用CPLD實現單片機與ISA匯流排并行通信

admin @ 2014-03-26 , reply:0

概述
摘要:用ALTERA公司MAX7000系列CPLD晶元實現單片機與PC104ISA匯流排介面之間的并行通信,給出系統設計方法及程序源代碼。包括通信軟體和AHDL設計部分。關鍵詞:CPLDISA匯流排并……

摘要:用ALTERA公司MAX7000系列CPLD晶元實現單片機與PC104 ISA匯流排介面之間的并行通信,給出系統設計方法及程序源代碼。包括通信軟體和AHDL設計部分。

關鍵詞:CPLD ISA匯流排 并行通信

CPLD(Complex Programmable Logic Device)是一種複雜的用戶可編程邏輯器件,由於採用連續連接結構。這種結構易於預測延時,從而電路模擬更加準確。CPLD是標準的大規模集成電路產品,可用於各種數字邏輯系統的設計。近年來,由於採用先進的集成工藝和大批量生產,CPLD器件成本不斷下降,集成密度、速度和性能大幅度提高,一個晶元就可以實現一個複雜的數字電路系統;再加上使用方便的開發工具,使用CPLD器件可以極大地縮短產品開發周期,給設計、修改帶來很大方便[1]。本文以 ALTERA公司的MAX7000系列為例,實現MCS51單片機與PC104 ISA匯流排的并行通信。採用這種通信方式,數據傳輸準確、高速,在12 MHz晶振的MCS51單片機控制的數據採集系統中,可以滿足與PC104 ISA匯流排介面實時通信的要求,通信速率達200 Kbps。

1 系統總體設計方案

本系統用CLPD實現單片機與PC104 ISA匯流排介面的并行通信。由於PC104主要完成其它方面的數據採集工作,只是在空閑時才能接收單片機送來的數據,所以要求雙方通信的實時性很強,但數據量不是很大。因此,在系統設計中單片機中斷方式接收數據,PC104採用查詢方式接收數據。系統設計方案如圖1所示。

在圖1單片機部分,D[0..7]是數據匯流排,A[0..15]是地址匯流排,RD和WR分別是讀寫信號線,INT0是單片機的外部中斷。當單片機的外部中斷信號有效時,單片機接收數據。

在CPLD部分,由一片MAX7000系列中的EPM7128LSC84來實現,用來完成MCS51與PC104ISA匯流排介面之間的數據傳輸、狀態查詢及延時等待。

在PC104 ISA部分,只用到ISA的8位數據匯流排D[0..7],A[0..9]是PC104的地址匯流排;IOW和IOR是對指定設備的讀寫信號;AEN是允許 DMA控制地址匯流排、數據匯流排及讀寫命令線進行DMA傳輸,及對存儲器和I/O設備的讀寫;IOCHRDY是I/O就緒信號,I/O通道就緒為高,此時處理機產生的存儲器讀寫周期為4個時鐘周期,產生的I/O讀寫周期和DMA位元組傳輸均需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是系統時鐘信號,是為了與外部設備保持同步;RESETDR是上電複位或系統初始化邏輯,是系統總清信號。

2 基於MAX+plus II的硬體實現

本系統是用ALTERA公司的CPLD開發工具MAX+plusII。它支持多種輸入方式,給設計開發提供了極大的方便。系統的主體部分仍是用原理圖輸入方式。由於庫中提供了現在的晶元,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介面通信中的數據傳輸和握手判斷。

 

D[0..7] 單片機的8位雙向數據匯流排;

PCD[0..7] ISA介面的8位雙向數據匯流排;

PCRD ISA介面的讀有效信號;

PCWR ISA介面的寫有效信號;

判斷單片機已寫數據或讀走數據;

PCSTATE 單片機用此查詢ISA介面已取走數據;

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MCUWR信號有效后,單片機把數據鎖存於74LS374(1)中,此時,PCSTATE變為高電平。PC104用STATE信號選通 74LS244來判斷數據位PCD0是否為高電平,如果為高,說明單片機送來了數據,那麼使PCRD有效,從數據存器74LS374(1)中取走數據。此時,PCSTATE變為低電平,單片機通過判斷此信號為低電平來判定PC104已取走了數據,可以發下一個數據。

當PCWR信號有效后,PC104把數據鎖存於74LS374(2)中,此時,INT0變為低電閏,單片機產生外部中斷,使MCSRD信號有效,從數據鎖存器74LS374(2)中取走裝飾,INT0變為高電平。PC104用STATE信號選通74LS244判斷數據位PCD1是否為高電平,如果為高電平,說明單片機取走了數據,可以發送下一個數據。 PC104與單片機進行通信,最關鍵的就是速度匹配問題。由於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介面等待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,為開始下一次送數周期作準備;

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介面的系統時鐘信號。

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信號變為高電平,PC104可以讀寫數據。

地址解碼部分採用文本輸入方式,用ALTERA公司的硬體設計開發語言AHDL(Altera Hardware Description Language)。AHDL是一種模塊化的高級語言,完全集成於MAX+plusII系統中,特別適合於描述複雜的組合邏輯、狀態機和真值表,地址解碼部分用文本輸入方式,這充分體現了文本輸入方式的優點。文本輸入內容如下:

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用到埠地址220H和221H。

3 通信軟體設計

PC104是基於ISA匯流排的,在系統軟體設計中要防止地址衝突。PC104中使用A0~A9地址位來表示I/O埠地址,即可有1024個口地址:前512個供系統板使用,后512個供擴充槽使用。當A9=0時表示為系統板上的口地址;A9=1時,表示擴充插槽介面卡上的口地址[2]。因此,採用保留的口地址220H和221H,保證不會發生地址衝突。

本程序中PC104採用查詢方式接收數據,單片機用中斷方式接收數據。

#define pcreadwrite 0x220 /*PC104讀寫數據口地址*/

#define pcrdstate 0x221 /*PC104查詢狀態口地址*/

PC104寫數據函數:

Void pcwrite(int port,unsigned char ch)

{ outportb(pcreadwrite,ch);

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

{ }

}

單片機讀子程序:

MCUWR:MOV DPTR,#4000H

MOVX A,@DPTR

RETI

PC104讀數據函數:

Unsigned char pcread(int port)

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

{}

return inportb(pcreadwrite);

}

單片機寫子程序:

MCUWR:MOV DPTR,#8000H

MOVX @DPTR,A

;等待PC104讀走數據

RET

4 結論

用CPLD實現單片機與ISA匯流排介面的并行通信,電路結構簡單、體積小,1片CPLD晶元足夠,並且控制方便,實時性強,通信效率高。本設計方法已成功地應用於作者開發的各種數據採集系統中,用作單片機與PC104之間的并行數據通信,效果非常理想。

 




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