利用ispLSI實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)間的通信

單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開發(fā)方便，能夠滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域的需求，在工業(yè)控制及自動(dòng)化裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。它既可以單獨(dú)使用，也可以多片協(xié)同工作或作為計(jì)算機(jī)的信號(hào)預(yù)處理器，在這種情況下，通信問題就成了限制系統(tǒng)性能的瓶頸。通常使用的通信方式有串行和并行兩種，串行方式硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但數(shù)據(jù)傳輸速率低，不適合大批量數(shù)據(jù)的傳送；并行方式下使用最多的中斷方式，以期提高CPU效率。但中斷方式也存在不少問題，除了具體的中斷服務(wù)外，保護(hù)、恢復(fù)斷點(diǎn)和寄存器的內(nèi)容、查取中斷向量等也占用不少CPU時(shí)間，如果數(shù)據(jù)較長(zhǎng)，傳送一組數(shù)據(jù)CPU會(huì)被多次中斷，大量的斷點(diǎn)和寄存器的保護(hù)、恢復(fù)等工作特別影響CPU 效率。為了解決這一問題，本文提出了一種新的通信方式，稱之為中斷查詢方式，并利用在系統(tǒng)可編程邏輯器件 ispLIS1016實(shí)現(xiàn)了通信接口。

1　通信原理　　

中斷查詢方式的實(shí)質(zhì)是中斷方式和查詢方式的結(jié)合：通信雙方由中斷方式進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)，之后雙方在中斷內(nèi)利用查詢方式完成數(shù)據(jù)傳送，直至一組數(shù)據(jù)傳送完畢，各自退出中斷服務(wù)。

基于這種方式，通信接口應(yīng)具有數(shù)據(jù)鎖存、狀態(tài)控制和中斷產(chǎn)生等功能。如圖1—1所示為接口框圖，數(shù)據(jù)鎖存由鎖存器m和鎖存器s完成，分別鎖存送往主計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的數(shù)據(jù)；中斷和狀態(tài)信號(hào)由狀態(tài)控制器形成，包括中斷信號(hào)（INTm和INTs），數(shù)據(jù)鎖存器m滿（FULLm）、鎖存器s滿（FULLs），以及數(shù)據(jù)傳送完畢（ENDm和ENDs）等狀態(tài)，供通信雙方查詢；通信數(shù)據(jù)和各狀態(tài)信號(hào)均通過數(shù)據(jù)總線傳送，通信雙方讀數(shù)據(jù)還是讀狀態(tài)由各自的地址譯碼器控制，通過數(shù)據(jù)選擇器選擇；數(shù)據(jù)的三態(tài)輸出由數(shù)據(jù)緩沖器實(shí)現(xiàn)。我們以計(jì)算機(jī)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)為例說明數(shù)據(jù)傳送過程：當(dāng)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)寫入鎖存器s時(shí)，狀態(tài)控制器產(chǎn)生一中斷請(qǐng)求信號(hào)INTs，并置狀態(tài)FULLs＝1、ENDs＝0；單片機(jī)響應(yīng)中斷后便利用查詢方式接收數(shù)據(jù)，查詢狀態(tài)信息FULLs和ENDs，每次FULLs＝1時(shí)讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，同時(shí)該讀信號(hào)通過狀態(tài)控制器使FULLs清0，并產(chǎn)生中斷信號(hào)INTm；由于處于發(fā)送狀態(tài)，計(jì)算機(jī)進(jìn)入中斷后，先檢查 FULLs，等待FULLs＝0后向數(shù)據(jù)鎖存器s寫數(shù)據(jù)（僅為利用該寫信號(hào)）將ENDs置位并退出中斷，單片機(jī)查到FULLs＝0但ENDs＝1后停止接收數(shù)據(jù)也退出中斷，一次通信完成。

可見，利用這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，無(wú)論數(shù)據(jù)量多大，每次數(shù)據(jù)傳送過程中CPU只響應(yīng)一次中斷，與單一的中斷方式比較，節(jié)約了CPU的中斷響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于大批量數(shù)據(jù)的傳送，不僅效率高，而且數(shù)據(jù)量可任意改變，使用非常靈活。

2　接口功能的實(shí)現(xiàn)　　

由圖1—1所示的框圖可以看出，上述中斷查詢接口不僅需要具有鎖存器和緩沖器的數(shù)據(jù)通道，還要有中斷、狀態(tài)控制及地址譯碼和數(shù)據(jù)選擇邏輯，電路是比較復(fù)雜的。但是，可編程邏輯器件和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的出現(xiàn)，使得復(fù)雜電路可在單片可編程邏輯器件上實(shí)現(xiàn)，不僅使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，而且使硬件設(shè)計(jì)象軟件一樣易于修改。針對(duì)前述中斷查詢接口，我們采用LATTICE的在系統(tǒng)可編程邏輯器件is－pLSI1016實(shí)現(xiàn)其功能。這樣，該接口的設(shè)計(jì)就轉(zhuǎn)化為對(duì)其電路描述文件的設(shè)計(jì)，可以采用原理圖或 HDL硬件描述語(yǔ)言。與原理圖比較，硬件描述語(yǔ)言不僅設(shè)計(jì)、閱讀和保存方便，而且易于仿真和進(jìn)行邏輯綜合，更適合對(duì)復(fù)雜電路的描述。因此我們采用 ABEL－HDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在Synario環(huán)境中，對(duì)選定的器件加入ABEL－HDL資源文件，輸入相應(yīng)的模塊名和文件名后，便可打開ABEL－HDL語(yǔ)言編輯窗口［2］。

利用ABEL語(yǔ)言進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于各信號(hào)的定義和相應(yīng)的邏輯描述。就前述接口而言，地址總線、數(shù)據(jù)總線、讀、寫及中斷信號(hào)均直接與通信雙方的 CPU相連，顯然應(yīng)定義為引腳（pin）；而數(shù)據(jù)鎖存器及各狀態(tài)信號(hào)通過數(shù)據(jù)選擇器與數(shù)據(jù)總線相聯(lián)，故為節(jié)點(diǎn)（node），如表2—1所示。其中，A、 D、RD、WR、Q分別表示地址線、數(shù)據(jù)線、讀、寫及數(shù)據(jù)鎖存器輸出信號(hào)，下標(biāo)m和s分別表示主計(jì)算機(jī)和單片機(jī)；表中將數(shù)據(jù)輸出定義為緩沖器（buffer）是為了直接利用ispLSI1016各I／O腳的三態(tài)輸出功能，以省去圖1—1中的數(shù)據(jù)緩沖器。另外，狀態(tài)信號(hào)FULL和END應(yīng)為具有異步清零和置位功能的寄存器，以存貯數(shù)據(jù)交換過程中相應(yīng)的狀態(tài)信息，但是在可編程邏輯器件中設(shè)計(jì)異步控制是復(fù)雜和浪費(fèi)資源的，本文將它們?cè)O(shè)計(jì)為基本的RS 觸發(fā)器，故定義了相應(yīng)的反向輸出節(jié)點(diǎn)FUL1和EN1。

ABEL語(yǔ)言設(shè)計(jì)文件中各信號(hào)的邏輯關(guān)系可以多種方式給出，本設(shè)計(jì)主要采用寄存器和RS觸發(fā)器等，故以采用邏輯方程為宜。由前述接口原理可以看出，該接口的通信雙方均需3個(gè)端口：數(shù)據(jù)輸入／輸出口、狀態(tài)口及END信號(hào)置位口。設(shè)主計(jì)算機(jī)對(duì)應(yīng)的口地址為300H、308H和310H，單片機(jī)的3個(gè)口地址分別為8000H、8010H和8020H，對(duì)照?qǐng)D1—1所示的框圖和接口的工作原理，電路的ABEL語(yǔ)言方程可以按功能塊給出。

數(shù)據(jù)鎖存器是數(shù)據(jù)可靠傳送的基礎(chǔ)，對(duì)主計(jì)算機(jī)而言，向300H單元寫入數(shù)據(jù)就是將數(shù)據(jù)寫入鎖存器s中，也就是說鎖存器s的輸入信號(hào)為主計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)總線，時(shí)鐘為主計(jì)算機(jī)對(duì)300H單元的寫信號(hào)，對(duì)應(yīng)的ABEL語(yǔ)言方程可表示為：

線和數(shù)據(jù)線的集合。為減少系統(tǒng)的片外接線，式（2—1）將鎖存器Qs的輸入定義為三態(tài)數(shù)據(jù)輸出的引腳（．pin），在保證接口功能的前提下，實(shí)現(xiàn)了在is－pLSI1016片內(nèi)Qs輸入端與數(shù)據(jù)總線的連接。

數(shù)據(jù)選擇器根據(jù)通信雙方對(duì)不同地址的讀取選擇不同信號(hào)，其ABEL語(yǔ)言方程為：
Ds．oe＝！RDs＆（（ADRs＝＝＾h8000）＃（ADRs＝＝＾h8010））；（2—3）
when（ADRs＝＝＾h8000）then Ds＝Qs；else when（ADRs＝＝＾h8010）then Ds＝STs； （2—4）

式中，STs＝［FULLs，F(xiàn)ULLm，ENDs，ENDm，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x］，12個(gè)任意值x的引入是為了使STs與數(shù)據(jù)總線寬度匹配。由于省去了圖1—1的數(shù)據(jù)緩沖器，數(shù)據(jù)選擇器的輸出即為數(shù)據(jù)總線，故其三態(tài)控制端為單片機(jī)讀數(shù)據(jù)（8000H）和讀狀態(tài)（8010H）信號(hào)的“或”信號(hào)。

狀態(tài)信號(hào)是數(shù)據(jù)正確傳送的保證，也是通信雙方讀寫數(shù)據(jù)的依據(jù)。從時(shí)序上講，F(xiàn)ULLs的置位和清零由Qs的寫信號(hào)和讀信號(hào)觸發(fā)，即FULLs由方程（2—5）和（2—6）確定：
！FULLs＝（?。ˋDRm＝＝＾h300）＃WRm）＆　　FUL1s；（2—5）
！FUL1s＝（?。ˋDRs＝＝＾h8000）＃RDs）＆　　FULLs；（2—6）
其中FUL1s為FULLs的反相輸出端。ENDs的清零與FULLs的置位同時(shí)產(chǎn)生，但其置位必須由主計(jì)算機(jī)寫310H單元觸發(fā)，故ENDs的ABEL語(yǔ)言方程為：
！ENDs＝（?。ˋDRm＝＝＾h310）＃WRm）＆EN1s；
（2—7）
！EN1s＝（?。ˋDRm＝＝＾h300）＃WRm）＆ENDs；　　

顯然，無(wú)論是主計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)寫入Qs，還是主計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)從Qm中讀走，INTs都應(yīng)置位，因此INTs＝FULLs＋FULLm，但這樣若FULLm為零則INTs將始終為1，無(wú)法產(chǎn)生中斷。為解決這一問題，我們將INTs的方程寫為：

INTs＝FULLs＃?。‵ULLm＃ENDm）；（2—9）

使其在ENDm為零時(shí)按INTs＝FULLs＋FULLm運(yùn)算，只要由軟件上控制，保證每次通信前雙方的狀態(tài)為：ENDs＝ENDm＝1，F(xiàn)ULLs＝FULLm＝0，即可實(shí)現(xiàn)正確的中斷和通信。顯然，利用同樣的方法不難寫出主計(jì)算機(jī)一方各信號(hào)的邏輯關(guān)系，本文不再累述。

通過以上設(shè)計(jì)，我們實(shí)現(xiàn)了主計(jì)算機(jī)與多個(gè)80C196單片機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信，將各80C196系統(tǒng)置于主計(jì)算機(jī)的總線擴(kuò)展槽中，使整個(gè)系統(tǒng)不僅通信速度快，而且性能穩(wěn)定可靠，效果良好。

［參考文獻(xiàn)］
［1］　劉樂善等．微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)原理及使用．華中理工大學(xué)出版社，1996．3
［2］　黃正瑾．在系統(tǒng)編程技術(shù)及其應(yīng)用［M］．東南大學(xué)出版社，1997．8