利用ispLSI實(shí)現單片機與計算機間的通信

單片機結構簡(jiǎn)單、開(kāi)發(fā)方便，能夠滿(mǎn)足各種應用領(lǐng)域的需求，在工業(yè)控制及自動(dòng)化裝置中得到了廣泛的應用。它既可以單獨使用，也可以多片協(xié)同工作或作為計算機的信號預處理器，在這種情況下，通信問(wèn)題就成了限制系統性能的瓶頸。通常使用的通信方式有串行和并行兩種，串行方式硬件結構簡(jiǎn)單但數據傳輸速率低，不適合大批量數據的傳送；并行方式下使用最多的中斷方式，以期提高CPU效率。但中斷方式也存在不少問(wèn)題，除了具體的中斷服務(wù)外，保護、恢復斷點(diǎn)和寄存器的內容、查取中斷向量等也占用不少CPU時(shí)間，如果數據較長(cháng)，傳送一組數據CPU會(huì )被多次中斷，大量的斷點(diǎn)和寄存器的保護、恢復等工作特別影響CPU 效率。為了解決這一問(wèn)題，本文提出了一種新的通信方式，稱(chēng)之為中斷查詢(xún)方式，并利用在系統可編程邏輯器件 ispLIS1016實(shí)現了通信接口。

1　通信原理　　

中斷查詢(xún)方式的實(shí)質(zhì)是中斷方式和查詢(xún)方式的結合：通信雙方由中斷方式進(jìn)入數據傳送狀態(tài)，之后雙方在中斷內利用查詢(xún)方式完成數據傳送，直至一組數據傳送完畢，各自退出中斷服務(wù)。

基于這種方式，通信接口應具有數據鎖存、狀態(tài)控制和中斷產(chǎn)生等功能。如圖1—1所示為接口框圖，數據鎖存由鎖存器m和鎖存器s完成，分別鎖存送往主計算機和單片機的數據；中斷和狀態(tài)信號由狀態(tài)控制器形成，包括中斷信號（INTm和INTs），數據鎖存器m滿(mǎn)（FULLm）、鎖存器s滿(mǎn)（FULLs），以及數據傳送完畢（ENDm和ENDs）等狀態(tài)，供通信雙方查詢(xún)；通信數據和各狀態(tài)信號均通過(guò)數據總線(xiàn)傳送，通信雙方讀數據還是讀狀態(tài)由各自的地址譯碼器控制，通過(guò)數據選擇器選擇；數據的三態(tài)輸出由數據緩沖器實(shí)現。我們以計算機向單片機發(fā)送數據為例說(shuō)明數據傳送過(guò)程：當計算機將數據寫(xiě)入鎖存器s時(shí)，狀態(tài)控制器產(chǎn)生一中斷請求信號INTs，并置狀態(tài)FULLs＝1、ENDs＝0；單片機響應中斷后便利用查詢(xún)方式接收數據，查詢(xún)狀態(tài)信息FULLs和ENDs，每次FULLs＝1時(shí)讀取一個(gè)數據，同時(shí)該讀信號通過(guò)狀態(tài)控制器使FULLs清0，并產(chǎn)生中斷信號INTm；由于處于發(fā)送狀態(tài)，計算機進(jìn)入中斷后，先檢查 FULLs，等待FULLs＝0后向數據鎖存器s寫(xiě)數據（僅為利用該寫(xiě)信號）將ENDs置位并退出中斷，單片機查到FULLs＝0但ENDs＝1后停止接收數據也退出中斷，一次通信完成。

可見(jiàn)，利用這種方式進(jìn)行數據傳送，無(wú)論數據量多大，每次數據傳送過(guò)程中CPU只響應一次中斷，與單一的中斷方式比較，節約了CPU的中斷響應時(shí)間，對于大批量數據的傳送，不僅效率高，而且數據量可任意改變，使用非常靈活。

2　接口功能的實(shí)現　　

由圖1—1所示的框圖可以看出，上述中斷查詢(xún)接口不僅需要具有鎖存器和緩沖器的數據通道，還要有中斷、狀態(tài)控制及地址譯碼和數據選擇邏輯，電路是比較復雜的。但是，可編程邏輯器件和電子設計自動(dòng)化工具的出現，使得復雜電路可在單片可編程邏輯器件上實(shí)現，不僅使設計簡(jiǎn)化，而且使硬件設計象軟件一樣易于修改。針對前述中斷查詢(xún)接口，我們采用LATTICE的在系統可編程邏輯器件is－pLSI1016實(shí)現其功能。這樣，該接口的設計就轉化為對其電路描述文件的設計，可以采用原理圖或 HDL硬件描述語(yǔ)言。與原理圖比較，硬件描述語(yǔ)言不僅設計、閱讀和保存方便，而且易于仿真和進(jìn)行邏輯綜合，更適合對復雜電路的描述。因此我們采用 ABEL－HDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設計。

在Synario環(huán)境中，對選定的器件加入ABEL－HDL資源文件，輸入相應的模塊名和文件名后，便可打開(kāi)ABEL－HDL語(yǔ)言編輯窗口［2］。

利用ABEL語(yǔ)言進(jìn)行電路設計的關(guān)鍵在于各信號的定義和相應的邏輯描述。就前述接口而言，地址總線(xiàn)、數據總線(xiàn)、讀、寫(xiě)及中斷信號均直接與通信雙方的 CPU相連，顯然應定義為引腳（pin）；而數據鎖存器及各狀態(tài)信號通過(guò)數據選擇器與數據總線(xiàn)相聯(lián)，故為節點(diǎn)（node），如表2—1所示。其中，A、 D、RD、WR、Q分別表示地址線(xiàn)、數據線(xiàn)、讀、寫(xiě)及數據鎖存器輸出信號，下標m和s分別表示主計算機和單片機；表中將數據輸出定義為緩沖器（buffer）是為了直接利用ispLSI1016各I／O腳的三態(tài)輸出功能，以省去圖1—1中的數據緩沖器。另外，狀態(tài)信號FULL和END應為具有異步清零和置位功能的寄存器，以存貯數據交換過(guò)程中相應的狀態(tài)信息，但是在可編程邏輯器件中設計異步控制是復雜和浪費資源的，本文將它們設計為基本的RS 觸發(fā)器，故定義了相應的反向輸出節點(diǎn)FUL1和EN1。

ABEL語(yǔ)言設計文件中各信號的邏輯關(guān)系可以多種方式給出，本設計主要采用寄存器和RS觸發(fā)器等，故以采用邏輯方程為宜。由前述接口原理可以看出，該接口的通信雙方均需3個(gè)端口：數據輸入／輸出口、狀態(tài)口及END信號置位口。設主計算機對應的口地址為300H、308H和310H，單片機的3個(gè)口地址分別為8000H、8010H和8020H，對照圖1—1所示的框圖和接口的工作原理，電路的ABEL語(yǔ)言方程可以按功能塊給出。

數據鎖存器是數據可靠傳送的基礎，對主計算機而言，向300H單元寫(xiě)入數據就是將數據寫(xiě)入鎖存器s中，也就是說(shuō)鎖存器s的輸入信號為主計算機的數據總線(xiàn)，時(shí)鐘為主計算機對300H單元的寫(xiě)信號，對應的ABEL語(yǔ)言方程可表示為：

線(xiàn)和數據線(xiàn)的集合。為減少系統的片外接線(xiàn)，式（2—1）將鎖存器Qs的輸入定義為三態(tài)數據輸出的引腳（．pin），在保證接口功能的前提下，實(shí)現了在is－pLSI1016片內Qs輸入端與數據總線(xiàn)的連接。

數據選擇器根據通信雙方對不同地址的讀取選擇不同信號，其ABEL語(yǔ)言方程為：
Ds．oe＝！RDs＆（（ADRs＝＝＾h8000）＃（ADRs＝＝＾h8010））；（2—3）
when（ADRs＝＝＾h8000）then Ds＝Qs；else when（ADRs＝＝＾h8010）then Ds＝STs； （2—4）

式中，STs＝［FULLs，FULLm，ENDs，ENDm，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x］，12個(gè)任意值x的引入是為了使STs與數據總線(xiàn)寬度匹配。由于省去了圖1—1的數據緩沖器，數據選擇器的輸出即為數據總線(xiàn)，故其三態(tài)控制端為單片機讀數據（8000H）和讀狀態(tài)（8010H）信號的“或”信號。

狀態(tài)信號是數據正確傳送的保證，也是通信雙方讀寫(xiě)數據的依據。從時(shí)序上講，FULLs的置位和清零由Qs的寫(xiě)信號和讀信號觸發(fā)，即FULLs由方程（2—5）和（2—6）確定：
！FULLs＝（?。ˋDRm＝＝＾h300）＃WRm）＆　　FUL1s；（2—5）
！FUL1s＝（?。ˋDRs＝＝＾h8000）＃RDs）＆　　FULLs；（2—6）
其中FUL1s為FULLs的反相輸出端。ENDs的清零與FULLs的置位同時(shí)產(chǎn)生，但其置位必須由主計算機寫(xiě)310H單元觸發(fā)，故ENDs的ABEL語(yǔ)言方程為：
！ENDs＝（?。ˋDRm＝＝＾h310）＃WRm）＆EN1s；
（2—7）
！EN1s＝（?。ˋDRm＝＝＾h300）＃WRm）＆ENDs；　　

顯然，無(wú)論是主計算機將數據寫(xiě)入Qs，還是主計算機將數據從Qm中讀走，INTs都應置位，因此INTs＝FULLs＋FULLm，但這樣若FULLm為零則INTs將始終為1，無(wú)法產(chǎn)生中斷。為解決這一問(wèn)題，我們將INTs的方程寫(xiě)為：

INTs＝FULLs＃?。‵ULLm＃ENDm）；（2—9）

使其在ENDm為零時(shí)按INTs＝FULLs＋FULLm運算，只要由軟件上控制，保證每次通信前雙方的狀態(tài)為：ENDs＝ENDm＝1，FULLs＝FULLm＝0，即可實(shí)現正確的中斷和通信。顯然，利用同樣的方法不難寫(xiě)出主計算機一方各信號的邏輯關(guān)系，本文不再累述。

通過(guò)以上設計，我們實(shí)現了主計算機與多個(gè)80C196單片機系統之間的數據通信，將各80C196系統置于主計算機的總線(xiàn)擴展槽中，使整個(gè)系統不僅通信速度快，而且性能穩定可靠，效果良好。

［參考文獻］
［1］　劉樂(lè )善等．微型計算機接口技術(shù)原理及使用．華中理工大學(xué)出版社，1996．3
［2］　黃正瑾．在系統編程技術(shù)及其應用［M］．東南大學(xué)出版社，1997．8