CN104933004A - 使用spi总线扩展cpu模块的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用SPI总线扩展CPU模块的系统，所述的系统包括主CPU以及数个从CPU，主CPU包括主SPI接口，从CPU包括数个模块及从SPI接口；主CPU通过SPI总线与从CPU进行数据通信，从CPU的模块与外界模块相连接，主CPU的时钟端分别与从CPU的时钟端相连接，所述的主CPU数个片选管脚与所述的数个从CPU各自的片选管脚相连接，所述的主CPU的数个中断管脚与所述的数个从CPU各自的中断管脚相连接；本发明还涉及一种使用SPI总线扩展CPU模块的方法。采用该种结构的使用SPI总线扩展CPU模块的系统及方法，灵活度高，功能强大，扩展路数在SPI总线数度允许的情况下，可无限扩展。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及SPI通信技术领域，具体是指一种使用SPI总线扩展CPU模块的系统及方法。
背景技术
SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)是由Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的一种高速、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，占用PCB空间少、主从器件间的互联简单，正是出于这种简单易用的特性，如今在通信设备领域的应用越来越广泛。
SPI接口通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以(单向传输时)。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI(数据输入)、SDO(数据输出)、SCLK(时钟)、CS(片选)。
UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工发送和接收。
如今近年来，具有完整的测量或控制功能的智能模块不断涌现，而此类模块均需通过RS-232S或RS-485串行口与上位单片机或微机进行通信，以构成分级分布式测控系统，而现阶段的大部分单片机的UART串口数不会超过两个，很难满足既与智能模块通信又与上位微机进行通信的要求。
为了实现扩展多个UART接口，通常使用的方案是利用专用的UART多串口扩展芯片，但是这种芯片的价格普遍较高，且扩展路数有限(常见的是四路)，功能单一。使用从CPU扩展UART接口，灵活度高，功能强大，扩展路数在SPI总线数度允许的情况下，可无限扩展，还可以在扩展了UART功能的同时，额外扩展从CPU的所有外设接口，包括EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，电源管理，显示，GPIO等。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现的使用SPI总线扩展CPU模块的系统及方法。
为了实现上述目的，本发明的使用SPI总线扩展CPU模块的系统及方法具有如下构成：
该使用SPI总线扩展CPU模块的系统，其主要特点是，所述的系统包括主CPU以及数个从CPU，所述的主CPU包括主SPI接口，所述的从CPU包括数个模块及从SPI接口；所述的主CPU通过SPI总线与所述的从CPU进行数据通信，所述的从CPU的模块与外界模块相连接，所述的主CPU的时钟端分别与所述的从CPU的时钟端相连接，所述的主CPU数个片选管脚与所述的数个从CPU各自的片选管脚相连接，所述的主CPU的数个中断管脚与所述的数个从CPU各自的中断管脚相连接。
进一步地，所述的模块为UART接口、存储模块、时钟模块、AD转换模块、电源管理模块、显示模块或者GPIO模块。
本发明还涉及一种使用SPI总线扩展CPU模块的方法，其主要特点是，所述的主CPU描述多个模块与外界模块的通信以及主CPU与多个从CPU的SPI通信，所述的方法包括以下步骤：
当主CPU访问某一个模块时：
(1.1)所述的主CPU通过与所述的模块相对应的从CPU的片选管脚选择该从CPU；
(1.2)所述的主CPU通过SPI总线与该模块进行数据通信，且其余从CPU不能检测主CPU的时钟变换及主SPI总线上的通信数据；
当从CPU接收到某一模块的数据时：
(2.1)所述的从CPU在其中断寄存器中产生中断数据；
(2.2)所述的主CPU接收中断数据并通过所述的SPI总线读取所述的从CPU的中断状态以确定接收数据的模块，从而通过SPI总线与该模块进行数据通信。
进一步地，在主CPU运行过程中，所述的方法还包括以下步骤：
所述的主CPU实时地监测所述的从CPU的中断寄存器的状态
采用了该发明中的使用SPI总线扩展CPU模块的系统及方法，灵活度高，功能强大，扩展路数在SPI总线数度允许的情况下，可无限扩展，还可以在扩展了UART功能的同时，额外扩展从CPU的所有外设接口，包括EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器、电源管理、显示、GPIO等。
附图说明
图1为本发明的使用SPI总线扩展CPU模块的系统的第一实施例的结构示意图。
图2为本发明的使用SPI总线扩展CPU模块的系统的第一实施例的软件分层图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
图1为本发明的使用SPI总线扩展CPU模块的系统的第一实施例的结构示意图。它包括一个主CPU(带有SPI总线)和多个从CPU(包含多UART接口和SPI总线)，从CPU一方面通过主SPI接口(Master SPI)与主CPU的从SPI接口(Salve SPI)相连接，另一方面通过从CPU的UART接口分别与各种串行模块相连接；主从CPU之间的控制信号连接，除了片选线CS连接外，还需要一根中断线INT连接；即主CPU与其中一个从CPU之间的连接，不仅需要3根复用的SPI总线(SDI、SDO、SCLK)，还需要一根中断线INT和一根片选线CS。若接入N个从CPU，每个从CPU都有M个UART接口，那么就可以扩展M×N个串口。此外，需要说明的是本系统功能扩展性好，除UART接口外，从CPU上的存储、时钟、AD转换器、电源管理、显示，GPIO等模块也都可以通过此SPI总线扩展，在此不再赘述。
该方法的软件分层模块，如图2所示：
主CPU上运行LINUX操作系统，在UART驱动接口框架中嵌入SPI的驱动接口，这样一来，对于上层应用来说，仅仅需要调用相应的TTY节点来读写数据，简化了上层应用开发难度。
从CPU上需要运行的FIRMWARE用于监控SPI、UART和其它扩展外设的消息，向主CPU输出对应中断信号，触发SPI消息交互。
本实施例中的使用SPI总线扩展UART的实现方法具体包括以下步骤：
步骤1、使用主CPU监控中从CPU接入的中断信号，并控制片选管脚CS与指定的从CPU进行SPI数据通讯。
步骤2、使用从CPU描述多个UART接口与外部串行模块通讯，同时描述一个SPI接口与主CPU通讯。
步骤3、当接入N个从CPU时，每个从CPU有M个串口控制器，主CPU就可以通过一个SPI接口扩展M×N个UART接口。
步骤4、当主CPU需要访问众多UART接口中的某一个时，需要先通过主CPU拉低对应UART接口的从CPU的片选线CS，然后再通过SPI接口输出正常的访问指令即可；此时只有片选线CS为低电平的那个从CPU对应的SPI控制器能检测到主CPU主SPI接口时钟线上高低电平的变化，而其他的SPI从器件由片选线CS恒为高而无法触发其与主CPU的SPI接口的通信，从而在各个从CPU与主CPU的SPI接口之间通信不会造成冲突。
步骤5、当从CPU收到某一UART接口数据时，首先触发从CPU中断管脚INT，主CPU收到中断信号，通过SPI总线读取从CPU上的中断状态寄存器，此时主CPU就知道是哪一个UART接口的数据，通过SPI总线接收数据后，传给对应驱动端口处理。
采用了该发明中的使用SPI总线扩展CPU模块的系统及方法，灵活度高，功能强大，扩展路数在SPI总线数度允许的情况下，可无限扩展，还可以在扩展了UART功能的同时，额外扩展从CPU的所有外设接口，包括EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器、电源管理、显示、GPIO等。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (4)
1.一种使用SPI总线扩展CPU模块的系统，其特征在于，所述的系统包括主CPU以及数个从CPU，所述的主CPU包括主SPI接口，所述的从CPU包括数个模块及从SPI接口；所述的主CPU通过SPI总线与所述的从CPU进行数据通信，所述的从CPU的模块与外界模块相连接，所述的主CPU的时钟端分别与所述的从CPU的时钟端相连接，所述的主CPU数个片选管脚与所述的数个从CPU各自的片选管脚相连接，所述的主CPU的数个中断管脚与所述的数个从CPU各自的中断管脚相连接。
2.根据权利要求1所述的使用SPI总线扩展接口的系统，其特征在于，所述的模块为UART接口、存储模块、时钟模块、AD转换模块、电源管理模块、显示模块或者GPIO模块。
3.一种基于权利要求1所述的系统实现使用SPI总线扩展CPU模块的方法，其特征在于，所述的主CPU描述多个模块与外界模块的通信以及主CPU与多个从CPU的SPI通信，所述的方法包括以下步骤：
当主CPU访问某一个模块时：
(1.1)所述的主CPU通过与所述的模块相对应的从CPU的片选管脚选择该从CPU；
(1.2)所述的主CPU通过SPI总线与该模块进行数据通信，且其余从CPU不能检测主CPU的时钟变换及主SPI总线上的通信数据；
当从CPU接收到某一模块的数据时：
(2.1)所述的从CPU在其中断寄存器中产生中断数据；
(2.2)所述的主CPU接收中断数据并通过所述的SPI总线读取所述的从CPU的中断状态以确定接收数据的模块，从而通过SPI总线与该模块进行数据通信。
4.根据权利要求3所述的使用SPI总线扩展CPU模块的方法，其特征在于，在主CPU运行过程中，所述的方法还包括以下步骤：
所述的主CPU实时地监测所述的从CPU的中断寄存器的状态。
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