用增強并口EPP協(xié)議擴展計算機的ISA接口

利用微機開發(fā)便攜式的數(shù)據(jù)采集、控制系統(tǒng)一直是微機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)者十分關(guān)心的課題。特別在是基于筆記本電腦的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，這一點顯得尤為重要。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)是針對臺式機或者工控機設(shè)計的，一般都做成了標準的插卡，如Ａ／Ｄ卡、Ｄ／Ａ卡、ＲＳ２３２擴展卡等等，用戶根據(jù)自己的實際需要選取合適的插卡，安裝在自己的計算機中，再編寫所需要的程序。但是在基于筆記本電腦的應(yīng)用系統(tǒng)中，由于其沒有擴展槽，如果用戶自己不再配一個擴展箱，就不能配置現(xiàn)成的插卡。擴展箱的主要功能是擴展筆記本電腦的各種外圍接口，即把筆記本電腦的功能擴展為與一個臺式機相同的功能。它需要單獨的電源供應(yīng)，體積比筆記本電腦本身大，又比筆記本重的多，價格在人民幣７０００～１００００元左右。如果能夠找到一種便捷的方法，為筆記本電腦提供一個標準的總線接口，如ＩＳＡ接口，那么現(xiàn)在市場上大部分的插卡都可以用在筆記本電腦上，不僅為用戶節(jié)約了一個擴展箱投資，而且還為用戶提供了更加廣闊的選擇余地。本文提出了解決該問題的一個完整的技術(shù)方案。

１ ＥＰＰ并口

最初的計算機并口只是為打印機設(shè)計的，數(shù)據(jù)只是單向傳輸。ＩＢＭ公司引進了ＰＳ／２設(shè)計后，并口開始支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，但是ＰＳ／２實際上并沒有成為一個為業(yè)界廣泛認可的雙向并口模式。１９９２年，由Ｉｎｔｅｌ、Ｘｉｃｏｍ和Ｚｅｎｉｔｈ公司共同制定了ＥＰＰ１．７標準。以后ＩＥＥＥ又發(fā)展了ＩＥＥＥ１２８４的ＥＰＰ標準。實際上ＥＰＰ的標準共有三個，即ＥＰＰ１．７、ＥＰＰ１．９和ＩＥＥＥ１２８４，這些標準并不完全兼容，特別是ＥＰＰ１．７和ＩＥＥＥ１２８４之間，不過這些對用戶的使用并沒有太大的影響。文獻[１]即是ＩＥＥＥ１２８４標準，其中規(guī)定了并口各種模式的詳細的時序圖，包括ＳＰＰ、ＰＳ／２、ＥＣＰ和ＥＰＰ模式。作者根據(jù)ＩＥＥＥ１２８４上規(guī)定的時序圖進行了時序設(shè)計，而計算機上提供的ＥＰＰ版本是ＥＰＰ１．７或ＥＰＰ１．９，實際使用中它們沒有不匹配的地方。

２ 用ＥＰＰ擴展ＩＳＡ接口的總體設(shè)計

計算機主板上一般有２～３個ＩＳＡ插槽，可以擴充一些ＩＳＡ插卡。大多數(shù)基于ＩＳＡ標準的微機數(shù)據(jù)采集和控制只用到了ＩＳＡ接口的數(shù)據(jù)線、地址線、ＡＥＮ、ＡＬＥ、＃ＩＯＲ、＃ＩＯＷ等信號，有的也用到了中斷和ＤＭＡ的信號。只要了解這些信號之間的時序關(guān)系，我們完全可以自己用邏輯器件“制造”出ＩＳＡ接口，文獻[２]介紹了用單片機擴展總線的技術(shù)，包括ＩＳＡ、ＳＴＤ總線等。作者曾經(jīng)用并口的ＳＰＰ模式和８０Ｃ１９６單片機擴展出了計算機的ＩＳＡ接口，但是ＩＯ讀寫速度只能達到２０ＫＢ／ｓ左右，總體的效果不太理想。ＥＣＰ和ＥＰＰ都能進行高速雙向數(shù)據(jù)通訊，但是ＥＣＰ的實現(xiàn)遠比ＥＰＰ復(fù)雜的多，其性能和ＥＰＰ卻大致相當(dāng)，所以最終的方案采用了ＥＰＰ模式。由于單片機是一個單任務(wù)的串行控制器，如果它只是用來擴展ＩＳＡ接口，那么可以達到比較高的速度；否則，ＩＳＡ總線的速度會大大降低，最后變得失去使用價值，所以最終的外設(shè)芯片不能采用單片機，只能采用ＤＳＰ或者大規(guī)模的可編程邏輯器件。作者選用了后一種方案。

用ＥＰＰ擴展ＩＳＡ口的硬件核心是一片可編程邏輯器件，如ＣＰＬＤ，它一方面負責(zé)與計算機通過ＥＰＰ協(xié)議進行雙向數(shù)據(jù)通訊，另一方面負責(zé)產(chǎn)生ＩＳＡ接口時序，系統(tǒng)體系相當(dāng)簡潔而高效，電路原理如圖１所示。ＥＰＰ的數(shù)據(jù)線Ｄ０～Ｄ７和信號線ｎＷｒｉｔｅ、ｎＤｓｔｒｂ、ｎＡｓｔｒｂ、ｎＩｎｉｔ、ｎＷａｉｔ、Ｉｎｔｒ直接與ＣＰＬＤ的雙向Ｉ／Ｏ線相連。另外，ＥＰＰ沒有定義標準并口的第１２、１３、１５三個引腳，這些引腳用戶可以靈活使用。電路圖上并口的第１３腳和ＣＰＬＤ連了起來，可以提供其他的功能。ＣＰＬＤ提供了ＩＳＡ接口的Ｄ０～Ｄ７，Ａ０～Ａ１５，ＡＬＥ，ＡＥＮ，＃ＩＯＲ，＃ＩＯＷ，ＩＲＱ、ＩＯＲＤＹ等信號。擴展的ＩＳＡ接口提供了１６根地址線，可以尋址６４Ｋ的ＩＯ空間，這比計算機所提供的ＩＯ空間（１Ｋ）大了許多倍。用戶可以專門設(shè)計具有６４Ｋ尋址能力的數(shù)據(jù)采集和控制板，也可以用只有１Ｋ尋址能力的數(shù)據(jù)采集和控制板，在這種情況下，地址線的高６位被忽略了，但這并不影響系統(tǒng)的正常使用。

３ 硬件操作方法

ＥＰＰ協(xié)議定義的并行口提供了四種傳送周期：數(shù)據(jù)寫周期、數(shù)據(jù)讀周期、地址寫周期和地址讀周期。數(shù)據(jù)周期一般用于計算機和外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送，地址周期一般用于傳送地址、通道、命令和控制等信息。實際上，數(shù)據(jù)周期和地址周期并沒有那么嚴格的界限，可以把地址周期看做另一種數(shù)據(jù)周期，二者并沒有太大的區(qū)別。圖２是ＥＰＰ數(shù)據(jù)寫周期的時序圖，圖中的ｎＩＯＷ信號實際上在進行ＥＰＰ數(shù)據(jù)寫時并不會產(chǎn)生，只不過是為了表示所有的操作都發(fā)生在一個ＩＯ周期內(nèi)，只有這樣，才能使ＥＰＰ獲得ＩＳＡ總線的數(shù)據(jù)操作速度。圖２中的ｎＤａｔａＳｔｒｏｂｅ信號如果換為ｎＡｄｄＳｔｒｏｂｅ信號，就是ＥＰＰ地址寫周期。圖３是ＥＰＰ地址讀周期，也是發(fā)生在一個ＩＯ周期內(nèi)。

ＥＰＰ定義了一個計算機用于控制外設(shè)初始化的信號：ｎＩｎｉｔ，如果用戶不希望控制外設(shè)的初始化，則可以不處理這個信號；用戶也可以挪用ｎＩｎｉｔ信號做其他的用途，在本設(shè)計方案的地址周期中，如果ｎＩｎｉｔ為高，則表示該地址對應(yīng)ＩＳＡ接口的高８位地址，否則，對應(yīng)低８位地址。用這種辦法解決了用８位的ＥＰＰ地址擴展１６位的ＩＳＡ地址的難題。實踐證明，這是一個方便實用的解決方法。

用ＥＰＰ擴展ＩＳＡ接口，最根本的任務(wù)是把ＥＰＰ的數(shù)據(jù)讀寫周期快速地轉(zhuǎn)化為ＩＳＡ的ＩＯ讀寫周期。在ＩＳＡ的時序中[３]，時鐘的頻率是４．７７ＭＨｚ，典型的一個ＩＳＡ周期要用４個時鐘周期，即大概１μｓ的時間。在ＥＰＰ的讀周期中，ＥＰＰ首先發(fā)出讀命令，然后等待ＩＳＡ的數(shù)據(jù)響應(yīng)，如果ＩＳＡ仍然以４個時鐘來進行ＩＯ讀操作，那么ＥＰＰ很有可能會由于超時而發(fā)生時序錯誤，數(shù)據(jù)也必然會錯。解決這個問題可以用提高ＩＳＡ接口的時鐘頻率的辦法，如提高到８ＭＨｚ甚至是１６ＭＨｚ，但是這樣的話ＩＳＡ卡可能會來不及響應(yīng)而發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤，所以這種方法不可??；另一種方法是改造ＩＳＡ接口的時序，使得既能滿足ＩＳＡ卡的時序要求，又不至于造成ＥＰＰ的超時錯誤。仔細分析ＩＳＡ的ＩＯ讀時序，ＣＰＵ在Ｔ１發(fā)出地址信號并發(fā)出ＡＬＥ信號，在Ｔ２發(fā)出讀命令，在Ｔ３采樣ＲＥＡＤＹ信號，以決定是否產(chǎn)生等待周期，如果不需要等待，則在Ｔ４讀取數(shù)據(jù)，完成整個讀周期?？梢园l(fā)現(xiàn)，對于本系統(tǒng)，Ｔ１周期是可以省略的，因為ＣＰＬＤ可以在ＥＰＰ的地址周期內(nèi)設(shè)定要尋址的ＩＯ地址，而沒有必要在ＩＳＡ周期內(nèi)再發(fā)送地址，這樣ＩＳＡ的ＩＯ讀周期就從４個時鐘減少到３個時鐘；如果可以保證ＩＳＡ卡設(shè)備可以在一個時鐘內(nèi)送出有效的數(shù)據(jù)，則Ｔ３也可以省略，這樣一個ＩＳＡ讀周期實際上只占用了兩個時鐘，不會造成ＥＰＰ的超時錯誤。對ＥＰＰ數(shù)據(jù)寫周期，因為ＣＰＬＤ可以先把數(shù)據(jù)寫到緩沖中，首先保證ＥＰＰ時序，再把數(shù)據(jù)從緩沖寫到ＩＳＡ設(shè)備中去，所以不會造成超時錯誤。ＩＳＡ的讀寫時序經(jīng)過這樣的簡化處理后，可以滿足ＩＳＡ設(shè)備和ＥＰＰ兩方面的時序要求。

４ ＣＰＬＤ的編程

系統(tǒng)選用的ＣＰＬＤ是ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＥＰ７０６４，它有６４個宏單元，１２５０個可用門，就可以完成ＥＰＰ和ＩＳＡ的接口任務(wù)。文獻[４]詳細介紹了ＡＬＴＥＲＡ公司的ＣＰＬＤ器件，在這里就不再介紹器件的性能和使用方法了。僅給出用ＶＨＤＬ語言寫的控制程序如下（部分信號的意義請參照前面的電路原理圖）。

Ｐｒｏｃｅｓｓ （ｃｌｋ）

Ｔｙｐｅ ＩＳＡＴｙｐｅ ｉｓ （Ｉｄｌｅ，ＲＤ，ＷＲ）；

Ｖａｒｉａｂｌｅ ＩＳＡ： ＩＳＡＴｙｐｅ；

Ｖａｒｉａｂｌｅ ＩＯＲ： ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ；

Ｖａｒｉａｂｌｅ ＩＯＷ： ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ；

Ｖａｒｉａｂｌｅ ＥＰＰＢｕｆ： ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ＿ＶＥＣＴＯＲ （７ ｄｏｗｎｔｏ ０）；

Ｂｅｇｉｎ

Ｃａｓｅ ＩＳＡ ｉｓ

Ｗｈｅｎ Ｉｄｌｅ ＝＞

Ｉｆ ＩＯＲ＝‘１’ ｔｈｅｎ

＃ＩＯＲＤ ＜＝ ‘０’；

ＩＯＲ＝‘０’；

ＩＳＡ ：＝ ＲＤ；

Ｅｌｓｅｉｆ ＩＯＷ＝‘１’ ｔｈｅｎ

＃ＩＯＷＲ ＜＝ ‘０’；

ＩＳＡＤａｔａＢｕｆ＜＝ＥＰＰＢｕｆ；

ＩＯＷ：＝‘０’；

ＩＳＡ：＝ＷＲ；

Ｅｎｄ ｉｆ；

Ｗｈｅｎ ＲＤ ＝＞

ＥＰＰＢｕｆ：＝ＩＳＡＤａｔａＢｕｓ；

＃ＩＯＲＤ＜＝‘１’；

ＩＳＡ：＝Ｉｄｌｅ；

Ｗｈｅｎ ＷＲ ＝＞

＃ＩＯＷＲ ＜＝‘１’；

ＩＳＡ：＝Ｉｄｌｅ；

Ｅｎｄ ｃａｓｅ；

Ｅｎｄ；

Ｅｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ；

５ 計算機對ＥＰＰ／ＩＳＡ的操作

計算機通過ＥＰＰ協(xié)議用ＣＰＬＤ擴展出ＩＳＡ接口，現(xiàn)有的ＩＳＡ卡就可以通過ＩＳＡ接口、ＣＰＬＤ和ＥＰＰ協(xié)議間接地連到了計算機上。對于ＩＳＡ卡的使用者而言，無論從硬件的角度還是從軟件的角度來看，都好象是這塊ＩＳＡ卡直接插在計算機的ＩＳＡ槽內(nèi)，其速度也完全能夠達到應(yīng)用的要求。ＥＰＰ協(xié)議的用戶編程接口是協(xié)議定義的幾個ＩＯ口地址。以并口基地址為３７８Ｈ為例，３７８Ｈ是ＳＰＰ數(shù)據(jù)口，３７９Ｈ是ＳＰＰ狀態(tài)口，３７ＡＨ是ＳＰＰ控制口，３７ＢＨ是ＥＰＰ地址口，３７ＣＨ是ＥＰＰ數(shù)據(jù)口。對ＩＳＡ卡的操作順序是：首先通過設(shè)置ｎＩｎｉｔ為高和寫ＥＰＰ地址口來設(shè)置ＩＳＡ卡的高８位地址，再通過設(shè)置ｎＩｎｉｔ為低和寫ＥＰＰ地址口來設(shè)置ＩＳＡ卡的低８位地址，就可以通過ＥＰＰ數(shù)據(jù)口對ＩＳＡ卡進行讀寫操作了。作者本人做出的系統(tǒng)對單一的地址進行操作時，寫操作的速度可以達到１０００～１２００ ＫＢ／ｓ，最高可以達到１３１０ＫＢ／ｓ，讀操作的速度可達８００～１１００ＫＢ／ｓ，完全能滿足數(shù)據(jù)采集和控制的要求。如果是對多個地址進行操作，由于設(shè)置地址要占用一個或者兩個ＥＰＰ地址周期，所以數(shù)據(jù)傳輸速度會有所損失。

６ 與其它通訊方案的比較

（１）ＲＳ２３２串口：最通用的一種連接方法。但是它支持數(shù)據(jù)傳輸速率最大為１０～２０ＫＢ／ｓ，對于一般的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)而言顯得有些慢。

（２）ＳＰＰ：數(shù)據(jù)通訊速度比串口快，可以達到１５０ ＫＢ／ｓ。但是ＳＰＰ用做數(shù)據(jù)輸入時很麻煩，用多次ＩＯ才能完成一次完整的數(shù)據(jù)讀取，速度要犧牲很多，況且外設(shè)的設(shè)計并不比ＥＰＰ簡單。所以，如果選擇了并口方案，就不能選擇ＳＰＰ模式，除非用戶僅僅是做數(shù)據(jù)輸出并且對速度沒有很高的要求。

（３）ＥＣＰ：與ＥＰＰ相比ＥＣＰ最大的優(yōu)勢是它支持ＤＭＡ操作，如果系統(tǒng)工作時有大批量的數(shù)據(jù)要傳輸，用ＥＣＰ模式可以大大減輕計算機ＣＰＵ的負擔(dān)，提高系統(tǒng)的整體性能。但是獲得ＥＣＰ的高性能的代價是必須重新設(shè)計比ＥＰＰ復(fù)雜得多的接口軟件（指ＣＰＬＤ的控制軟件），同時計算機軟件方面還必須要編寫硬件驅(qū)動程序，這對于一般的計算機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)者而言還是一個不小的困難。

（４）ＰＣＭＣＩＡ（ｔｈｅ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃａｒｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）：發(fā)展了信用卡大小的外設(shè)與ＰＣ機連接的標準。最初，ＰＣＭＣＩＡ標準僅對于內(nèi)存卡，現(xiàn)在已擴展到Ｉ／Ｏ設(shè)備。數(shù)據(jù)能以最大５ＭＢ／ｓ的速率傳輸。但ＰＣＭＣＩＡ卡不支持ＤＭＡ，這就增加了數(shù)據(jù)采集和ＣＰＵ處理之間的時間。因而，目前的ＰＣＭＣＩＡ Ｉ／Ｏ卡需大容量緩存。ＰＣＭＣＩＡ設(shè)備的另一缺點是尺寸太?。ㄗ畲蟪叽纾福叮恚?times;５４ｍｍ×１０ｍｍ），不能用于控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的一些模擬電路部分。

（５）ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）：支持１２Ｍｂｐｓ的數(shù)據(jù)傳輸速度，支持１２７個外圍設(shè)備，支持ＰＮＰ（Ｐｌｕｇ ａｎｄ Ｐｌａｙ），支持熱插拔，并且總線本身可以提供用戶系統(tǒng)電源。信號傳輸采用差分方式，可以抑制比較強的共模干擾。ＵＳＢ具有很大的發(fā)展前途。在未來的計算機上，可能不再提供ＲＳ２３２串口，可能不再提供并口，但絕對不可能沒有ＵＳＢ接口。ＵＳＢ的使用不象并口那樣簡潔，它必須要有專用的接口芯片的支持才能用在系統(tǒng)中。不少芯片商已經(jīng)提供了ＵＳＢ的產(chǎn)品，如ＵＳＢ ＨＵＢ、ＵＳＢ接口、ＵＳＢ單片機等等。當(dāng)然用戶自己也可以把ＵＳＢ協(xié)議寫到ＰＬＤ芯片中去，使接口和系統(tǒng)融為一體。

綜上所述，采用ＥＰＰ擴展計算機的ＩＳＡ接口是一種新穎的計算機外設(shè)設(shè)計方案，它具有非常高的性能價格比，能夠達到絕大多數(shù)基于ＩＳＡ接口的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的通訊速度要求。這種方案大大擴展了筆記本電腦對于ＩＳＡ接口設(shè)備的適應(yīng)能力，省去了用戶對擴展箱的需求。僅僅改寫該系統(tǒng)的ＣＰＬＤ程序和計算機的控制程序就可以提供新的功能，如做成雙ＩＳＡ接口系統(tǒng)，或者改造成ＳＴＤ、ＳＴＥ總線系統(tǒng)等等，而系統(tǒng)的硬件不需做任何的改動。ＥＰＰ的確是一種有前景的實用接口技術(shù)，值得微機外設(shè)設(shè)計者和使用者采用。