLR DIR

CLR STB

MOV P0，#DATA

SETB ACK

JB CHK，$

由于該程序前4條指令的執行時(shí)間均為1μs，最后一條指令的執行時(shí)間為等待從機的響應時(shí)間為3～8μs，這種方式下一個(gè)字節的傳送時(shí)間在12μs左右，最短可到7μs，可見(jiàn)仍有效高的數傳率。

在無(wú)主從并行通信接口方式下，文中只討論了主動(dòng)向對方發(fā)送數據的方式，而沒(méi)有討論主動(dòng)從對方讀取數據的方式，這是因為通過(guò)簡(jiǎn)單的接口協(xié)議可以使對方主動(dòng)發(fā)送數據，從而達到讀取數據的目的。根據圖3和其數據發(fā)送流程可知，在沒(méi)有8位數據端口使用沖突的情況下，其數據傳送的基本步驟與主從方式數據傳送的步驟基本相同，但需要對8位端口的使用進(jìn)行聲明確認的撤銷(xiāo)，這需要執行至少4條指令，時(shí)間約需4μs，因此，這種試上單字節數據的傳送時(shí)間在11～18μs。當遇上8位數據端口使用有沖突時(shí)，則數據傳送的時(shí)間還會(huì )受8位數據端口被占時(shí)間的影響，因而變得不確定。

5 結束語(yǔ)

由于MCS51系列單片機已衍生出了許多規格和型號的產(chǎn)品，且使用起來(lái)方便靈活，應用相當廣泛，因此討論它們的一般應用是非常有意義的。MCS51系列單片機的直接并行互連具有一定的實(shí)用價(jià)值，能簡(jiǎn)化許多應用系統的硬件設計。在許多的應用系統中，完全可以把MCS51系列單片機當作普通的可編程器件來(lái)使用。本文介紹的單向并行通信接口中的接收方單片機，主從并行通信接口中的從機都是這樣使用的。