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[導(dǎo)讀]摘要:用ALTERA公司MAX7000系列CPLD芯片實現(xiàn)單片機與PC104 ISA總線接口之間的并行通信,給出系統(tǒng)設(shè)計方法及程序源代碼。包括通信軟件和AHDL設(shè)計部分。關(guān)鍵詞:CPLD ISA總線 并行通信CPLD(Complex Programmable Logi

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

關(guān)鍵詞:CPLD ISA總線 并行通信

CPLD(Complex Programmable Logic Device)是一種復(fù)雜的用戶可編程邏輯器件,由于采用連續(xù)連接結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)易于預(yù)測延時,從而電路仿真更加準(zhǔn)確。CPLD是標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模集成電路產(chǎn)品,可用于各種數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)計。近年來,由于采用先進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,一個芯片就可以實現(xiàn)一個復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng);再加上使用方便的開發(fā)工具,使用CPLD器件可以極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,給設(shè)計、修改帶來很大方便[1]。本文以 ALTERA公司的MAX7000系列為例,實現(xiàn)MCS51單片機與PC104 ISA總線的并行通信。采用這種通信方式,數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、高速,在12 MHz晶振的MCS51單片機控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,可以滿足與PC104 ISA總線接口實時通信的要求,通信速率達200 Kbps。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)用CLPD實現(xiàn)單片機與PC104 ISA總線接口的并行通信。由于PC104主要完成其它方面的數(shù)據(jù)采集工作,只是在空閑時才能接收單片機送來的數(shù)據(jù),

所以要求雙方通信的實時性很強,但數(shù)據(jù)量不是很大。因此,在系統(tǒng)設(shè)計中單片機中斷方式接收數(shù)據(jù),PC104采用查詢方式接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

在圖1單片機部分,D[0..7]是數(shù)據(jù)總線,A[0..15]是地址總線,RD和WR分別是讀寫信號線,INT0是單片機的外部中斷。當(dāng)單片機的外部中斷信號有效時,單片機接收數(shù)據(jù)。

在CPLD部分,由一片MAX7000系列中的EPM7128LSC84來實現(xiàn),用來完成MCS51與PC104ISA總線接口之間的數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)查詢及延時等待。

在PC104 ISA部分,只用到ISA的8位數(shù)據(jù)總線D[0..7],A[0..9]是PC104的地址總線;IOW和IOR是對指定設(shè)備的讀寫信號;AEN是允許 DMA控制地址總線、數(shù)據(jù)總線及讀寫命令線進行DMA傳輸,及對存儲器和I/O設(shè)備的讀寫;IOCHRDY是I/O就緒信號,I/O通道就緒為高,此時處理機產(chǎn)生的存儲器讀寫周期為4個時鐘周期,產(chǎn)生的I/O讀寫周期和DMA字節(jié)傳輸均需5個時鐘周期,MCS51通過置此信號為低電平來使CPU插入等待周期,從而延長I/O周期;SYSCLK是系統(tǒng)時鐘信號,是為了與外部設(shè)備保持同步;RESETDR是上電復(fù)位或系統(tǒng)初始化邏輯,是系統(tǒng)總清信號。

2 基于MAX+plus II的硬件實現(xiàn)

本系統(tǒng)是用ALTERA公司的CPLD開發(fā)工具MAX+plusII。它支持多種輸入方式,給設(shè)計開發(fā)提供了極大的方便。系統(tǒng)的主體部分仍是用原理圖輸入方式。由于庫中提供了現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸和握手判斷。

D[0..7] 單片機的8位雙向數(shù)據(jù)總線;

PCD[0..7] ISA接口的8位雙向數(shù)據(jù)總線;

PCRD ISA接口的讀有效信號;

PCWR ISA接口的寫有效信號;

判斷單片機已寫數(shù)據(jù)或讀走數(shù)據(jù);

PCSTATE 單片機用此查詢ISA接口已取走數(shù)據(jù);

MSCRD 單片機的讀有效信號;

MCSWR 單片機的寫有效信號;

INT0 單片機的外部中斷信號;

當(dāng)MCUWR信號有效后,單片機把數(shù)據(jù)鎖存于74LS374(1)中,此時,PCSTATE變?yōu)楦唠娖?。PC104用STATE信號選通74LS244來判斷數(shù)據(jù)位PCD0是否為高電平,如果為高,說明單片機送來了數(shù)據(jù),那么使PCRD有效,從數(shù)據(jù)存器74LS374(1)中取走數(shù)據(jù)。此時,PCSTATE變?yōu)榈碗娖?,單片機通過判斷此信號為低電平來判定PC104已取走了數(shù)據(jù),可以發(fā)下一個數(shù)據(jù)。

 

當(dāng)PCWR信號有效后,PC104把數(shù)據(jù)鎖存于74LS374(2)中,此時,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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)位PCD1是否為高電平,如果為高電平,說明單片機取走了數(shù)據(jù),可以發(fā)送下一個數(shù)據(jù)。

PC104與單片機進行通信,最關(guān)鍵的就是速度匹配問題。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 用來使ISA接口等待5個時鐘周期;

DLY_D 延時輸入信號;

DLY_CK 延時等待時鐘信號;

DLY_CLR 等待清除信號,為開始下一次送數(shù)周期作準(zhǔn)備;

DELAY 延時5個時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(tǒng)時鐘信號。

在MCS51與PC104進行通信的過程中,DLY_D信號一直有效(高電平)。在信號SYSCLK的作用下,每5個時鐘周期DELAY信號有效一次,即為高電平。此時DLY_CLR信號有效(低電平),IOCHRDY信號變?yōu)楦唠娖?,PC104可以讀寫數(shù)據(jù)。

地址譯碼部分采用文本輸入方式,用ALTERA公司的硬件設(shè)計開發(fā)語言 AHDL(Altera Hardware Description Language)。AHDL是一種模塊化的高級語言,完全集成于MAX+plusII系統(tǒng)中,特別適合于描述復(fù)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(xiàn)了文本輸入方式的優(yōu)點。文本輸入內(nèi)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]= =H"110");

DLY_CK=!AEN & (PCA[9..1]= =H"110")&(!IOR # ! IOW);

!PCWR=!AEN&(PCA[9..0]= =H"220")& !IOW;

!PCRD=!AEN&(PCA[9..0]= =H"220")& !IOR;

!STATE=!AEN&(PCA[9..0]= =H"221")&!IOR;

!MCSRD=([15..14]= =H"1")& !RD;

!MCSWR=(A[15..14]= =H"2"& !WR;

END;

說明: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(shè)計

PC104是基于ISA總線的,在系統(tǒng)軟件設(shè)計中要防止地址沖突。PC104中使用A0~A9地址位來表示I/O端口地址,即可有1024個口地址:前512個供系統(tǒng)板使用,后512個供擴充槽使用。當(dāng)A9=0時表示為系統(tǒng)板上的口地址;A9=1時,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,保證不會發(fā)生地址沖突。

本程序中PC104采用查詢方式接收數(shù)據(jù),單片機用中斷方式接收數(shù)據(jù)。

#define pcreadwrite 0x220 /*PC104讀寫數(shù)據(jù)口地址*/

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

PC104寫數(shù)據(jù)函數(shù):

Void pcwrite(int port,unsigned char ch)

{ outportb(pcreadwrite,ch);

while ((inportb(pcrdstate)&0x02)!=0x02); /*等待單片機讀走數(shù)據(jù)*/

{ }

}

單片機讀子程序:

MCUWR:MOV DPTR,#4000H

MOVX A,@DPTR

RETI

PC104讀數(shù)據(jù)函數(shù):

Unsigned char pcread(int port)

{ while((inportb(pcrdstate)&0x01)!=0x01);/*等待單片機寫數(shù)據(jù)*/

{}

return inportb(pcreadwrite);

}

單片機寫子程序:

MCUWR:MOV DPTR,#8000H

MOVX @DPTR,A

;等待PC104讀走數(shù)據(jù)

RET

4 結(jié)論

用CPLD實現(xiàn)單片機與ISA總線接口的并行通信,電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小,1片CPLD芯片足夠,并且控制方便,實時性強,通信效率高。本設(shè)計方法已成功地應(yīng)用于作者開發(fā)的各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,用作單片機與PC104之間的并行數(shù)據(jù)通信,效果非常理想。

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