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用CPLD實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與ISA總線接口的并行通信

2009-01-04
作者：肖小鋒 盛 文 李演仁

??? 摘? 要: 介紹了用ALTERA公司MAX7000系列CPLD芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC104ISA總線接口之間的并行通信。給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及程序源代碼。?

??? 關(guān)鍵詞: CPLD? ISA總線? 并行通信

?

??? CPLD(Complex Programmable Logic Device)是一種復(fù)雜的用戶可編程邏輯器件,由于采用連續(xù)連接結(jié)構(gòu),易于預(yù)測(cè)延時(shí),從而使電路仿真更加準(zhǔn)確。CPLD是標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模集成電路產(chǎn)品,可用于各種數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。近年來(lái),由于采用先進(jìn)的集成工藝和大批量生產(chǎn),CPLD器件成本不斷下降,集成密度、速度和性能大幅度提高,一個(gè)芯片就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng);再加上使用方便的開(kāi)發(fā)工具,使用CPLD器件可以極大地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,給設(shè)計(jì)修改帶來(lái)很大方便[1]。本文以ALTERA公司的MAX7000系列為例,實(shí)現(xiàn)MCS51單片機(jī)與PC104ISA總線接口的并行通信。采用這種通信方式,數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確高速,在12MHz晶振的MCS51單片機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,可以滿足與PC104 ISA總線接口實(shí)時(shí)通信的要求,通信速率達(dá)200Kbps。?

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案?

??? 用CPLD實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC104ISA總線接口的并行通信,由于PC104主要完成其它方面的數(shù)據(jù)采集工作,只是在空閑時(shí)才能接收單片機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù),所以要求雙方通信的實(shí)時(shí)性很強(qiáng),但數(shù)據(jù)量不是很大。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,單片機(jī)用中斷方式接收數(shù)據(jù),PC104采用查詢方式接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。?

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?

??? 在單片機(jī)部分,D[0..7]是數(shù)據(jù)總線,A[0..15]是地址總線,RD和WR分別是讀寫(xiě)信號(hào)線,INT0是單片機(jī)的外部中斷,當(dāng)單片機(jī)的外部中斷信號(hào)有效時(shí),單片機(jī)接收數(shù)據(jù)。?

??? 在CPLD部分,用一片MAX7000系列中的PM7128?ESLC84來(lái)實(shí)現(xiàn),用來(lái)完成MCS51與PC104ISA總線接口之間的數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)查詢及延時(shí)等待。?

??? 在PC104ISA部分,只用到PC104的8位數(shù)據(jù)總線D[0..7],A[0..9]是PC104的地址總線;/IOW和/IOR是對(duì)指定設(shè)備的讀寫(xiě)信號(hào);AEN是允許DMA控制地址總線、數(shù)據(jù)總線和讀寫(xiě)命令線進(jìn)行DMA傳輸以及對(duì)存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備的讀寫(xiě);IOCHRDY是I/O就緒信號(hào),I/O通道就緒為高,此時(shí)處理機(jī)產(chǎn)生的存儲(chǔ)器讀寫(xiě)周期為4個(gè)時(shí)鐘周期,產(chǎn)生的I/O讀寫(xiě)周期和DMA字節(jié)傳輸均需5個(gè)時(shí)鐘周期,MCS51通過(guò)置此信號(hào)為低電平使CPU插入等待周期,從而延長(zhǎng)I/O周期;SYSCLK是系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào),使系統(tǒng)與外部設(shè)備保持同步;RESETDR是上電復(fù)位或系統(tǒng)初始化邏輯信號(hào),是系統(tǒng)總清信號(hào)。?

2 基于MAX+plusII的硬件實(shí)現(xiàn)?

??? ALTERA公司的CPLD開(kāi)發(fā)工具M(jìn)AX+plusII,支持多種輸入方式,給設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了極大的方便,因此本系統(tǒng)采用MAX+plusII進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的主體部分用原理圖輸入方式,由于庫(kù)中提供了現(xiàn)成的芯片,所以使用很方便。原理圖輸入部分如圖2和圖3所示。圖2主要完成單片機(jī)與ISA接口通信中的數(shù)據(jù)傳輸和握手判斷。在圖2中,各信號(hào)說(shuō)明如下:?

??? D[0..7]???? 單片機(jī)的8位雙向數(shù)據(jù)總線;?

??? PCD[0..7]?? ISA接口的8位雙向數(shù)據(jù)總線;?

??? PCRD??????? ISA接口的讀有效信號(hào);?

??? PCWR??????? ISA接口的寫(xiě)有效信號(hào);?

??? STATE?????? ISA接口的查詢選通信號(hào),用來(lái)判斷單片機(jī)已寫(xiě)數(shù)據(jù)或讀走數(shù)據(jù);?

??? PCSTATE 單片機(jī)用此查詢ISA接口已取走數(shù)據(jù);?

??? MCURD?????? 單片機(jī)的讀有效信號(hào);?

??? MCUWD?????? 單片機(jī)的寫(xiě)有效信號(hào);?

??? INT0??????? 單片機(jī)的外部中斷信號(hào)。?

??? 當(dāng)MCUWR信號(hào)有效時(shí),單片機(jī)把數(shù)據(jù)鎖存于74LS374(1)中,此時(shí)PCSTATE變?yōu)?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/高電平" title="高電平" target="_blank">高電平;PC104用STATE信號(hào)選通74LS244來(lái)判斷數(shù)據(jù)位PCD0是否為高電平,如果為高,說(shuō)明單片機(jī)送來(lái)了數(shù)據(jù),則使PCRD有效,從數(shù)據(jù)鎖存器74LS374(1)中取走數(shù)據(jù),此時(shí)PCSTATE變?yōu)榈碗娖?單片機(jī)通過(guò)判斷此信號(hào)為低電平來(lái)判定PC104已取走了數(shù)據(jù),此時(shí)可以發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)。?

?

?

?

??? 當(dāng)PCWR信號(hào)有效時(shí),PC104把數(shù)據(jù)鎖存于74LS374(2)中,此時(shí)INT0變?yōu)榈碗娖?單片機(jī)產(chǎn)生外部中斷,使MCURD信號(hào)有效,從數(shù)據(jù)鎖存器74LS3734(2)中取走數(shù)據(jù)。此時(shí)INT0變?yōu)楦唠娖?PC104用STATE信號(hào)選通74LS244判斷數(shù)據(jù)位PCD1是否為高電平,如果為高電平,則說(shuō)明單片機(jī)取走了數(shù)據(jù),可以發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。?

??? PC104與單片機(jī)進(jìn)行通信,最關(guān)鍵的就是速度匹配問(wèn)題。由于PC104的速度快,而單片機(jī)的速度較慢,所以要在PC104的IOCHRDY處插入等待周期。如圖3所示,各信號(hào)說(shuō)明如下:?

??? IOCHRDY 用來(lái)使ISA接口等待5個(gè)時(shí)鐘周期;?

??? DLY_D?????? 延時(shí)輸入信號(hào);?

??? DLY_CK????? 延時(shí)等待時(shí)鐘信號(hào);?

??? DLY_CLR 等待清除信號(hào),為開(kāi)始下一次送數(shù)周期做準(zhǔn)備;?

??? DELAY?????? 延時(shí)5個(gè)時(shí)鐘周期后的輸出信號(hào),作為DLY_CLR信號(hào)的輸入;?

??? SYSCLK????? ISA接口的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)。?

??? 在MCS51與PC104進(jìn)行通信的過(guò)程中,DLY_D信號(hào)一直有效(高電平),在信號(hào)SYSCLK的作用下,每5個(gè)時(shí)鐘周期DELAY信號(hào)有效一次,即為高電平。此時(shí)DLY_CLR信號(hào)有效(低電平),IOCHRDY信號(hào)變?yōu)楦唠娖?PC104可以讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。?

??? 地址譯碼部分采用文本輸入方式,用ALTERA公司的硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言AHDL(Altera Hardware Description Language)實(shí)現(xiàn)。AHDL是一種模塊化的高級(jí)語(yǔ)言,完全集成于MAX+plus II系統(tǒng)中,特別適合于描述復(fù)雜的組合邏輯、狀態(tài)機(jī)和真值表,地址譯碼部分采用文本輸入方式充分體現(xiàn)了文本輸入方式的優(yōu)點(diǎn)。文本輸入內(nèi)容如下:?

??? SUBDESIGN Address?

??? (?

??? PCA[9..0]?? :INPUT;?

??? AEN，IOR，IOW?????? :INPUT;?

??? RESETDR，DELAY????? :INPUT;?

??? A[15..14]?????????? :INPUT;?

??? RD，WR????????????? :INPUT;?

??? DLY_D?????????????? :OUTPUT;?

??? DLY_CK????????????? :OUTPUT;?

??? DLY_CLR??????????? ?:OUTPUT;?

??? STATE?????????????? :OUTPUT;?

??? PCRD??????????????? :OUTPUT;?

??? PCWR??????????????? :OUTPUT;?

??? MCURD?????????????? :OUTPUT;?

??? MCUWR?????????????? :OUTPUT;?

??? )?

??? BEGIN?

??? ?選DLY_CLR=RESETDR#DELAY;?

??? DLY_D=?選AEN&(PCA[9..1]==H″110″);?

??? DLY_CK=?選AEN&(PCA[9..1]==H″110″)&(?選IOR#?選IOW);?

??? ?選PCWR=?選AEN&(PCA[9..0]==H″220″)&?選IOW;?

??? ?選PCRD=?選AEN&(PCA[9..0]==H″220″)&IOR;?

??? ?選STATE=?選AEN&(PCA[9..0]==H″221″)&?選IOR;?

??? ?選MCSWR=(A[15..14]==H″2″)&?選WR;?

??? END;?

??? 說(shuō)明:PCA[9..0]是PC104的地址信號(hào),A[15..14]是單片機(jī)的地址信號(hào),PC104用到端口地址220H和221H。?

3 通信軟件設(shè)計(jì)?

??? PC104是基于ISA總線的,在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中要防止地址沖突。PC104中使用A0～A9地址位來(lái)表示I/O端口地址,即可有1024個(gè)口地址,前512個(gè)供系統(tǒng)板使用,后512個(gè)供擴(kuò)充插槽使用,當(dāng)A9=0時(shí)表示為系統(tǒng)板上的口地址;當(dāng)A9=1時(shí)表示擴(kuò)充插槽接口卡上的口地址[2]。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中采用保留的口地址220H和221H,保證不會(huì)發(fā)生地址沖突。?

??? 在本程序中,PC104采用查詢方式接收數(shù)據(jù),單片機(jī)采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。?

??? #define pcreadwrite 0x220?? ;PC104讀寫(xiě)數(shù)據(jù)口地址?

??? #define pcrdstate 0x221???? ;PC104查詢狀態(tài)口地址?

??? PC104寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù):?

??? void pcwrite(int port，unsigned char ch)?

??? outportb(pcreadwrite，ch);?

??? while((inportb(pcrdstate)&0x02)?選=0x02);等待單片機(jī)讀走數(shù)據(jù)?

??? {? }?

??? }?

??? 單片機(jī)讀子程序:?

??? MCUR: MOV DPTR,#400H?

??????? MOVX? A,@DPTR?

????????? RETI?

??? PC104讀數(shù)據(jù)函數(shù):?

??? unsigned char pcread(int port)?

??? {? while ((inportb(pcrdstate)&0x0)?選=0x01);等待單片機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)?

????? {? }?

??? ? return inportb(pcreadwrite);?

??? }?

??? 單片機(jī)寫(xiě)子程序:?

??? MCUWR: MOV DPTR,#8000H?

?????????? MOVX? @DPTR，A?

??? ; 等待PC104讀寫(xiě)數(shù)據(jù)?

??? RET?

參考文獻(xiàn)?

1 李冬梅.PLD器件與EDA技術(shù).北京:北京廣播學(xué)院出版社,?

? 2000?

2 王士元.C高級(jí)實(shí)用程序設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版社,?

? 1996

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