8位單片機(jī)的16位外部總線(xiàn)擴(kuò)展與應(yīng)用

隨著電子設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步和芯片制造工藝水平的提高，16位和32位單片機(jī)的使用越來(lái)越廣泛，但是8位單片機(jī)因其制造工藝成熟、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，仍然在市場(chǎng)上占有相當(dāng)大的比例，尤其在成本敏感和可靠性要求極高的汽車(chē)電子領(lǐng)域，更占用絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，帶有外部總線(xiàn)的8位單片機(jī)，可以方便地與8位總線(xiàn)設(shè)備(如A/D、RAM和CAN總線(xiàn))相連。隨著對(duì)傳輸性能要求的提高，出現(xiàn)了大量的16位總線(xiàn)設(shè)備(如網(wǎng)絡(luò)接口芯片)，8位單片機(jī)要與16位總線(xiàn)設(shè)備相連接，通常的做法是利用I/O端口來(lái)模擬16位總線(xiàn)的讀/寫(xiě)時(shí)序，數(shù)據(jù)傳輸速率較低，且原有的8位設(shè)備的傳輸速率也隨之降低，因而限制了8位單片機(jī)的使用范圍，本文提出一種8位單片機(jī)擴(kuò)展16為外部總線(xiàn)的方法，不影響原有8位器件的前提下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)16位總線(xiàn)設(shè)備的高速存取;最后，介紹了如何利用該方法與IDE硬盤(pán)相連接，并應(yīng)用于車(chē)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 8位/16位總線(xiàn)時(shí)序分析

1.1 8位單片機(jī)總線(xiàn)時(shí)序

帶有外部總線(xiàn)的8位單片機(jī)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(qiáng)型51單片機(jī)，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(tǒng)51單片機(jī)的3倍;另外，W77E58對(duì)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shù)據(jù)為例，P0、P2口輸出當(dāng)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(hào)RD使能(低電平)，外部設(shè)備把數(shù)據(jù)送到P0 口，RD的上升沿把數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)。寫(xiě)數(shù)據(jù)與此類(lèi)似，不過(guò)數(shù)據(jù)方向相反，同時(shí)為保證數(shù)據(jù)能夠正確寫(xiě)入外部設(shè)備，單片機(jī)在寫(xiě)信號(hào)WR使能前把數(shù)據(jù)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(jī)用P0口存取8位數(shù)據(jù)，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(biāo)出了與總線(xiàn)有關(guān)的信號(hào)線(xiàn)：DIOR/DIOW，讀/寫(xiě);DCS0/DCS1，片選;DD0-DD15，16位數(shù)據(jù)線(xiàn);DA0-DA2，3位地址線(xiàn)。

IDE硬盤(pán)是典型的16位總線(xiàn)設(shè)備。IDE接口有兩個(gè)片選信號(hào)，DCS1用來(lái)尋址控制寄存器。默認(rèn)狀態(tài)下即可對(duì)IDE硬盤(pán)進(jìn)行存取操作，故一般把該信號(hào)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(jī)(在這里為單片機(jī))的地址輸出。在收到讀請(qǐng)求(DIOR使能)后把數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)線(xiàn)上，主機(jī)利用DIOR的上升沿鎖存該數(shù)據(jù);之后，硬盤(pán)控制器延時(shí)后釋放數(shù)據(jù)線(xiàn)，在接收寫(xiě)請(qǐng)求時(shí)(DIOW使能)，則讓數(shù)據(jù)線(xiàn)處于三態(tài)(tri-state)，等待主機(jī)輸出數(shù)據(jù)，最后在DIOW的上升沿把數(shù)據(jù)寫(xiě)入硬盤(pán)控制器，在DIOW上升沿之前，主機(jī)需把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。

對(duì)比圖1和圖3可知，總線(xiàn)時(shí)序基本一致，只是在數(shù)據(jù)線(xiàn)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)不同，但是，主機(jī)一條指令完成一個(gè)讀/寫(xiě)周期，從外部設(shè)備到主機(jī)的16位數(shù)據(jù)在指令完成后不再有效;而從主機(jī)到外部設(shè)備的數(shù)據(jù)必須在指令完成前準(zhǔn)備好，因而要把8位總線(xiàn)擴(kuò)展成16位總線(xiàn)，必須要同時(shí)考慮讀/寫(xiě)時(shí)數(shù)據(jù)的鎖存問(wèn)題。

2 16位總線(xiàn)擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前面對(duì)總線(xiàn)時(shí)序的分析，采用如圖4所示的方法對(duì)8位總線(xiàn)進(jìn)行擴(kuò)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(xiàn)片選信號(hào)的譯碼和其他信號(hào)的編碼;2片74HC573(U3、U4)，實(shí)現(xiàn)高8位數(shù)據(jù)鎖存。CS1-CS4是A9-A15的譯碼輸出，可連接4個(gè)外部設(shè)備。地址范圍根據(jù)具體設(shè)備來(lái)設(shè)定，假設(shè)CS2上連接有16位總線(xiàn)設(shè)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(shè)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(jī)寫(xiě)16位數(shù)據(jù)時(shí)，執(zhí)行寫(xiě)操作使CS6有效(尋址FE00H-FFFFH)，輸出高8位數(shù)據(jù)并鎖存到U4，然后執(zhí)行寫(xiě)操作使CS2有效(尋址8200H-83FFH)，P0口上的數(shù)據(jù)和U4鎖存的數(shù)據(jù)同步輸出，形成16位數(shù)據(jù)D0-D15，從而寫(xiě)入外部設(shè)備。

單片機(jī)讀16位數(shù)據(jù)時(shí)，執(zhí)行讀操作使CS2有效(尋址8000H-81FFH)，外部設(shè)備的低8位送至P0口，而高8位同時(shí)被U3鎖存，然后執(zhí)行讀操作使CS5有效(尋址FC00H-FDFFH)，U3鎖存的數(shù)據(jù)被送至P0口。

在上面的讀/寫(xiě)過(guò)程中，雖然對(duì)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(duì)16位外部設(shè)備正確讀/寫(xiě)。另外，如下單片機(jī)尋址連接到CS1、CS3、CS4上的8位設(shè)備，則由于U3和U4沒(méi)有選通，對(duì)其操作沒(méi)有任何影響。

從上面的實(shí)現(xiàn)可以看出，擴(kuò)展后的16位外部總線(xiàn)與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)只增加一條指令。本方法與常規(guī)的端口模擬方法的比較結(jié)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(guī)方法的3倍。

另外，上述擴(kuò)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(shù)據(jù)，從而可以去掉圖4中的U4;2)若對(duì)成本不太敏感，則可把圖4中的邏輯器件用CPLD實(shí)現(xiàn)，從而使設(shè)計(jì)更為靈活，布線(xiàn)更為方便，結(jié)構(gòu)更為緊湊，基本實(shí)現(xiàn)原理仍然如圖4所示。

3 在車(chē)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

8 位單片機(jī)擴(kuò)展16位外部總線(xiàn)的方法已應(yīng)用于車(chē)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，圖5為該系統(tǒng)的原理框圖。汽車(chē)廠商在開(kāi)發(fā)新車(chē)型或者關(guān)鍵零部件升級(jí)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，都伴隨著大量的可靠性試驗(yàn)，車(chē)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正是為這些試驗(yàn)而設(shè)計(jì)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(xù)、長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)采集、時(shí)間有可能是幾天或者一個(gè)月;因?yàn)橛锌赡芎芏嗯_(tái)車(chē)輛的試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，因而要求系統(tǒng)成本低且安全可靠，具有 CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集接口。在圖5中，8位單片機(jī)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(shè)備(IDE硬盤(pán))。

單片機(jī)采用前面提到的W77E58;為保證較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，便于與外部串口設(shè)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(xiàn)一個(gè)USB接口，本次設(shè)計(jì)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(xiàn)了大容量存儲(chǔ)類(lèi)(MassStorage Class)。

RAM采用HY62WT08081E。該器件提供32KB的數(shù)據(jù)空間，用于數(shù)據(jù)采集以及FAT32文件系統(tǒng)操作的緩存。

CAN總線(xiàn)接口器件采用SJA1000+TLE6250的組合，SJA1000是獨(dú)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(duì)汽車(chē)環(huán)境設(shè)計(jì)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(zhuǎn)接線(xiàn)的方式。

圖6為車(chē)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡(jiǎn)要軟件流程圖?？紤]到USB端口和CAN總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)一般不會(huì)同時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)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(xiàn)[2]、CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)[3]和其他車(chē)輛狀態(tài)信號(hào)采集，以及FAT32協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

4 小結(jié)

本設(shè)計(jì)在8位單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)了16位外部總線(xiàn)，可對(duì)16位設(shè)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(shù)據(jù)的傳輸速率，該16位總線(xiàn)擴(kuò)展方式已成功應(yīng)用于車(chē)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在汽車(chē)的道路可靠性試驗(yàn)中，安裝了多套該系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)使用方便，工作穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)傳輸率高、完全滿(mǎn)足汽車(chē)動(dòng)態(tài)采集數(shù)據(jù)的需要，該16位總線(xiàn)的擴(kuò)展方式，可應(yīng)用于具有8位外部總線(xiàn)的單片機(jī)，在一定程度上，擴(kuò)大了該類(lèi)單片機(jī)的使用范圍。