用68HC908GP32單片機實現(xiàn)EPP增強并口的接口技術

　　摘要：本文介紹了計算機并口的幾種操作模式，給出了實現(xiàn)EPP接口設計的幾種方案；著重介紹用Motorola公司的68HC908GP32單片機實現(xiàn)EPP接口設計，并給出了一個GP32單片機實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方案。

　　關鍵詞：EPP 增強并口 單片機 68HC908GP32

一、計算機并口操作模式概述

1.SPP模式

　　SPP（Standard Parallel Port）模式即標準并口模式，是為打印輸出而設計的。數(shù)據(jù)由計算機單向輸出，不能用數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)輸入，要做數(shù)據(jù)輸入只能利用狀態(tài)線。并口狀態(tài)線只有5根，所以每個字節(jié)要分兩次輸入，再拼裝為一個完整的字節(jié)。SPP模式速度較低，對硬件的要求不高，適用于低速的應用場合，如打印機、軟件狗等。

2.PS/2模式

　　IBM公司引進了PS/2設計后開始支持并口的雙向數(shù)據(jù)傳輸。PS/2模式和SPP模式兼容。它沒有改變標準并口的信號定義，也沒有改變并口接插件的引腳定義，而是通過一個方向控制位來設置并口的數(shù)據(jù)方向：如果設置為輸出，PS/2模式就和SPP模式完全相同；如果設置為輸入，則從并口數(shù)據(jù)線上每次可以讀取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。同時，PS/2模式的總線控制功能提高了并口的速度。

　　無論是SPP模式還是PS/2模式，數(shù)據(jù)通信信度都不高。原因在于并口本身的I/O速度不高（只有100～400KB/s）。另一方面，每次數(shù)據(jù)傳輸都要通過I/O操作進行軟件數(shù)據(jù)交換。通常情況下，一次互鎖數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)傳輸至少需要5次I/O操作，才能保證進序的完整性。這兩方面因素使SPP模式和PS/2模式只能用于速度較低的應用領域。

3.EPP模式

　　EPP（Enhanced Parallel Port）增強并口模式支持并口和外設間的雙向數(shù)據(jù)交換，速度能夠達到1～2MB/s。增強并口通過精密的邏輯界面和明確定義的電氣參數(shù)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜏蚀_性。

4.ECP模式

　　ECP（Extended Capabilities Port）模式，即擴展功能和模式，其性能更高。ECP模式有16個字節(jié)的FIFO，并且支持DMA功能。在不降低系統(tǒng)性能的前提下減輕計算機CPU的負擔，提高了應用系統(tǒng)的整體性能。更為重要的是，ECP模式把其他幾種并口模式都納入了ECP模式的定義中。ECP模式定義了ECR擴展控制寄存器，可以把并口的操作模式設置為SPP，PS/2，EPP或者ECP，從而構(gòu)成一個完整的并口系統(tǒng)。

　　SPP模式、PS/2模式和EPP模式都是主從式結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸雙方是一種不對等的關系。數(shù)據(jù)傳輸只能由計算機來啟動，外設不能啟動數(shù)據(jù)傳輸。如果外設要進行數(shù)據(jù)傳輸，它只能向計算機提出中斷申請，然后由計算機啟動數(shù)據(jù)傳輸。ECP模式則不是主從式結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p方都可以啟動數(shù)據(jù)傳輸。ECP模式可以用于計算機之間的互聯(lián)，而EPP模式則不能。

　　雖然ECP并口模式的性能比EPP高，但是ECP模式不太容易實現(xiàn)，大部分的設計者都采用了EPP模式來設計自己的應用系統(tǒng)。EPP模式比ECP模式更簡潔，靈活，可靠，在工業(yè)界得到了更多的實際應用。

二、EPP增強并口的實現(xiàn)方案

1.EPP增益并口時序

　　EPP協(xié)議定義了4種并口周期：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)周期用于計算機和外設間傳送數(shù)據(jù)；地址周期用于傳送地址、通道、命令、控制和狀態(tài)等輔助信息。圖1是EPP數(shù)據(jù)寫的時序圖，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，只不過是表示所有的操作都發(fā)生在一個I/O周期內(nèi)。在t1時刻，計算機檢測nWAIT信號，如果nWAIT為低，則表明外設已經(jīng)準備好，可以啟動一個EPP周期了。在t2時刻，計算機把nWRITE信號置為低，表明是寫周期，同時驅(qū)動數(shù)據(jù)線。在t3時刻，計算機把nDataStrobe信號置為低，表明是數(shù)據(jù)周期。外設在檢測到nDataStrobe為低后讀取數(shù)據(jù)并做相應的數(shù)據(jù)處理。在t4時刻把nWAIT置為高，表明已經(jīng)讀取數(shù)據(jù)，計算機可以結(jié)束該EPP周期。在t5和t6時刻，計算機把nDataStrobe和nWRITE置為高。這樣，一個完整的EPP數(shù)據(jù)寫周期就完成了。圖1中的nDataStrobe信號如果換為nAddStrobe信號，就是EPP地址寫周期。圖2是EPP地址讀周期。與EPP寫周期類似，只不過是由外設來驅(qū)動數(shù)據(jù)線。

　　EPP時序還包括初始化、中斷申請等，可以查閱參考文獻1獲得詳細的時序圖及時序說明。

2.EPP增益并口的邏輯界面

　　EPP增強并口模式使用與標準并口模式相同的基地址，定義了8個I/O地址。基地址+0是SPP數(shù)據(jù)口，基地址+1是SPP狀態(tài)口，基地址+2是SPP控制口。這3個口實際上就是SPP模式下的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制口，這樣保證了EPP模式和SPP模式的軟硬件兼容性。

　　基地址+3是EPP地址口，向這個I/O口中寫數(shù)據(jù)將產(chǎn)生一個連鎖的EPP地址寫周期，從這個I/O口中讀數(shù)據(jù)將產(chǎn)生一個連鎖的EPP地址讀周期。在不同的EPP應用系統(tǒng)中，EPP地址口可以根據(jù)實際需要設計為設備選擇、通道選擇、控制寄存器、狀態(tài)信息等，給EPP應用系統(tǒng)提供了極大的靈活性。

　　基地址+4是EPP數(shù)據(jù)口，向這個I/O口中寫數(shù)據(jù)將產(chǎn)生一個連鎖的EPP數(shù)據(jù)寫周期，從這個I/O口讀數(shù)據(jù)將產(chǎn)生一個連鎖的EPP數(shù)據(jù)讀周期?；刂?5～+7與基地址+4一起提供地EPP數(shù)據(jù)口的雙字操作能力。EPP允許主機在1個時鐘周期內(nèi)寫1個32位雙字，EPP電路再把32位雙字拆為4個字節(jié)依次從EPP數(shù)據(jù)口中送出去。也可以用16位字方式進行數(shù)據(jù)傳送。

3.EPP增強并口外設的硬件實現(xiàn)方案

　　EPP增強并口的速度可以達到1～2MB/s，這對外設的接口設計提出了一個很高的要求。如果外設響應太慢，則系統(tǒng)的整體性能將大大下降。EPP接口設計方案是整個EPP應用系統(tǒng)整體性能的關鍵。

（1）門電路實現(xiàn)

　　這種實現(xiàn)方案可以實現(xiàn)基本的接口，但是無法對地址周期作出具體的處理。門電路實現(xiàn)方案的最大缺點是缺乏基本的靈活性，并且沒有任何的保密措施。設計方案的任何改動都要重新設計整個接口系統(tǒng)。因此，不推薦使用這種實現(xiàn)方案。

（2）可編程邏輯器件實現(xiàn)

　　用戶可編程邏輯器件如FPGA和CPLD可以實現(xiàn)EPP增強并口的接口設計。這種實現(xiàn)方案可以達到并口的速度極限，并且提供了很大的靈活性。FPGA容量大、功耗低、寄存器資源豐富，可以把EPP應用系統(tǒng)的其他復雜接口和控制都做在一個芯片中。缺點是每次使用前FPGA都需要配置，并且FPGA抗干擾能力差，在惡劣的環(huán)境中容易丟失配置信息。CPLD容量較小，功耗較大，寄存器資源匱乏，可以實現(xiàn)EPP接口及一些不太復雜的接口和控制功能。CPLD用EEPROM或者FLASH來保存配置信息，掉電不丟失?？删幊踢壿嬈骷荅PP應用系統(tǒng)優(yōu)先選用的實現(xiàn)方案。

（3）DSP實現(xiàn)

　　DSP的指令周期短，CPU運行速度快，也可以用來實現(xiàn)EPP增強并口的接口設計。但是DSP本身是用來做運算的，接口控制指令的運行效率不高，接口速度不如可編程邏輯器件實現(xiàn)方案的速度。如果EPP應用系統(tǒng)要求有比較強的運算能力，用DSP來實現(xiàn)整個應用系統(tǒng)的接口和運算功能是一個比較合適的選擇。

（4）單片機實現(xiàn)

　　用單片機來實現(xiàn)EPP接口似乎有些不可思議，因為單片機的速度比較慢，并且指令的執(zhí)行是串行的，不能像CPLD或者FPGA那樣把一個大任務分成幾個獨立的小任務并行處理。作者原來一直用可編程邏輯器件實現(xiàn)EPP接口設計，認為單片機不可能實現(xiàn)EPP接口設計。在了解了Motorola公司的68HC908GP32（簡稱GP32）單片機卓越的超頻性能后才用GP32單片機實現(xiàn)EPP接口設計。實踐表明，GP32單片機可以很好地完成EPP接口任務，性能完全能夠滿足計算機和外設雙方的要求。GP32單片機豐富的外高和高效率的I/O指令系統(tǒng)彌補了速度慢的不足。如果考慮一個EPP應用系統(tǒng)的整體功能，用單片機來實現(xiàn)接口和控制功能是性價比最高的實現(xiàn)方案。

三、用68HC908GP32單片機實現(xiàn)EPP接口設計

1.68HC908GP32單片機功能概述

　　68HC908GP32是Motorola公司1999年推出的68HC08系列單片機。GP32采用68HC08CPU，其性能是68HC05CPU的5～10倍。GP32有32KB的FLASH閃速存儲器，具有在線編程能力和超強的保密功能；有512字節(jié)的RAM、增強型串行通信口SCI、串行外設接口SPI；有兩個16位雙通道定時器接口，每個通道可以選擇為輸入捕獲、輸出比較或PWM，其定時時鐘可為內(nèi)部總線的1，2，4，8，16，32和64分頻；有8路8位A/D轉(zhuǎn)換器、8位鍵盤喚醒口、29根通用I/O引腳。系統(tǒng)保護特性為：計算機工作正常（COP）復位、低壓檢測復位、非法指令檢測復位及非法地址檢測復位。

2.GP32的時鐘發(fā)生模塊

　　GP32有時鐘發(fā)生模塊，利用32kHz晶振和片內(nèi)PLL（鎖相環(huán)）電路可以產(chǎn)生高達19.5MHz的工作頻率。一般的單片機不能超頻運行，否則會因為讀代碼錯誤、代碼運行錯誤、芯片發(fā)熱等因素導致芯片不能正常運行，頻繁死機，甚至會燒毀芯片。GP32的CPU正常情況工作在8MHz頻率下，但是在2.4倍額定頻率下還能夠穩(wěn)定運行。作者做過一個實驗，GP32工作在19.5MHz下，在實驗室環(huán)境中穩(wěn)定運行了90h，在電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗室的直流發(fā)電機電刷附近穩(wěn)定運行了90min，運行過程中沒有出現(xiàn)過意外的死機現(xiàn)象。實驗表明，GP32單片機是可以長期超頻工作的。

3.用GP32單片機實現(xiàn)EPP增強并口的接口設計

　　EPP增強并口定義了8根數(shù)據(jù)線、2根狀態(tài)線和3根控制線。用GP32的雙向I/O線可以直接和EPP的信號線相連，GP32單片機有足夠的驅(qū)動能力來驅(qū)動并口信號。

　　軟件設計是用GP32單片機實現(xiàn)EPP接口設計的關鍵。為了保證通信速度，必須對GP32單片機的指令進行優(yōu)化，選擇那些執(zhí)行速度快的指令；同時采用合理的數(shù)據(jù)流控制方法，既要保證通信的快速性，又要保證通信數(shù)據(jù)的正確性。例如，以數(shù)據(jù)包的方式傳送大批量的數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)包為單位處理數(shù)據(jù)。

　　在19.5MHz的工作頻率下，GP32實現(xiàn)的EPP增強并口可以達到400KB/s的通信速度。如果降低GP32的工作頻率，則通信速度成比例地降低，但是最低不能低于100B/s，否則會因外設響應太慢而導致通信失敗。

四、用GP32單片機實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集板

　　GP32單片機有8路8位的AD轉(zhuǎn)換器，可以勝任一些要求低采樣速度、低分辨率的應用場合。作者設計了一個采用GP32單片機實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，電路圖如圖3所示。U1是GP32單片機，JAD是模擬信號輸入接口，PARAPORT是并口，C1，C2，C3，X1，RB是Rs一起構(gòu)成了GP32單片機鎖相環(huán)電路。

　　通過計算機可以設置A/D轉(zhuǎn)換的通道、啟動條件，能夠啟動或者停止A/D采樣。GP32有512字節(jié)的片內(nèi)RAM，其中的384字節(jié)設定為A/D轉(zhuǎn)換的緩沖器，其余的RAM用做堆棧和變量。如果A/D轉(zhuǎn)換緩沖器已經(jīng)滿256字節(jié)，則GP32單片機向計算機發(fā)送一個中斷，計算機用EPP并口協(xié)議讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。

　　計算機中由一個硬件驅(qū)動程序來處理并口的硬件中斷。驅(qū)動程序在并口中斷服務程序中通過EPP并口讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，并且向RING3的應用程序發(fā)送消息通知應用程序讀取數(shù)據(jù)。應用程序?qū)?shù)據(jù)做進一步的分析和處理，如圖形顯示、數(shù)據(jù)文件的存取等。