8位單片機的16位外部總線(xiàn)擴展與應用

1 8位/16位總線(xiàn)時(shí)序分析

1.1 8位單片機總線(xiàn)時(shí)序

帶有外部總線(xiàn)的8位單片機有很多，如51系列，avr系列等，本文以w77e58為例，w77e58是winbond公司推出的增強型51單片機，工作時(shí)鐘最高為40m赫茲，在同樣的時(shí)鐘頻率下，w77e58指令速度是傳統51單片機的3倍；另外，w77e58對程序存儲器和數據存儲器的尋址能力都為64kb。圖1中上半部分為讀時(shí)序，下半部分為寫(xiě)時(shí)序。

以讀數據為例，p0、p2口輸出當前地址，ale的下降沿鎖存低8位地址，高8位保持不變；而后，讀信號rd使能（低電平），外部設備把數據送到p0口，rd的上升沿把數據讀入單片機。寫(xiě)數據與此類(lèi)似，不過(guò)數據方向相反，同時(shí)為保證數據能夠正確寫(xiě)入外部設備，單片機在寫(xiě)信號wr使能前把數據送到p0口，wr無(wú)效后須保持一定時(shí)間，從圖1中可以看出，單片機用p0口存取8位數據，p2口僅用于地址輸出。

1.2 ide硬盤(pán)總線(xiàn)時(shí)序

下面以ide硬盤(pán)為例來(lái)分析16位總線(xiàn)時(shí)序，圖2是ide硬盤(pán)的接口示意圖[1]，只標出了與總線(xiàn)有關(guān)的信號線(xiàn)：dior/diow，讀/寫(xiě)；dcs0/dcs1，片選；dd0－dd15，16位數據線(xiàn)；da0－da2，3位地址線(xiàn)。

ide硬盤(pán)是典型的16位總線(xiàn)設備。ide接口有兩個(gè)片選信號，dcs1用來(lái)尋址控制寄存器。默認狀態(tài)下即可對ide硬盤(pán)進(jìn)行存取操作，故一般把該信號線(xiàn)直接連到高電平而只使用dcs0。其時(shí)序如圖3所示。

讀/寫(xiě)周期開(kāi)始時(shí)dior和diow均處于無(wú)效狀態(tài)，da0－da2連接到主機（在這里為單片機）的地址輸出。在收到讀請求（dior使能）后把數據送至數據線(xiàn)上，主機利用dior的上升沿鎖存該數據；之后，硬盤(pán)控制器延時(shí)后釋放數據線(xiàn)，在接收寫(xiě)請求時(shí)（diow使能），則讓數據線(xiàn)處于三態(tài)（tri－state），等待主機輸出數據，最后在diow的上升沿把數據寫(xiě)入硬盤(pán)控制器，在diow上升沿之前，主機需把數據準備好。

對比圖1和圖3可知，總線(xiàn)時(shí)序基本一致，只是在數據線(xiàn)上傳輸的數據位數不同，但是，主機一條指令完成一個(gè)讀/寫(xiě)周期，從外部設備到主機的16位數據在指令完成后不再有效；而從主機到外部設備的數據必須在指令完成前準備好，因而要把8位總線(xiàn)擴展成16位總線(xiàn)，必須要同時(shí)考慮讀/寫(xiě)時(shí)數據的鎖存問(wèn)題。

2 16位總線(xiàn)擴展的實(shí)現

根據前面對總線(xiàn)時(shí)序的分析，采用如圖4所示的方法對8位總線(xiàn)進(jìn)行擴展，使其滿(mǎn)足16位總線(xiàn)讀/寫(xiě)。主要由以下兩部分組成：1片gal16v8（u5），實(shí)現片選信號的譯碼和其他信號的編碼；2片74hc573（u3、u4），實(shí)現高8位數據鎖存。cs1－cs4是a9－a15的譯碼輸出，可連接4個(gè)外部設備。地址范圍根據具體設備來(lái)設定，假設cs2上連接有16位總線(xiàn)設備：

這里“＆”表示“與”，“！”表示“非”，即rd和cs5同時(shí)有效時(shí)，le5有效；wr和cs6同時(shí)有效時(shí)，le6有效。注意：cs5和cs6有一部分地址空間與cs2重合，即選通cs2的同時(shí)，也同時(shí)會(huì )選通cs5或cs6。另外，通過(guò)外部設備地址線(xiàn)的連接，使得8000h－81ffh和8200h－83ffh尋址同一個(gè)位置，以圖2中的ide硬盤(pán)為例，da0－＞a0，da1－＞a1，da2－＞a2。

單片機寫(xiě)16位數據時(shí)，執行寫(xiě)操作使cs6有效（尋址fe00h－ffffh），輸出高8位數據并鎖存到u4，然后執行寫(xiě)操作使cs2有效（尋址8200h－83ffh），p0口上的數據和u4鎖存的數據同步輸出，形成16位數據d0－d15，從而寫(xiě)入外部設備。

單片機讀16位數據時(shí)，執行讀操作使cs2有效（尋址8000h－81ffh），外部設備的低8位送至p0口，而高8位同時(shí)被u3鎖存，然后執行讀操作使cs5有效（尋址fc00h－fdffh），u3鎖存的數據被送至p0口。

在上面的讀/寫(xiě)過(guò)程中，雖然對cs2的尋址位置不同（讀為8000h－81ffh，寫(xiě)為8200h－83ffh），但由于位置重合，故可對16位外部設備正確讀/寫(xiě)。另外，如下單片機尋址連接到cs1、cs3、cs4上的8位設備，則由于u3和u4沒(méi)有選通，對其操作沒(méi)有任何影響。

從上面的實(shí)現可以看出，擴展后的16位外部總線(xiàn)與外部設備進(jìn)行數據交互時(shí)只增加一條指令。本方法與常規的端口模擬方法的比較結果如表1所列。從表中可以看出，采用本方法后，傳輸速率是常規方法的3倍。

另外，上述擴展方法還可以進(jìn)一步引申：1）若有未使用的i/o口（如w77e58的p1口），則可用來(lái)直接輸出高8位數據，從而可以去掉圖4中的u4；2）若對成本不太敏感，則可把圖4中的邏輯器件用cpld實(shí)現，從而使設計更為靈活，布線(xiàn)更為方便，結構更為緊湊，基本實(shí)現原理仍然如圖4所示。

3 在車(chē)載數據采集系統中的應用

8位單片機擴展16位外部總線(xiàn)的方法已應用于車(chē)載數據采集系統，圖5為該系統的原理框圖。汽車(chē)廠(chǎng)商在開(kāi)發(fā)新車(chē)型或者關(guān)鍵零部件升級時(shí)，必須經(jīng)過(guò)樣品試制、產(chǎn)品鑒定、小批試制和大批生產(chǎn)等必要階段。每個(gè)階段中，都伴隨著(zhù)大量的可靠性試驗，車(chē)載數據采集系統正是為這些試驗而設計的。鑒于其特殊的使用條件，必須滿(mǎn)足如下基本要求：能夠進(jìn)行連續、長(cháng)時(shí)間數據采集、時(shí)間有可能是幾天或者一個(gè)月；因為有可能很多臺車(chē)輛的試驗同時(shí)進(jìn)行，因而要求系統成本低且安全可靠，具有can總線(xiàn)數據采集接口。在圖5中，8位單片機上掛有3個(gè)8位總線(xiàn)器件（usb slave器件，ram和can總線(xiàn)器件）和1個(gè)16位總線(xiàn)接口設備（ide硬盤(pán)）。

單片機采用前面提到的w77e58；為保證較高的數據傳輸速率，便于與外部串口設備（lcm顯示屏）通信，外部晶振頻率使用33m赫茲。

usb slave器件采用pdiusbd12，使用模塊化的方法實(shí)現一個(gè)usb接口，本次設計通過(guò)該器件把ide硬盤(pán)映射成一個(gè)可移動(dòng)硬盤(pán)，從而實(shí)現了大容量存儲類(lèi)（massstorage class）。

ram采用hy62wt08081e。該器件提供32kb的數據空間，用于數據采集以及fat32文件系統操作的緩存。

can總線(xiàn)接口器件采用sja1000＋tle6250的組合，sja1000是獨立的can控制器，用于汽車(chē)和工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò )，tle6250是針對汽車(chē)環(huán)境設計的can收發(fā)器。

ide硬盤(pán)使用經(jīng)過(guò)防震處理的工業(yè)用硬盤(pán)，也可使用cf卡加ide轉接線(xiàn)的方式。

圖6為車(chē)載數據采集系統的簡(jiǎn)要軟件流程圖?？紤]到usb端口和can總線(xiàn)上的數據一般不會(huì )同時(shí)向系統發(fā)出請求，故軟件采用查詢(xún)方式工作，主要包括以下幾部分：主流程、usb協(xié)議實(shí)現[2]、can總線(xiàn)數據[3]和其他車(chē)輛狀態(tài)信號采集，以及fat32協(xié)議實(shí)現。

4 小結

本設計在8位單片機上實(shí)現了16位外部總線(xiàn)，可對16位設備進(jìn)行高速存取，并且保留了原8位總線(xiàn)的功能，這種8位/16位總線(xiàn)共存的方式，較之端口模擬總線(xiàn)方式，極大地提高了數據的傳輸速率，該16位總線(xiàn)擴展方式已成功應用于車(chē)載數據采集系統，在汽車(chē)的道路可靠性試驗中，安裝了多套該系統，試驗結果表明，該系統使用方便，工作穩定、可靠，數據傳輸率高、完全滿(mǎn)足汽車(chē)動(dòng)態(tài)采集數據的需要，該16位總線(xiàn)的擴展方式，可應用于具有8位外部總線(xiàn)的單片機，在一定程度上，擴大了該類(lèi)單片機的使用范圍。