用CPLD实现单片机与ISA总线接口的并行通信
2009-01-04
作者：肖小锋 盛 文 李演仁
摘 要: 介绍了用ALTERA公司MAX7000系列CPLD芯片实现单片机与PC104ISA总线接口之间的并行通信。给出了系统设计方法及程序源代码。
关键词: CPLD ISA总线 并行通信
CPLD(Complex Programmable Logic Device)是一种复杂的用户可编程逻辑器件,由于采用连续连接结构,易于预测延时,从而使电路仿真更加准确。CPLD是标准的大规模集成电路产品,可用于各种数字逻辑系统的设计。近年来,由于采用先进的集成工艺和大批量生产,CPLD器件成本不断下降,集成密度、速度和性能大幅度提高,一个芯片就可以实现一个复杂的数字电路系统;再加上使用方便的开发工具,使用CPLD器件可以极大地缩短产品开发周期,给设计修改带来很大方便[1]。本文以ALTERA公司的MAX7000系列为例,实现MCS51单片机与PC104ISA总线接口的并行通信。采用这种通信方式,数据传输准确高速,在12MHz晶振的MCS51单片机控制的数据采集系统中,可以满足与PC104 ISA总线接口实时通信的要求,通信速率达200Kbps。
1 系统总体设计方案
用CPLD实现单片机与PC104ISA总线接口的并行通信,由于PC104主要完成其它方面的数据采集工作,只是在空闲时才能接收单片机送来的数据,所以要求双方通信的实时性很强,但数据量不是很大。因此在系统设计中,单片机用中断方式接收数据,PC104采用查询方式接收数据。系统设计方案如图1所示。
在单片机部分,D[0..7]是数据总线,A[0..15]是地址总线,RD和WR分别是读写信号线,INT0是单片机的外部中断,当单片机的外部中断信号有效时,单片机接收数据。
在CPLD部分,用一片MAX7000系列中的PM7128 ESLC84来实现,用来完成MCS51与PC104ISA总线接口之间的数据传输、状态查询及延时等待。
在PC104ISA部分,只用到PC104的8位数据总线D[0..7],A[0..9]是PC104的地址总线;/IOW和/IOR是对指定设备的读写信号;AEN是允许DMA控制地址总线、数据总线和读写命令线进行DMA传输以及对存储器和I/O设备的读写;IOCHRDY是I/O就绪信号,I/O通道就绪为高,此时处理机产生的存储器读写周期为4个时钟周期,产生的I/O读写周期和DMA字节传输均需5个时钟周期,MCS51通过置此信号为低电平使CPU插入等待周期,从而延长I/O周期;SYSCLK是系统时钟信号,使系统与外部设备保持同步;RESETDR是上电复位或系统初始化逻辑信号,是系统总清信号。
2 基于MAX+plusII的硬件实现
ALTERA公司的CPLD开发工具MAX+plusII,支持多种输入方式,给设计开发提供了极大的方便,因此本系统采用MAX+plusII进行设计。系统的主体部分用原理图输入方式,由于库中提供了现成的芯片,所以使用很方便。原理图输入部分如图2和图3所示。图2主要完成单片机与ISA接口通信中的数据传输和握手判断。在图2中,各信号说明如下:
D[0..7] 单片机的8位双向数据总线;
PCD[0..7] ISA接口的8位双向数据总线;
PCRD ISA接口的读有效信号;
PCWR ISA接口的写有效信号;
STATE ISA接口的查询选通信号,用来判断单片机已写数据或读走数据;
PCSTATE 单片机用此查询ISA接口已取走数据;
MCURD 单片机的读有效信号;
MCUWD 单片机的写有效信号;
INT0 单片机的外部中断信号。
当MCUWR信号有效时,单片机把数据锁存于74LS374(1)中,此时PCSTATE变为高电平;PC104用STATE信号选通74LS244来判断数据位PCD0是否为高电平,如果为高,说明单片机送来了数据,则使PCRD有效,从数据锁存器74LS374(1)中取走数据,此时PCSTATE变为低电平,单片机通过判断此信号为低电平来判定PC104已取走了数据,此时可以发下一个数据。
当PCWR信号有效时,PC104把数据锁存于74LS374(2)中,此时INT0变为低电平;单片机产生外部中断,使MCURD信号有效,从数据锁存器74LS3734(2)中取走数据。此时INT0变为高电平,PC104用STATE信号选通74LS244判断数据位PCD1是否为高电平,如果为高电平,则说明单片机取走了数据,可以发送下一个数据。
PC104与单片机进行通信,最关键的就是速度匹配问题。由于PC104的速度快,而单片机的速度较慢,所以要在PC104的IOCHRDY处插入等待周期。如图3所示,各信号说明如下:
IOCHRDY 用来使ISA接口等待5个时钟周期;
DLY_D 延时输入信号;
DLY_CK 延时等待时钟信号;
DLY_CLR 等待清除信号,为开始下一次送数周期做准备;
DELAY 延时5个时钟周期后的输出信号,作为DLY_CLR信号的输入;
SYSCLK ISA接口的系统时钟信号。
在MCS51与PC104进行通信的过程中,DLY_D信号一直有效(高电平),在信号SYSCLK的作用下,每5个时钟周期DELAY信号有效一次,即为高电平。此时DLY_CLR信号有效(低电平),IOCHRDY信号变为高电平,PC104可以读写数据。
地址译码部分采用文本输入方式,用ALTERA公司的硬件设计开发语言AHDL(Altera Hardware Description Language)实现。AHDL是一种模块化的高级语言,完全集成于MAX+plus II系统中,特别适合于描述复杂的组合逻辑、状态机和真值表,地址译码部分采用文本输入方式充分体现了文本输入方式的优点。文本输入内容如下:
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
?选DLY_CLR=RESETDR#DELAY;
DLY_D=?选AEN&(PCA[9..1]==H″110″);
DLY_CK=?选AEN&(PCA[9..1]==H″110″)&(?选IOR#?选IOW);
?选PCWR=?选AEN&(PCA[9..0]==H″220″)&?选IOW;
?选PCRD=?选AEN&(PCA[9..0]==H″220″)&IOR;
?选STATE=?选AEN&(PCA[9..0]==H″221″)&?选IOR;
?选MCSWR=(A[15..14]==H″2″)&?选WR;
END;
说明:PCA[9..0]是PC104的地址信号,A[15..14]是单片机的地址信号,PC104用到端口地址220H和221H。
3 通信软件设计
PC104是基于ISA总线的,在系统软件设计中要防止地址冲突。PC104中使用A0～A9地址位来表示I/O端口地址,即可有1024个口地址,前512个供系统板使用,后512个供扩充插槽使用,当A9=0时表示为系统板上的口地址;当A9=1时表示扩充插槽接口卡上的口地址[2]。因为本设计中采用保留的口地址220H和221H,保证不会发生地址冲突。
在本程序中,PC104采用查询方式接收数据,单片机采用中断方式接收数据。
#define pcreadwrite 0x220 ;PC104读写数据口地址
#define pcrdstate 0x221 ;PC104查询状态口地址
PC104写数据函数:
void pcwrite(int port，unsigned char ch)
outportb(pcreadwrite，ch);
while((inportb(pcrdstate)&0x02)?选=0x02);等待单片机读走数据
{ }
}
单片机读子程序:
MCUR: MOV DPTR,#400H
MOVX A,@DPTR
RETI
PC104读数据函数:
unsigned char pcread(int port)
{ while ((inportb(pcrdstate)&0x0)?选=0x01);等待单片机写数据
{ }
return inportb(pcreadwrite);
}
单片机写子程序:
MCUWR: MOV DPTR,#8000H
MOVX @DPTR，A
; 等待PC104读写数据
RET
参考文献
1 李冬梅.PLD器件与EDA技术.北京:北京广播学院出版社,
2000
2 王士元.C高级实用程序设计.北京:清华大学出版社,
1996