CPLD實(shí)現單片機與ISA總線(xiàn)并行通信

摘要：用ALTERA公司MAX7000系列CPLD芯片實(shí)現單片機與PC104 ISA總線(xiàn)接口之間的并行通信，給出系統設計方法及程序源代碼。包括通信軟件和AHDL設計部分。

關(guān)鍵詞：CPLD ISA總線(xiàn) 并行通信

CPLD(Complex Programmable Logic Device)是一種復雜的用戶(hù)可編程邏輯器件，由于采用連續連接結構。這種結構易于預測延時(shí)，從而電路仿真更加準確。CPLD是標準的大規模集成電路產(chǎn)品，可用于各種數字邏輯系統的設計。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)現一個(gè)復雜的數字電路系統;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，給設計、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MCS51單片機與PC104 ISA總線(xiàn)的并行通信。采用這種通信方式，數據傳輸準確、高速，在12 MHz晶振的MCS51單片機控制的數據采集系統中，可以滿(mǎn)足與PC104 ISA總線(xiàn)接口實(shí)時(shí)通信的要求，通信速率達200 Kbps。

1 系統總體設計方案

本系統用CLPD實(shí)現單片機與PC104 ISA總線(xiàn)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(shí)才能接收單片機送來(lái)的數據，所以要求雙方通信的實(shí)時(shí)性很強，但數據量不是很大。因此，在系統設計中單片機中斷方式接收數據，PC104采用查詢(xún)方式接收數據。系統設計方案如圖1所示。

在圖1單片機部分，D[0..7]是數據總線(xiàn)，A[0..15]是地址總線(xiàn)，RD和WR分別是讀寫(xiě)信號線(xiàn)，INT0是單片機的外部中斷。當單片機的外部中斷信號有效時(shí)，單片機接收數據。

在CPLD部分，由一片MAX7000系列中的EPM7128LSC84來(lái)實(shí)現，用來(lái)完成MCS51與PC104ISA總線(xiàn)接口之間的數據傳輸、狀態(tài)查詢(xún)及延時(shí)等待。

在PC104 ISA部分，只用到ISA的8位數據總線(xiàn)D[0..7]，A[0..9]是PC104的地址總線(xiàn);IOW和IOR是對指定設備的讀寫(xiě)信號;AEN是允許DMA控制地址總線(xiàn)、數據總線(xiàn)及讀寫(xiě)命令線(xiàn)進(jìn)行DMA傳輸，及對存儲器和I/O設備的讀寫(xiě);IOCHRDY是I/O就緒信號，I/O通道就緒為高，此時(shí)處理機產(chǎn)生的存儲器讀寫(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字節傳輸均需5個(gè)時(shí)鐘周期，MCS51通過(guò)置此信號為低電平來(lái)使CPU插入等待周期，從而延長(cháng)I /O周期;SYSCLK是系統時(shí)鐘信號，是為了與外部設備保持同步;RESETDR是上電復位或系統初始化邏輯，是系統總清信號。

2 基于MAX+plus II的硬件實(shí)現

本系統是用ALTERA公司的CPLD開(kāi)發(fā)工具M(jìn)AX+plusII。它支持多種輸入方式，給設計開(kāi)發(fā)提供了極大的方便。系統的主體部分仍是用原理圖輸入方式。由于庫中提供了現在的芯片，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。

D[0..7] 單片機的8位雙向數據總線(xiàn);

PCD[0..7] ISA接口的8位雙向數據總線(xiàn);

PCRD ISA接口的讀有效信號;

PCWR ISA接口的寫(xiě)有效信號;

判斷單片機已寫(xiě)數據或讀走數據;

PCSTATE 單片機用此查詢(xún)ISA接口已取走數據;

MSCRD 單片機的讀有效信號;

MCSWR 單片機的寫(xiě)有效信號;

INT0 單片機的外部中斷信號;

當MCUWR信號有效后，單片機把數據鎖存于74LS374(1)中，此時(shí)，PCSTATE變?yōu)楦唠娖?。PC104用STATE信號選通 74LS244來(lái)判斷數據位PCD0是否為高電平，如果為高，說(shuō)明單片機送來(lái)了數據，那么使PCRD有效，從數據存器74LS374(1)中取走數據。此時(shí)，PCSTATE變?yōu)榈碗娖?，單片機通過(guò)判斷此信號為低電平來(lái)判定PC104已取走了數據，可以發(fā)下一個(gè)數據。

當PCWR信號有效后，PC104把數據鎖存于74LS374(2)中，此時(shí)，INT0變?yōu)榈碗婇c，單片機產(chǎn)生外部中斷，使MCSRD信號有效，從數據鎖存器74LS374(2)中取走裝飾，INT0變?yōu)楦唠娖?。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，說(shuō)明單片機取走了數據，可以發(fā)送下一個(gè)數據。 PC104與單片機進(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，而單片機的速度較慢，所以，要在PC104的IOCHRDY處插入等待周期，如圖3所示。

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;

DLY_CK 延時(shí)等待時(shí)鐘信號;

DLY_CLR 等待清除信號，為開(kāi)始下一次送數周期作準備;

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;

SYSCLK ISA接口的系統時(shí)鐘信號。

在MCS51與PC104進(jìn)行通信的過(guò)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?，PC104可以讀寫(xiě)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(kāi)發(fā)語(yǔ)言AHDL(Altera Hardware Description Language)。AHDL是一種模塊化的高級語(yǔ)言，完全集成于MAX+plusII系統中，特別適合于描述復雜的組合邏輯、狀態(tài)機和真值表，地址譯碼部分用文本輸入方式，這充分體現了文本輸入方式的優(yōu)點(diǎn)。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

!DLY_CLR=RESETDR#DELAY;

DLY_D=!AEN (PCA[9..1]= =H110);

DLY_CK=!AEN (PCA[9..1]= =H110)(!IOR # ! IOW);

!PCWR=!AEN(PCA[9..0]= =H220) !IOW;

!PCRD=!AEN(PCA[9..0]= =H220) !IOR;

!STATE=!AEN(PCA[9..0]= =H221)!IOR;

!MCSRD=([15..14]= =H1) !RD;

!MCSWR=(A[15..14]= =H2 !WR;

END;

說(shuō)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(xiàn)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(lái)表示I/O端口地址，即可有1024個(gè)口地址：前512個(gè)供系統板使用，后512個(gè)供擴充槽使用。當A9=0時(shí)表示為系統板上的口地址;A9=1時(shí)，表示擴充插槽接口卡上的口地址[2]。因此，采用保留的口地址220H和221H，保證不會(huì )發(fā)生地址沖突。

本程序中PC104采用查詢(xún)方式接收數據，單片機用中斷方式接收數據。

#define pcreadwrite 0x220 /*PC104讀寫(xiě)數據口地址*/

#define pcrdstate 0x221 /*PC104查詢(xún)狀態(tài)口地址*/

PC104寫(xiě)數據函數：

Void pcwrite(int port,unsigned char ch)

{ outportb(pcreadwrite,ch);

while ((inportb(pcrdstate)0x02)!=0x02); /*等待單片機讀走數據*/

{ }

}

單片機讀子程序：

MCUWR：MOV DPTR，#4000H

MOVX A，@DPTR

RETI

PC104讀數據函數：

Unsigned char pcread(int port)

{ while((inportb(pcrdstate)0x01)!=0x01);/*等待單片機寫(xiě)數據*/

{}

return inportb(pcreadwrite);

}

單片機寫(xiě)子程序：

MCUWR：MOV DPTR，#8000H

MOVX @DPTR，A

;等待PC104讀走數據

RET

4 結論

用CPLD實(shí)現單片機與ISA總線(xiàn)接口的并行通信，電路結構簡(jiǎn)單、體積小，1片CPLD芯片足夠，并且控制方便，實(shí)時(shí)性強，通信效率高。本設計方法已成功地應用于作者開(kāi)發(fā)的各種數據采集系統中，用作單片機與PC104之間的并行數據通信，效果非常理想。