單片機系統標準總線(xiàn)(MPS BUS)的研究及模板設計

1 、引言

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單片機系統在生產(chǎn)、生活、工作等各個(gè)方面得以廣泛應用。而研制各種單片機系統，總要進(jìn)行一些重復的軟硬設計，從而導致系統開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，造成人、財、物的浪費。采用標準總線(xiàn)是一種提高開(kāi)發(fā)效率、實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的重要途徑。如果設計一種單片機系統標準總線(xiàn)，依照標準總線(xiàn)的接口設計出相應的 CPU板、人機接口板、輸入輸出板等，同時(shí)提供相應的軟件模塊。當設計一個(gè)單片機系統時(shí)，按照要求選取相應的模板即可組成相應的硬件系統。在軟件設計中，各模板的軟件設計可以調用各模板的軟件模塊。從而可將開(kāi)發(fā)者的精力用于應用系統功能的開(kāi)發(fā)上。為此，本文介紹了基于MCS51系列單片機系統標準總線(xiàn)的設計。

2、單片機系統標準總線(xiàn)（MPS BUS）的制定原則及依據

在單片機的應用中，80%是采用8位單片機。而在8位單片機中，MCS51系列單片機是使用最多的單片機。因此，本單片機系統標準總線(xiàn)是基于MCS51系列單片機及其兼容產(chǎn)品而設計的。
總線(xiàn)就是各種信號線(xiàn)的集合，是計算機各部件之間傳送數據、地址和控制信息的公共通路。單片機系統總線(xiàn)則是單片機系統中各種功能模板之間的總線(xiàn)。單片機系統標準總線(xiàn)（MPS BUS - Macro Processer System stantand BUS）應規定模板尺寸、總線(xiàn)連接器、總線(xiàn)各引腳安排、信號定義、電氣標準、讀寫(xiě)時(shí)序和持續時(shí)間等參數。定時(shí)規范規定其讀寫(xiě)時(shí)序，電氣規范則規定其電平標準。并且，定時(shí)規范和電氣規范應符合單片機標準。
2．1 邏輯規范的制定
單片機系統標準總線(xiàn)是單片機系統各部件之間的信息通路。應包括數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)、控制總線(xiàn)、電源總線(xiàn)。單片機系統標準總線(xiàn)的制定要充分發(fā)揮51系列單片機的性能。51系列單片機共有40條線(xiàn)，P0口為數據和地址低8位復用口。系統總線(xiàn)應將數據線(xiàn)和地址線(xiàn)分開(kāi)，簡(jiǎn)化各模板的線(xiàn)路設計。因此,CPU板應將 P0口通過(guò)數據鎖存器和地址鎖存器分為數據線(xiàn)和低8位地址線(xiàn)，并與單片機系統的數據線(xiàn)和低8位地址線(xiàn)對應。P2口為高8位地址線(xiàn)，與單片機系統地址線(xiàn)高8 位對應。因此，系統總線(xiàn)有8條數據線(xiàn)，16條地址線(xiàn)。
單片機的控制線(xiàn)含P3口及PSEN、ALE、RST。P3口包含了兩位通訊線(xiàn)，兩個(gè)中斷輸入，兩個(gè)定時(shí)輸入和兩個(gè)讀寫(xiě)控制端。RXD表示串行輸入口；TXD表示串行輸出口；INT0表示外部中斷0；INT1表示外部中斷1；T0表示定時(shí)器0外部輸入；T1表示定時(shí)器1外部輸入；RD表示讀存儲器或輸入裝置，三態(tài)，低電平有效。RD信號由執行任務(wù)的現行主發(fā)出，表示從存儲器或輸入端口讀取數據。被選通的輸入裝置或存儲器，用這個(gè)信號將數據送到數據總線(xiàn)上。當RD由低向高電平跳變時(shí)，微處理器將獲取數據。WR表示寫(xiě)存儲器或輸出裝置，三態(tài)，低電平有效。WR信號由現行主發(fā)出，表示總線(xiàn)上有或將有數據要寫(xiě)入指定的存儲器或輸出裝置。當WR由低向高電平跳變時(shí)，則完成數據的寫(xiě)入操作。系統模板都應具備 P3口的功能，系統總線(xiàn)包含P3口全部8條線(xiàn)。PSEN是外部程序存儲器的讀選通信號，當需擴展外部程序存儲器模板時(shí)用此信號。當訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器時(shí)，ALE(允許地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低8位字節。因為，系統總線(xiàn)已將數據和地址分開(kāi)，ALE除在CPU板使用外，不再其它模板使用。但是，ALE端是以不變的頻率周期性的出現正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。它可用作對外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)。因此，應在系統總線(xiàn)中加以保留。 RST表示復位，EA為使用內部存儲器控制端，系統總線(xiàn)不必保留。
單片機的P1口用于I/O控制，同時(shí)，兼做地址空間超過(guò)64K時(shí)的地線(xiàn)線(xiàn)。一般情況下，用于I/O控制，因此，系統總線(xiàn)有8條控制線(xiàn)與之對應。
標準總線(xiàn)中的電源總線(xiàn)應包含各模板中常用的電源。CPU及其它數字電路需要5V電源，接口中的模擬電路一般為+12V及-12V電源。因此，在系統總線(xiàn)中，含+5V及數字地GND兩條線(xiàn)，+12V、-12V及模擬地AGND共4條線(xiàn)。
引腳的排列原則按電源、數據、地址、控制順序進(jìn)行，并與單片機的引腳順序相呼應。
2．2 模板尺寸
一般的單片機系統應用中，具有小型化、嵌入式、功能集中等特點(diǎn)。單片機系統的模板尺寸即要滿(mǎn)足應用系統性能要求，又要滿(mǎn)足體積小、結構緊湊的要求。單片機系統標準總線(xiàn)模板采用小板結構，它比STD總線(xiàn)模板尺寸還要小，與PC104模板相當。與大板結構相比，這種小板結構在機械強度、抗震動(dòng)、抗老化和抗干擾方面優(yōu)越得多。小板結構功能單一，組合靈活、硬件冗余小，減小了系統硬件開(kāi)銷(xiāo)。
2．3 總線(xiàn)連接器
為了使系統的整體結構緊湊，模板之間采用疊層方式，總線(xiàn)連接器采用50針插頭及插座方式。

3、MPS BUS標準制定的基本方案

3．1 標準總線(xiàn)邏輯規范
單片機系統標準總線(xiàn)分為電源總線(xiàn)、數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)、輸入輸出總線(xiàn)和控制總線(xiàn)五部分。數據總線(xiàn)對應MCS51的PO口；地址總線(xiàn)低8位由MCS51的 PO口擴展而得，高8位與MCS51的P2口相對應；控制總線(xiàn)對應MCS51單片機的P3口及PSEN，ALT?？偩€(xiàn)引腳的定義如表1所示：
表1 單片機系統標準總線(xiàn)的定義及引腳分配

電源總線(xiàn)（引腳1~8）適應邏輯及模擬電源的配電，邏輯電源為+5V，用于給CPU及數字集成芯片供電，對應的地為數字地GND；模擬電源為+12V和-12V，用于給模擬器件供電，對應的地為AGND。