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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
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總線接口之間的關(guān)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：CPLDISA總線并行通信
CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）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，由于采用先進(jìn)的集成工藝和大指量生產(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發(fā)工具，使用CPLD器件可以極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，給設(shè)計(jì)修改帶來很大方便[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PC104ISA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。
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分別是讀寫信號線，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PM7128ESLC84來實(shí)現(xiàn)，用來完成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是對指定設(shè)備的讀寫信號；AEN是允許DMA控制地址總線、數(shù)據(jù)總線和讀寫命令線進(jìn)行DMA傳輸以及對存儲器和I/O設(shè)備的讀寫；IOCHRDY是I/O就緒信號，I/O通道就緒為高，此時(shí)處理機(jī)產(chǎn)生的存儲器讀寫周期為4需5個(gè)時(shí)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(tǒng)時(shí)鐘信號，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，是系統(tǒng)總清信號。
2基于MAX+plusII的硬件實(shí)現(xiàn)
ALTERA公司的CPLD開發(fā)工具M(jìn)AX+plusII，支持多種輸入方式，給設(shè)計(jì)開發(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，由于庫中提供現(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，各信號說明如下：
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；
PCRDISA接口的讀有效信號；
PCWRISA接口的寫有效信號；
STATEISA接口的查詢選通信號，用來判斷單片機(jī)已寫數(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；
MCUWD單片機(jī)的寫有效信號；
INT0單片機(jī)的外部中斷信號。
當(dāng)MCUWR信號有效時(shí)，單片機(jī)把數(shù)據(jù)鎖存于74LS374（1）中，此時(shí)PCSTAE變?yōu)楦唠娖剑籔C104用STATE信號選通74LS244來判斷數(shù)據(jù)位PCD0是否為高電平，如果為高，說明單片機(jī)送來了數(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)榈碗娖剑瑔纹瑱C(jī)通過判斷此信號為低電平來判定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)榈碗娖剑粏纹瑱C(jī)產(chǎn)生外部中斷，使MCURD信號有效，從數(shù)據(jù)鎖存器74LS374（2）中取走數(shù)據(jù)。此時(shí)INT0變?yōu)楦唠娖剑琍C
104用STATE信號選通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，各信號說明如下：
IOCHRDY用來使ISA接口等待5個(gè)時(shí)鐘周期；
DLY_D延時(shí)輸入信號；
DLY_CL延時(shí)等待時(shí)鐘信號；
DLY_CLR等待清除信號，為開始下一次送數(shù)據(jù)其做準(zhǔn)備；
DELAY延時(shí)5個(gè)時(shí)鐘周期后的輸出信號，作為DLY_CLR信號的輸入；
SYSCLKISA接口的系統(tǒng)時(shí)鐘信號。
在MCS51與PC104進(jìn)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(gè)時(shí)鐘周期DELAY信號有效一次，即為高電平。此時(shí)DLY_CLR信號有效（低電平），IOCHRDY信號變?yōu)楦唠娖剑琍C104可以讀寫數(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)開發(fā)語言AHDL（AlteraHardwareDescriptionLanguage）實(shí)現(xiàn)。AHDL是一種模塊化的高級語言，完全集成于MAX+plusII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：
SUBDESIGNAddress
(
PCA[9..0]:INPUT；
AEN，IOR，IOW：INPUT；
RSETDR，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
！DLY_CLR=RESETDR#DELAY；
DLY_D=!AEN&(PCA[9..1]==H"110");
DLY_CK=!AEN&(PCA[9..1]==H"110")&（!IOR#!IOW）;
!PCWR=!AEN&(PCA[9..0]==H"220")&!IOW;
!PCRD=!AEN&(PCA[9..0]==H"220")&IOR;
!STATE=!AEN&(PCA[9..0]==H"221")&!IOR;
!MCSWR=(A[15..14]==H"2")&!WR;
END;
說明：PCA[9..0]是PC104的地址信號，A[15..14]是單片機(jī)的地址信號，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)楸鞠到y(tǒng)中采用保留的口地址220H和221H，保證不會發(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)。
#definepcreadwrite0x220;PC104讀寫數(shù)據(jù)口地址
#definepcrdstate0x221;PC104查詢狀態(tài)口地址
PC104寫數(shù)據(jù)函數(shù)：
Voidpcwrite(intport,unsignedcharch)
{outportb(pcreadwrite,ch);
while((inportb(pcrdstate)&0x02)!=0x02)
;等待單片機(jī)讀走數(shù)據(jù)
{}
}
單片機(jī)讀子程序：
MCUR：MOVDPTR，#400H
MOVXA，@DPTR
RETI
PC104讀數(shù)據(jù)函數(shù)：
Unsignedcharpcread(intport)
{while((inportb(pcrdstate)&0x0!=0x01)
；等待單片機(jī)寫數(shù)據(jù)
{}
returninportb(pcreadwirte);
}
單片機(jī)寫子程序：
MCUWR：MOVDPTR，#8000H
MOVX@DPTR，A
；等待PC104讀寫數(shù)據(jù)
RET
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