??? 摘? 要: 介紹了用ALTERA公司MAX7000系列CPLD芯片實現單片機與PC104ISA總線接口之間的并行通信。給出了系統設計方法及程序源代碼。?
??? 關鍵詞: CPLD? ISA總線? 并行通信
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??? CPLD(Complex Programmable Logic Device)是一種復雜的用戶可編程邏輯器件,由于采用連續連接結構,易于預測延時,從而使電路仿真更加準確。CPLD是標準的大規模集成電路產品,可用于各種數字邏輯系統的設計。近年來,由于采用先進的集成工藝和大批量生產,CPLD器件成本不斷下降,集成密度、速度和性能大幅度提高,一個芯片就可以實現一個復雜的數字電路系統;再加上使用方便的開發工具,使用CPLD器件可以極大地縮短產品開發周期,給設計修改帶來很大方便[1]。本文以ALTERA公司的MAX7000系列為例,實現MCS51單片機與PC104ISA總線接口的并行通信。采用這種通信方式,數據傳輸準確高速,在12MHz晶振的MCS51單片機控制的數據采集系統中,可以滿足與PC104 ISA總線接口實時通信的要求,通信速率達200Kbps。?
1 系統總體設計方案?
??? 用CPLD實現單片機與PC104ISA總線接口的并行通信,由于PC104主要完成其它方面的數據采集工作,只是在空閑時才能接收單片機送來的數據,所以要求雙方通信的實時性很強,但數據量不是很大。因此在系統設計中,單片機用中斷方式接收數據,PC104采用查詢方式接收數據。系統設計方案如圖1所示。?
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??? 在單片機部分,D[0..7]是數據總線,A[0..15]是地址總線,RD和WR分別是讀寫信號線,INT0是單片機的外部中斷,當單片機的外部中斷信號有效時,單片機接收數據。?
??? 在CPLD部分,用一片MAX7000系列中的PM7128?ESLC84來實現,用來完成MCS51與PC104ISA總線接口之間的數據傳輸、狀態查詢及延時等待。?
??? 在PC104ISA部分,只用到PC104的8位數據總線D[0..7],A[0..9]是PC104的地址總線;/IOW和/IOR是對指定設備的讀寫信號;AEN是允許DMA控制地址總線、數據總線和讀寫命令線進行DMA傳輸以及對存儲器和I/O設備的讀寫;IOCHRDY是I/O就緒信號,I/O通道就緒為高,此時處理機產生的存儲器讀寫周期為4個時鐘周期,產生的I/O讀寫周期和DMA字節傳輸均需5個時鐘周期,MCS51通過置此信號為低電平使CPU插入等待周期,從而延長I/O周期;SYSCLK是系統時鐘信號,使系統與外部設備保持同步;RESETDR是上電復位或系統初始化邏輯信號,是系統總清信號。?
2 基于MAX+plusII的硬件實現?
??? ALTERA公司的CPLD開發工具MAX+plusII,支持多種輸入方式,給設計開發提供了極大的方便,因此本系統采用MAX+plusII進行設計。系統的主體部分用原理圖輸入方式,由于庫中提供了現成的芯片,所以使用很方便。原理圖輸入部分如圖2和圖3所示。圖2主要完成單片機與ISA接口通信中的數據傳輸和握手判斷。在圖2中,各信號說明如下:?
??? D[0..7]???? 單片機的8位雙向數據總線;?
??? PCD[0..7]?? ISA接口的8位雙向數據總線;?
??? PCRD??????? ISA接口的讀有效信號;?
??? PCWR??????? ISA接口的寫有效信號;?
??? STATE?????? ISA接口的查詢選通信號,用來判斷單片機已寫數據或讀走數據;?
??? PCSTATE 單片機用此查詢ISA接口已取走數據;?
??? MCURD?????? 單片機的讀有效信號;?
??? MCUWD?????? 單片機的寫有效信號;?
??? INT0??????? 單片機的外部中斷信號。?
??? 當MCUWR信號有效時,單片機把數據鎖存于74LS374(1)中,此時PCSTATE變為高電平;PC104用STATE信號選通74LS244來判斷數據位PCD0是否為高電平,如果為高,說明單片機送來了數據,則使PCRD有效,從數據鎖存器74LS374(1)中取走數據,此時PCSTATE變為低電平,單片機通過判斷此信號為低電平來判定PC104已取走了數據,此時可以發下一個數據。?
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??? 當PCWR信號有效時,PC104把數據鎖存于74LS374(2)中,此時INT0變為低電平;單片機產生外部中斷,使MCURD信號有效,從數據鎖存器74LS3734(2)中取走數據。此時INT0變為高電平,PC104用STATE信號選通74LS244判斷數據位PCD1是否為高電平,如果為高電平,則說明單片機取走了數據,可以發送下一個數據。?
??? PC104與單片機進行通信,最關鍵的就是速度匹配問題。由于PC104的速度快,而單片機的速度較慢,所以要在PC104的IOCHRDY處插入等待周期。如圖3所示,各信號說明如下:?
??? IOCHRDY 用來使ISA接口等待5個時鐘周期;?
??? DLY_D?????? 延時輸入信號;?
??? DLY_CK????? 延時等待時鐘信號;?
??? DLY_CLR 等待清除信號,為開始下一次送數周期做準備;?
??? DELAY?????? 延時5個時鐘周期后的輸出信號,作為DLY_CLR信號的輸入;?
??? SYSCLK????? ISA接口的系統時鐘信號。?
??? 在MCS51與PC104進行通信的過程中,DLY_D信號一直有效(高電平),在信號SYSCLK的作用下,每5個時鐘周期DELAY信號有效一次,即為高電平。此時DLY_CLR信號有效(低電平),IOCHRDY信號變為高電平,PC104可以讀寫數據。?
??? 地址譯碼部分采用文本輸入方式,用ALTERA公司的硬件設計開發語言AHDL(Altera Hardware Description Language)實現。AHDL是一種模塊化的高級語言,完全集成于MAX+plus II系統中,特別適合于描述復雜的組合邏輯、狀態機和真值表,地址譯碼部分采用文本輸入方式充分體現了文本輸入方式的優點。文本輸入內容如下:?
??? 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;?
??? 說明:PCA[9..0]是PC104的地址信號,A[15..14]是單片機的地址信號,PC104用到端口地址220H和221H。?
3 通信軟件設計?
??? PC104是基于ISA總線的,在系統軟件設計中要防止地址沖突。PC104中使用A0～A9地址位來表示I/O端口地址,即可有1024個口地址,前512個供系統板使用,后512個供擴充插槽使用,當A9=0時表示為系統板上的口地址;當A9=1時表示擴充插槽接口卡上的口地址[2]。因為本設計中采用保留的口地址220H和221H,保證不會發生地址沖突。?
??? 在本程序中,PC104采用查詢方式接收數據,單片機采用中斷方式接收數據。?
??? #define pcreadwrite 0x220?? ;PC104讀寫數據口地址?
??? #define pcrdstate 0x221???? ;PC104查詢狀態口地址?
??? PC104寫數據函數:?
??? void pcwrite(int port，unsigned char ch)?
??? outportb(pcreadwrite，ch);?
??? while((inportb(pcrdstate)&0x02)?選=0x02);等待單片機讀走數據?
??? {? }?
??? }?
??? 單片機讀子程序:?
??? MCUR: MOV DPTR,#400H?
??????? MOVX? A,@DPTR?
????????? RETI?
??? PC104讀數據函數:?
??? unsigned char pcread(int port)?
??? {? while ((inportb(pcrdstate)&0x0)?選=0x01);等待單片機寫數據?
????? {? }?
??? ? return inportb(pcreadwrite);?
??? }?
??? 單片機寫子程序:?
??? MCUWR: MOV DPTR,#8000H?
?????????? MOVX? @DPTR，A?
??? ; 等待PC104讀寫數據?
??? RET?
參考文獻?
1 李冬梅.PLD器件與EDA技術.北京:北京廣播學院出版社,?
? 2000?
2 王士元.C高級實用程序設計.北京:清華大學出版社,?
? 1996