用CPLD實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與ISA總線并行通信

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(cè)延時(shí)，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(jì)。近年來(lái)，由于采用先進(jìn)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(gè)芯片就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(jì)、修改帶來(lái)很大方便[1]。本文以ALteRA公司的MAX7000系列為例，實(shí)現(xiàn)MCS51單片機(jī)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(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可以滿足與PC104ISA總線接口實(shí)時(shí)通信的要求，通信速率達(dá)200Kbps。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)用CLPD實(shí)現(xiàn)單片機(jī)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(shí)才能接收單片機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)，所以要求雙方通信的實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，但數(shù)據(jù)量不是很大。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中單片機(jī)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(jì)方案如圖1所示。

在圖1單片機(jī)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(hào)線，INT0是單片機(jī)的外部中斷。當(dāng)單片機(jī)的外部中斷信號(hào)有效時(shí)，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)。

在CPLD部分，由一片MAX7000系列中的EPM7128LSC84來(lái)實(shí)現(xiàn)，用來(lái)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(shí)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(duì)指定設(shè)備的讀寫信號(hào)；AEN是允許DMA控制地址總線、數(shù)據(jù)總線及讀寫命令線進(jìn)行DMA傳輸，及對(duì)存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備的讀寫；IOCHRDY是I/O就緒信號(hào)，I/O通道就緒為高，此時(shí)處理機(jī)產(chǎn)生的存儲(chǔ)器讀寫周期為4個(gè)時(shí)鐘周期，產(chǎn)生的I/O讀寫周期和DMA字節(jié)傳輸均需5個(gè)時(shí)鐘周期，MCS51通過(guò)置此信號(hào)為低電平來(lái)使CPU插入等待周期，從而延長(zhǎng)I/O周期；SYSCLK是系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，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(hào)。

2 基于MAX+plus II的硬件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)是用ALTERA公司的CPLD開發(fā)工具M(jìn)AX+plusII。它支持多種輸入方式，給設(shè)計(jì)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(kù)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(jī)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(jī)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(hào)；
PCWR ISA接口的寫有效信號(hào)；
判斷單片機(jī)已寫數(shù)據(jù)或讀走數(shù)據(jù)；
PCSTATE 單片機(jī)用此查詢ISA接口已取走數(shù)據(jù)；
MSCRD 單片機(jī)的讀有效信號(hào)；
MCSWR 單片機(jī)的寫有效信號(hào)；
INT0 單片機(jī)的外部中斷信號(hào)；

當(dāng)MCUWR信號(hào)有效后，單片機(jī)把數(shù)據(jù)鎖存于74LS374（1）中，此時(shí)，PCSTATE變?yōu)楦唠娖?。PC104用STATE信號(hào)選通74LS244來(lái)判斷數(shù)據(jù)位PCD0是否為高電平，如果為高，說(shuō)明單片機(jī)送來(lái)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(shí)，PCSTATE變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)通過(guò)判斷此信號(hào)為低電平來(lái)判定PC104已取走了數(shù)據(jù)，可以發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)。



當(dāng)PCWR信號(hào)有效后，PC104把數(shù)據(jù)鎖存于74LS374（2）中，此時(shí)，INT0變?yōu)榈碗婇c，單片機(jī)產(chǎn)生外部中斷，使MCSRD信號(hào)有效，從數(shù)據(jù)鎖存器74LS374（2）中取走裝飾，INT0變?yōu)楦唠娖健C104用STATE信號(hào)選通74LS244判斷數(shù)據(jù)位PCD1是否為高電平，如果為高電平，說(shuō)明單片機(jī)取走了數(shù)據(jù)，可以發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。

PC104與單片機(jī)進(jìn)行通信，最關(guān)鍵的就是速度匹配問(wèn)題。由于PC104的速度快，而單片機(jī)的速度較慢，所以，要在PC104的IOCHRDY處插入等待周期，如圖3所示。