用增強并口EPP協(xié)議擴展計算機的ISA接口

利用微機開(kāi)發(fā)便攜式的數據采集、控制系統一直是微機應用系統開(kāi)發(fā)者十分關(guān)心的課題。特別在是基于筆記本電腦的數據采集和控制系統中，這一點(diǎn)顯得尤為重要。傳統的數據采集和控制系統是針對臺式機或者工控機設計的，一般都做成了標準的插卡，如Ａ／Ｄ卡、Ｄ／Ａ卡、ＲＳ２３２擴展卡等等，用戶(hù)根據自己的實(shí)際需要選取合適的插卡，安裝在自己的計算機中，再編寫(xiě)所需要的程序。但是在基于筆記本電腦的應用系統中，由于其沒(méi)有擴展槽，如果用戶(hù)自己不再配一個(gè)擴展箱，就不能配置現成的插卡。擴展箱的主要功能是擴展筆記本電腦的各種外圍接口，即把筆記本電腦的功能擴展為與一個(gè)臺式機相同的功能。它需要單獨的電源供應，體積比筆記本電腦本身大，又比筆記本重的多，價(jià)格在人民幣７０００～１００００元左右。如果能夠找到一種便捷的方法，為筆記本電腦提供一個(gè)標準的總線(xiàn)接口，如ＩＳＡ接口，那么現在市場(chǎng)上大部分的插卡都可以用在筆記本電腦上，不僅為用戶(hù)節約了一個(gè)擴展箱投資，而且還為用戶(hù)提供了更加廣闊的選擇余地。本文提出了解決該問(wèn)題的一個(gè)完整的技術(shù)方案。

１ ＥＰＰ并口

最初的計算機并口只是為打印機設計的，數據只是單向傳輸。ＩＢＭ公司引進(jìn)了ＰＳ／２設計后，并口開(kāi)始支持雙向數據傳輸，但是ＰＳ／２實(shí)際上并沒(méi)有成為一個(gè)為業(yè)界廣泛認可的雙向并口模式。１９９２年，由Ｉｎｔｅｌ、Ｘｉｃｏｍ和Ｚｅｎｉｔｈ公司共同制定了ＥＰＰ１．７標準。以后ＩＥＥＥ又發(fā)展了ＩＥＥＥ１２８４的ＥＰＰ標準。實(shí)際上ＥＰＰ的標準共有三個(gè)，即ＥＰＰ１．７、ＥＰＰ１．９和ＩＥＥＥ１２８４，這些標準并不完全兼容，特別是ＥＰＰ１．７和ＩＥＥＥ１２８４之間，不過(guò)這些對用戶(hù)的使用并沒(méi)有太大的影響。文獻[１]即是ＩＥＥＥ１２８４標準，其中規定了并口各種模式的詳細的時(shí)序圖，包括ＳＰＰ、ＰＳ／２、ＥＣＰ和ＥＰＰ模式。作者根據ＩＥＥＥ１２８４上規定的時(shí)序圖進(jìn)行了時(shí)序設計，而計算機上提供的ＥＰＰ版本是ＥＰＰ１．７或ＥＰＰ１．９，實(shí)際使用中它們沒(méi)有不匹配的地方。

２ 用ＥＰＰ擴展ＩＳＡ接口的總體設計

計算機主板上一般有２～３個(gè)ＩＳＡ插槽，可以擴充一些ＩＳＡ插卡。大多數基于ＩＳＡ標準的微機數據采集和控制只用到了ＩＳＡ接口的數據線(xiàn)、地址線(xiàn)、ＡＥＮ、ＡＬＥ、＃ＩＯＲ、＃ＩＯＷ等信號，有的也用到了中斷和ＤＭＡ的信號。只要了解這些信號之間的時(shí)序關(guān)系，我們完全可以自己用邏輯器件“制造”出ＩＳＡ接口，文獻[２]介紹了用單片機擴展總線(xiàn)的技術(shù)，包括ＩＳＡ、ＳＴＤ總線(xiàn)等。作者曾經(jīng)用并口的ＳＰＰ模式和８０Ｃ１９６單片機擴展出了計算機的ＩＳＡ接口，但是ＩＯ讀寫(xiě)速度只能達到２０ＫＢ／ｓ左右，總體的效果不太理想。ＥＣＰ和ＥＰＰ都能進(jìn)行高速雙向數據通訊，但是ＥＣＰ的實(shí)現遠比ＥＰＰ復雜的多，其性能和ＥＰＰ卻大致相當，所以最終的方案采用了ＥＰＰ模式。由于單片機是一個(gè)單任務(wù)的串行控制器，如果它只是用來(lái)擴展ＩＳＡ接口，那么可以達到比較高的速度；否則，ＩＳＡ總線(xiàn)的速度會(huì )大大降低，最后變得失去使用價(jià)值，所以最終的外設芯片不能采用單片機，只能采用ＤＳＰ或者大規模的可編程邏輯器件。作者選用了后一種方案。

用ＥＰＰ擴展ＩＳＡ口的硬件核心是一片可編程邏輯器件，如ＣＰＬＤ，它一方面負責與計算機通過(guò)ＥＰＰ協(xié)議進(jìn)行雙向數據通訊，另一方面負責產(chǎn)生ＩＳＡ接口時(shí)序，系統體系相當簡(jiǎn)潔而高效，電路原理如圖１所示。ＥＰＰ的數據線(xiàn)Ｄ０～Ｄ７和信號線(xiàn)ｎＷｒｉｔｅ、ｎＤｓｔｒｂ、ｎＡｓｔｒｂ、ｎＩｎｉｔ、ｎＷａｉｔ、Ｉｎｔｒ直接與ＣＰＬＤ的雙向Ｉ／Ｏ線(xiàn)相連。另外，ＥＰＰ沒(méi)有定義標準并口的第１２、１３、１５三個(gè)引腳，這些引腳用戶(hù)可以靈活使用。電路圖上并口的第１３腳和ＣＰＬＤ連了起來(lái)，可以提供其他的功能。ＣＰＬＤ提供了ＩＳＡ接口的Ｄ０～Ｄ７，Ａ０～Ａ１５，ＡＬＥ，ＡＥＮ，＃ＩＯＲ，＃ＩＯＷ，ＩＲＱ、ＩＯＲＤＹ等信號。擴展的ＩＳＡ接口提供了１６根地址線(xiàn)，可以尋址６４Ｋ的ＩＯ空間，這比計算機所提供的ＩＯ空間（１Ｋ）大了許多倍。用戶(hù)可以專(zhuān)門(mén)設計具有６４Ｋ尋址能力的數據采集和控制板，也可以用只有１Ｋ尋址能力的數據采集和控制板，在這種情況下，地址線(xiàn)的高６位被忽略了，但這并不影響系統的正常使用。

３ 硬件操作方法

ＥＰＰ協(xié)議定義的并行口提供了四種傳送周期：數據寫(xiě)周期、數據讀周期、地址寫(xiě)周期和地址讀周期。數據周期一般用于計算機和外設間的數據傳送，地址周期一般用于傳送地址、通道、命令和控制等信息。實(shí)際上，數據周期和地址周期并沒(méi)有那么嚴格的界限，可以把地址周期看做另一種數據周期，二者并沒(méi)有太大的區別。圖２是ＥＰＰ數據寫(xiě)周期的時(shí)序圖，圖中的ｎＩＯＷ信號實(shí)際上在進(jìn)行ＥＰＰ數據寫(xiě)時(shí)并不會(huì )產(chǎn)生，只不過(guò)是為了表示所有的操作都發(fā)生在一個(gè)ＩＯ周期內，只有這樣，才能使ＥＰＰ獲得ＩＳＡ總線(xiàn)的數據操作速度。圖２中的ｎＤａｔａＳｔｒｏｂｅ信號如果換為ｎＡｄｄＳｔｒｏｂｅ信號，就是ＥＰＰ地址寫(xiě)周期。圖３是ＥＰＰ地址讀周期，也是發(fā)生在一個(gè)ＩＯ周期內。

ＥＰＰ定義了一個(gè)計算機用于控制外設初始化的信號：ｎＩｎｉｔ，如果用戶(hù)不希望控制外設的初始化，則可以不處理這個(gè)信號；用戶(hù)也可以挪用ｎＩｎｉｔ信號做其他的用途，在本設計方案的地址周期中，如果ｎＩｎｉｔ為高，則表示該地址對應ＩＳＡ接口的高８位地址，否則，對應低８位地址。用這種辦法解決了用８位的ＥＰＰ地址擴展１６位的ＩＳＡ地址的難題。實(shí)踐證明，這是一個(gè)方便實(shí)用的解決方法。

用ＥＰＰ擴展ＩＳＡ接口，最根本的任務(wù)是把ＥＰＰ的數據讀寫(xiě)周期快速地轉化為ＩＳＡ的ＩＯ讀寫(xiě)周期。在ＩＳＡ的時(shí)序中[３]，時(shí)鐘的頻率是４．７７ＭＨｚ，典型的一個(gè)ＩＳＡ周期要用４個(gè)時(shí)鐘周期，即大概１μｓ的時(shí)間。在ＥＰＰ的讀周期中，ＥＰＰ首先發(fā)出讀命令，然后等待ＩＳＡ的數據響應，如果ＩＳＡ仍然以４個(gè)時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行ＩＯ讀操作，那么ＥＰＰ很有可能會(huì )由于超時(shí)而發(fā)生時(shí)序錯誤，數據也必然會(huì )錯。解決這個(gè)問(wèn)題可以用提高ＩＳＡ接口的時(shí)鐘頻率的辦法，如提高到８ＭＨｚ甚至是１６ＭＨｚ，但是這樣的話(huà)ＩＳＡ卡可能會(huì )來(lái)不及響應而發(fā)生數據錯誤，所以這種方法不可??；另一種方法是改造ＩＳＡ接口的時(shí)序，使得既能滿(mǎn)足ＩＳＡ卡的時(shí)序要求，又不至于造成ＥＰＰ的超時(shí)錯誤。仔細分析ＩＳＡ的ＩＯ讀時(shí)序，ＣＰＵ在Ｔ１發(fā)出地址信號并發(fā)出ＡＬＥ信號，在Ｔ２發(fā)出讀命令，在Ｔ３采樣ＲＥＡＤＹ信號，以決定是否產(chǎn)生等待周期，如果不需要等待，則在Ｔ４讀取數據，完成整個(gè)讀周期?？梢园l(fā)現，對于本系統，Ｔ１周期是可以省略的，因為ＣＰＬＤ可以在ＥＰＰ的地址周期內設定要尋址的ＩＯ地址，而沒(méi)有必要在ＩＳＡ周期內再發(fā)送地址，這樣ＩＳＡ的ＩＯ讀周期就從４個(gè)時(shí)鐘減少到３個(gè)時(shí)鐘；如果可以保證ＩＳＡ卡設備可以在一個(gè)時(shí)鐘內送出有效的數據，則Ｔ３也可以省略，這樣一個(gè)ＩＳＡ讀周期實(shí)際上只占用了兩個(gè)時(shí)鐘，不會(huì )造成ＥＰＰ的超時(shí)錯誤。對ＥＰＰ數據寫(xiě)周期，因為ＣＰＬＤ可以先把數據寫(xiě)到緩沖中，首先保證ＥＰＰ時(shí)序，再把數據從緩沖寫(xiě)到ＩＳＡ設備中去，所以不會(huì )造成超時(shí)錯誤。ＩＳＡ的讀寫(xiě)時(shí)序經(jīng)過(guò)這樣的簡(jiǎn)化處理后，可以滿(mǎn)足ＩＳＡ設備和ＥＰＰ兩方面的時(shí)序要求。

４ ＣＰＬＤ的編程

系統選用的ＣＰＬＤ是ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＥＰ７０６４，它有６４個(gè)宏單元，１２５０個(gè)可用門(mén)，就可以完成ＥＰＰ和ＩＳＡ的接口任務(wù)。文獻[４]詳細介紹了ＡＬＴＥＲＡ公司的ＣＰＬＤ器件，在這里就不再介紹器件的性能和使用方法了。僅給出用ＶＨＤＬ語(yǔ)言寫(xiě)的控制程序如下（部分信號的意義請參照前面的電路原理圖）。

Ｐｒｏｃｅｓｓ （ｃｌｋ）

Ｔｙｐｅ ＩＳＡＴｙｐｅ ｉｓ （Ｉｄｌｅ，ＲＤ，ＷＲ）；

Ｖａｒｉａｂｌｅ ＩＳＡ： ＩＳＡＴｙｐｅ；

Ｖａｒｉａｂｌｅ ＩＯＲ： ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ；

Ｖａｒｉａｂｌｅ ＩＯＷ： ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ；

Ｖａｒｉａｂｌｅ ＥＰＰＢｕｆ： ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ＿ＶＥＣＴＯＲ （７ ｄｏｗｎｔｏ ０）；

Ｂｅｇｉｎ

Ｃａｓｅ ＩＳＡ ｉｓ

Ｗｈｅｎ Ｉｄｌｅ ＝＞

Ｉｆ ＩＯＲ＝‘１’ ｔｈｅｎ

＃ＩＯＲＤ ＜＝ ‘０’；

ＩＯＲ＝‘０’；

ＩＳＡ ：＝ ＲＤ；

Ｅｌｓｅｉｆ ＩＯＷ＝‘１’ ｔｈｅｎ

＃ＩＯＷＲ ＜＝ ‘０’；

ＩＳＡＤａｔａＢｕｆ＜＝ＥＰＰＢｕｆ；

ＩＯＷ：＝‘０’；

ＩＳＡ：＝ＷＲ；

Ｅｎｄ ｉｆ；

Ｗｈｅｎ ＲＤ ＝＞

ＥＰＰＢｕｆ：＝ＩＳＡＤａｔａＢｕｓ；

＃ＩＯＲＤ＜＝‘１’；

ＩＳＡ：＝Ｉｄｌｅ；

Ｗｈｅｎ ＷＲ ＝＞

＃ＩＯＷＲ ＜＝‘１’；

ＩＳＡ：＝Ｉｄｌｅ；

Ｅｎｄ ｃａｓｅ；

Ｅｎｄ；

Ｅｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ；

５ 計算機對ＥＰＰ／ＩＳＡ的操作

計算機通過(guò)ＥＰＰ協(xié)議用ＣＰＬＤ擴展出ＩＳＡ接口，現有的ＩＳＡ卡就可以通過(guò)ＩＳＡ接口、ＣＰＬＤ和ＥＰＰ協(xié)議間接地連到了計算機上。對于ＩＳＡ卡的使用者而言，無(wú)論從硬件的角度還是從軟件的角度來(lái)看，都好象是這塊ＩＳＡ卡直接插在計算機的ＩＳＡ槽內，其速度也完全能夠達到應用的要求。ＥＰＰ協(xié)議的用戶(hù)編程接口是協(xié)議定義的幾個(gè)ＩＯ口地址。以并口基地址為３７８Ｈ為例，３７８Ｈ是ＳＰＰ數據口，３７９Ｈ是ＳＰＰ狀態(tài)口，３７ＡＨ是ＳＰＰ控制口，３７ＢＨ是ＥＰＰ地址口，３７ＣＨ是ＥＰＰ數據口。對ＩＳＡ卡的操作順序是：首先通過(guò)設置ｎＩｎｉｔ為高和寫(xiě)ＥＰＰ地址口來(lái)設置ＩＳＡ卡的高８位地址，再通過(guò)設置ｎＩｎｉｔ為低和寫(xiě)ＥＰＰ地址口來(lái)設置ＩＳＡ卡的低８位地址，就可以通過(guò)ＥＰＰ數據口對ＩＳＡ卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作了。作者本人做出的系統對單一的地址進(jìn)行操作時(shí)，寫(xiě)操作的速度可以達到１０００～１２００ ＫＢ／ｓ，最高可以達到１３１０ＫＢ／ｓ，讀操作的速度可達８００～１１００ＫＢ／ｓ，完全能滿(mǎn)足數據采集和控制的要求。如果是對多個(gè)地址進(jìn)行操作，由于設置地址要占用一個(gè)或者兩個(gè)ＥＰＰ地址周期，所以數據傳輸速度會(huì )有所損失。

６ 與其它通訊方案的比較

（１）ＲＳ２３２串口：最通用的一種連接方法。但是它支持數據傳輸速率最大為１０～２０ＫＢ／ｓ，對于一般的數據采集和控制系統而言顯得有些慢。

（２）ＳＰＰ：數據通訊速度比串口快，可以達到１５０ ＫＢ／ｓ。但是ＳＰＰ用做數據輸入時(shí)很麻煩，用多次ＩＯ才能完成一次完整的數據讀取，速度要犧牲很多，況且外設的設計并不比ＥＰＰ簡(jiǎn)單。所以，如果選擇了并口方案，就不能選擇ＳＰＰ模式，除非用戶(hù)僅僅是做數據輸出并且對速度沒(méi)有很高的要求。

（３）ＥＣＰ：與ＥＰＰ相比ＥＣＰ最大的優(yōu)勢是它支持ＤＭＡ操作，如果系統工作時(shí)有大批量的數據要傳輸，用ＥＣＰ模式可以大大減輕計算機ＣＰＵ的負擔，提高系統的整體性能。但是獲得ＥＣＰ的高性能的代價(jià)是必須重新設計比ＥＰＰ復雜得多的接口軟件（指ＣＰＬＤ的控制軟件），同時(shí)計算機軟件方面還必須要編寫(xiě)硬件驅動(dòng)程序，這對于一般的計算機應用系統開(kāi)發(fā)者而言還是一個(gè)不小的困難。

（４）ＰＣＭＣＩＡ（ｔｈｅ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃａｒｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）：發(fā)展了信用卡大小的外設與ＰＣ機連接的標準。最初，ＰＣＭＣＩＡ標準僅對于內存卡，現在已擴展到Ｉ／Ｏ設備。數據能以最大５ＭＢ／ｓ的速率傳輸。但ＰＣＭＣＩＡ卡不支持ＤＭＡ，這就增加了數據采集和ＣＰＵ處理之間的時(shí)間。因而，目前的ＰＣＭＣＩＡ Ｉ／Ｏ卡需大容量緩存。ＰＣＭＣＩＡ設備的另一缺點(diǎn)是尺寸太?。ㄗ畲蟪叽纾福叮恚?times;５４ｍｍ×１０ｍｍ），不能用于控制數據采集系統中的一些模擬電路部分。

（５）ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）：支持１２Ｍｂｐｓ的數據傳輸速度，支持１２７個(gè)外圍設備，支持ＰＮＰ（Ｐｌｕｇ ａｎｄ Ｐｌａｙ），支持熱插拔，并且總線(xiàn)本身可以提供用戶(hù)系統電源。信號傳輸采用差分方式，可以抑制比較強的共模干擾。ＵＳＢ具有很大的發(fā)展前途。在未來(lái)的計算機上，可能不再提供ＲＳ２３２串口，可能不再提供并口，但絕對不可能沒(méi)有ＵＳＢ接口。ＵＳＢ的使用不象并口那樣簡(jiǎn)潔，它必須要有專(zhuān)用的接口芯片的支持才能用在系統中。不少芯片商已經(jīng)提供了ＵＳＢ的產(chǎn)品，如ＵＳＢ ＨＵＢ、ＵＳＢ接口、ＵＳＢ單片機等等。當然用戶(hù)自己也可以把ＵＳＢ協(xié)議寫(xiě)到ＰＬＤ芯片中去，使接口和系統融為一體。

綜上所述，采用ＥＰＰ擴展計算機的ＩＳＡ接口是一種新穎的計算機外設設計方案，它具有非常高的性能價(jià)格比，能夠達到絕大多數基于ＩＳＡ接口的數據采集和控制系統的通訊速度要求。這種方案大大擴展了筆記本電腦對于ＩＳＡ接口設備的適應能力，省去了用戶(hù)對擴展箱的需求。僅僅改寫(xiě)該系統的ＣＰＬＤ程序和計算機的控制程序就可以提供新的功能，如做成雙ＩＳＡ接口系統，或者改造成ＳＴＤ、ＳＴＥ總線(xiàn)系統等等，而系統的硬件不需做任何的改動(dòng)。ＥＰＰ的確是一種有前景的實(shí)用接口技術(shù)，值得微機外設設計者和使用者采用。