双CPU之间的通信方案

    在设计电子电气系统的时候，经常会遇到需要设计两个或两个以上CPU协同工作情况。如果有一款芯片集成有两个CPU，分别能满足要求，CPU之间的通信在芯片内部就能又快又可靠的完成，想象是美好的，但是结局是悲伤的，需求差异太大，只能定制(成本高的无法想象)。我们通过组合不同CPU芯片实现我们想要的功能。

    比如说，现在有个安全系统需求，需要一个通信CPU与其他系统通信，这个通信CPU要和本系统内的执行功能算法的CPU交互数据，这时候我们去市场上查找发现：没有这种即能满足通信需求又能满足功能算法的集成双CPU方案！那我们可以通过不同厂家的芯片组合在一起实现：使用TI的DSP实现功能算法，使用ST的ARM实现通信。现在问题来了，两个CPU之间怎么进行通信！下面作者结合自己遇到项目，分析不同CPU通信方案的特点！

1.为什么需要双CPU

（1） 资源限制

   电子电气系统使用的嵌入式CPU往往资源非常有限，RAM和Flash一般几百K，内部的外设接口也有限。一个CPU不能完成一个系统所需要的功能，需要两个或以上的不同CPU才能完成。通过多CPU设计，系统的可用的资源可以满足需要。

(2)功能划分

     电子电气系统由很多功能是可以独立划分的，比如说，一部分是通信的，一部分是数据采集的，一部分是执行用户逻辑的，一部分是输出的，功能划分有利于分而治之。

(3)保密性

    有些公司处于技术保密性，将自己的核心成果封装在一个CPU内，提供给客户，客户只需要知道接口而不必懂的里面的实现。现在有很多无线物联网公司开发自己的无线协议，他们很多使用ARM的M0内核的烧写自己的协议，使用SPI或串口作为接口，提供无线互联解决方案。

(4)行业或标准要求

        比如说安全要求比较高的行业，如汽车电子，石油化工等系统，一旦电子系统出现问题，就会造成巨大的生命和财产损失，要求诊断和保护系统需要运行在单独的CPU内，与执行功能的主CPU完全分开解耦，即使在主CPU出现故障，也不会影响执行保护系统。

       电梯行业应用单独的CPU诊断电梯的状态就是个典型例子。主CPU负责电梯的升降，辅助CPU负责对电梯的位置，速度等关键信息进行监控，一旦检测到有问题就会报警或停机。

      在功能安全领域标准IEC61508，包括汽车电子标准ISO26262，有强制的要求，达到SIL标准的系统必须使用多CPU通道设计，增加系统的可靠性！(该如何使用多CPU设计符合功能安全的标准我会在今后详细分析)

(5)分工需要

    在公司开发一套电子电气系统，需要各个不同领域的人，比如说硬件，软件，做硬件的有的人擅长DSP硬件，有的人精通ARM硬件；做软件的人，有的人在无线通讯有经验，有的人专注驱动层开发。如何将团队组织在一起协同工作是个需要思考的问题。有很多时候是为了分工提高劳动效率，尽量减少不同领域之间的不必要的耦合，在出现问题时可以快速找到问题和责任人，绩效考核谁干的好谁干的不行等目的将一套系统划分为多个部分，由不同的CPU执行。

   分工产生产生效能！一个人不掌握全部技术，这么干老板很喜欢！

 

2.双CPU之间通信选择

    常见的CPU之间可以通过串口，SPI，双口ram，CAN，以太网

2.1 各方案的比较

                                              

2.2 串口方式

激光器，蓝牙芯片

     两个CPU之间通过串口通信，简单，速率低，适用于绝大部分交互不是太频繁的领域。比如蓝牙芯片，激光器等提供使用串口和AT指令与主CPU交互。

                                                                         

      由于串口的通信波特率一般不大于115200，而且串口数据一个byte一个byte发送，需要在接收方判断收到数据一个延时后没收到下个数据，认为数据已经接收完成，这种方式大大降低了数据的交互速度。

 

2.3 SPI

   spi由于速度快，简单，同步，全双工，占用IO少已经广泛使用在flash，ADC等IC的接口。两个CPU使用SPI通信，需要设计一套两个SPI交互的方案，否则很容易出现数据丢失。spi的波特率一般可以达到20M以上，发送一个数据不到1us，适用于绝大多数场合。

 

     使用spi通信一般可以分为两种：

  （1）数据同步交互 

     spi主在发送数据的同时也接收数据。接收和发送数据的个数和内容完全由主SPI决定。交互的数据格式可以参考spi flash芯片。主spi先拉低数据请求，接着发送命令和地址，接着发送0x0000数据，产生时钟读取从的数据，从发送多少个数据完全由spi主的时钟个数决定。下面看一个同步数据传输实例。

    spi主需要发送数据，首先拉低片选，接着发送8bit的命令和8bit的数据，从spi通过中断接收到命令和数据后，解析，准备好数据放到spi 发送寄存器，等待spi主取数据，每8bit clock后spi从就会把下一个发送数据放到寄存器。spi主决定什么时候数据结束，最后拉低片选，告诉从spi数据结束了。整个过程需要注意的是(1)从的数据要提前准备好，放入寄存器等待读取  （2）发送命令和地址后，主需要发送无意义数据通常0x00，产生clock。（3）spi主接收的第三个数据开始才是主需要的第一个数据。

问题：这种模式从不能随心所欲的发送数据，即不能在任何时候发送任何长度的数据。

 （2）数据异步交互

使用数据异步方式的过程如下

(1)spi主发送数据  首先拉低Tx_master，开始发送数据，当发送数据接收后，再拉高Tx_master，这时候spi从就会接收到“一帧数据”，从而解析。spi从最好使用中断接收，以免数据丢失。

(2)spi从发送数据 spi从发送数据前，需要将发送数据的长度放入spi从的发送寄存器，然后拉高Tx_salve，spi主检测到Tx_salve高就会产生clock，去取从发送数据的长度N，接着主发送N个clock，每当数据发送完成，从需要将下一个数据放入寄存器。

     从上面的两个过程我们可以发送，数据的传输是半双工的，主发送数据的时候，接收从的数据是无用的，从发送数据组发送的数据也是无效的。数据交互效率降低了，但是很多时候，spi从想随心所欲的发送数据，这种方式还是非常实用。

  

2.3 双口RAM

两个CPU外部接一个双口RAM，CPU就像使用外扩RAM一样

2.3.1 ASCI双口RAM芯片

 

2.3.2 CPLD/FPGA

2.4 CAN总线方式

     CAN总线低成本，高可靠性，具有非破坏仲裁等优势，几乎每个CPU都有一路或以上CAN模块。在交互数据不是很多，又要求数据可靠性很高的场合，选择CAN交互非常合适。我见到过的在风力发电控制系统中使用CAN对采集的两路信号比较，还有石化行业DO板使用CAN总线比较输出。

2.5 以太网

    双CPU以太网点对点交互数据，多用于热备和冗余2取1系统。

  （1）1OO2冗余2取1系统，主要应用对安全要求极高的系统。在石化行业，有一种紧急停车ESD系统，采集外部的压力，温度，开关等信息，见过冗余双网络送到CPU1和CPU2分别处理，然后通过以太网比较，最后控制阀门的开闭。（数据怎么同步，怎么比较见下次论述）

（2）热备系统

热备系统不仅可以在主机出现问题的时候切换到从机，而且可以在工厂检修时候不用停机，提高了系统的可用性！

 

未完待续。。。。。。。