8位單片機(jī)的16位外部總線擴(kuò)展與應(yīng)用

1 8位/16位總線時(shí)序分析

1.1 8位單片機(jī)總線時(shí)序

帶有外部總線的8位單片機(jī)有很多，如51系列，avr系列等，本文以w77e58為例，w77e58是winbond公司推出的增強(qiáng)型51單片機(jī)，工作時(shí)鐘最高為40m赫茲，在同樣的時(shí)鐘頻率下，w77e58指令速度是傳統(tǒng)51單片機(jī)的3倍；另外，w77e58對(duì)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址能力都為64kb。圖1中上半部分為讀時(shí)序，下半部分為寫時(shí)序。

以讀數(shù)據(jù)為例，p0、p2口輸出當(dāng)前地址，ale的下降沿鎖存低8位地址，高8位保持不變；而后，讀信號(hào)rd使能（低電平），外部設(shè)備把數(shù)據(jù)送到p0口，rd的上升沿把數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)。寫數(shù)據(jù)與此類似，不過數(shù)據(jù)方向相反，同時(shí)為保證數(shù)據(jù)能夠正確寫入外部設(shè)備，單片機(jī)在寫信號(hào)wr使能前把數(shù)據(jù)送到p0口，wr無效后須保持一定時(shí)間，從圖1中可以看出，單片機(jī)用p0口存取8位數(shù)據(jù)，p2口僅用于地址輸出。

1.2 ide硬盤總線時(shí)序

下面以ide硬盤為例來分析16位總線時(shí)序，圖2是ide硬盤的接口示意圖[1]，只標(biāo)出了與總線有關(guān)的信號(hào)線：dior/diow，讀/寫；dcs0/dcs1，片選；dd0－dd15，16位數(shù)據(jù)線；da0－da2，3位地址線。

ide硬盤是典型的16位總線設(shè)備。ide接口有兩個(gè)片選信號(hào)，dcs1用來尋址控制寄存器。默認(rèn)狀態(tài)下即可對(duì)ide硬盤進(jìn)行存取操作，故一般把該信號(hào)線直接連到高電平而只使用dcs0。其時(shí)序如圖3所示。

讀/寫周期開始時(shí)dior和diow均處于無效狀態(tài)，da0－da2連接到主機(jī)（在這里為單片機(jī)）的地址輸出。在收到讀請(qǐng)求（dior使能）后把數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)線上，主機(jī)利用dior的上升沿鎖存該數(shù)據(jù)；之后，硬盤控制器延時(shí)后釋放數(shù)據(jù)線，在接收寫請(qǐng)求時(shí)（diow使能），則讓數(shù)據(jù)線處于三態(tài)（tri－state），等待主機(jī)輸出數(shù)據(jù)，最后在diow的上升沿把數(shù)據(jù)寫入硬盤控制器，在diow上升沿之前，主機(jī)需把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。

對(duì)比圖1和圖3可知，總線時(shí)序基本一致，只是在數(shù)據(jù)線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)不同，但是，主機(jī)一條指令完成一個(gè)讀/寫周期，從外部設(shè)備到主機(jī)的16位數(shù)據(jù)在指令完成后不再有效；而從主機(jī)到外部設(shè)備的數(shù)據(jù)必須在指令完成前準(zhǔn)備好，因而要把8位總線擴(kuò)展成16位總線，必須要同時(shí)考慮讀/寫時(shí)數(shù)據(jù)的鎖存問題。

2 16位總線擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前面對(duì)總線時(shí)序的分析，采用如圖4所示的方法對(duì)8位總線進(jìn)行擴(kuò)展，使其滿足16位總線讀/寫。主要由以下兩部分組成：1片gal16v8（u5），實(shí)現(xiàn)片選信號(hào)的譯碼和其他信號(hào)的編碼；2片74hc573（u3、u4），實(shí)現(xiàn)高8位數(shù)據(jù)鎖存。cs1－cs4是a9－a15的譯碼輸出，可連接4個(gè)外部設(shè)備。地址范圍根據(jù)具體設(shè)備來設(shè)定，假設(shè)cs2上連接有16位總線設(shè)備：

這里“＆”表示“與”，“！”表示“非”，即rd和cs5同時(shí)有效時(shí)，le5有效；wr和cs6同時(shí)有效時(shí)，le6有效。注意：cs5和cs6有一部分地址空間與cs2重合，即選通cs2的同時(shí)，也同時(shí)會(huì)選通cs5或cs6。另外，通過外部設(shè)備地址線的連接，使得8000h－81ffh和8200h－83ffh尋址同一個(gè)位置，以圖2中的ide硬盤為例，da0－＞a0，da1－＞a1，da2－＞a2。

單片機(jī)寫16位數(shù)據(jù)時(shí)，執(zhí)行寫操作使cs6有效（尋址fe00h－ffffh），輸出高8位數(shù)據(jù)并鎖存到u4，然后執(zhí)行寫操作使cs2有效（尋址8200h－83ffh），p0口上的數(shù)據(jù)和u4鎖存的數(shù)據(jù)同步輸出，形成16位數(shù)據(jù)d0－d15，從而寫入外部設(shè)備。

單片機(jī)讀16位數(shù)據(jù)時(shí)，執(zhí)行讀操作使cs2有效（尋址8000h－81ffh），外部設(shè)備的低8位送至p0口，而高8位同時(shí)被u3鎖存，然后執(zhí)行讀操作使cs5有效（尋址fc00h－fdffh），u3鎖存的數(shù)據(jù)被送至p0口。

在上面的讀/寫過程中，雖然對(duì)cs2的尋址位置不同（讀為8000h－81ffh，寫為8200h－83ffh），但由于位置重合，故可對(duì)16位外部設(shè)備正確讀/寫。另外，如下單片機(jī)尋址連接到cs1、cs3、cs4上的8位設(shè)備，則由于u3和u4沒有選通，對(duì)其操作沒有任何影響。

從上面的實(shí)現(xiàn)可以看出，擴(kuò)展后的16位外部總線與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)只增加一條指令。本方法與常規(guī)的端口模擬方法的比較結(jié)果如表1所列。從表中可以看出，采用本方法后，傳輸速率是常規(guī)方法的3倍。

另外，上述擴(kuò)展方法還可以進(jìn)一步引申：1）若有未使用的i/o口（如w77e58的p1口），則可用來直接輸出高8位數(shù)據(jù)，從而可以去掉圖4中的u4；2）若對(duì)成本不太敏感，則可把圖4中的邏輯器件用cpld實(shí)現(xiàn)，從而使設(shè)計(jì)更為靈活，布線更為方便，結(jié)構(gòu)更為緊湊，基本實(shí)現(xiàn)原理仍然如圖4所示。

3 在車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

8位單片機(jī)擴(kuò)展16位外部總線的方法已應(yīng)用于車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，圖5為該系統(tǒng)的原理框圖。汽車廠商在開發(fā)新車型或者關(guān)鍵零部件升級(jí)時(shí)，必須經(jīng)過樣品試制、產(chǎn)品鑒定、小批試制和大批生產(chǎn)等必要階段。每個(gè)階段中，都伴隨著大量的可靠性試驗(yàn)，車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正是為這些試驗(yàn)而設(shè)計(jì)的。鑒于其特殊的使用條件，必須滿足如下基本要求：能夠進(jìn)行連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)采集、時(shí)間有可能是幾天或者一個(gè)月；因?yàn)橛锌赡芎芏嗯_(tái)車輛的試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，因而要求系統(tǒng)成本低且安全可靠，具有can總線數(shù)據(jù)采集接口。在圖5中，8位單片機(jī)上掛有3個(gè)8位總線器件（usb slave器件，ram和can總線器件）和1個(gè)16位總線接口設(shè)備（ide硬盤）。

單片機(jī)采用前面提到的w77e58；為保證較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，便于與外部串口設(shè)備（lcm顯示屏）通信，外部晶振頻率使用33m赫茲。

usb slave器件采用pdiusbd12，使用模塊化的方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)usb接口，本次設(shè)計(jì)通過該器件把ide硬盤映射成一個(gè)可移動(dòng)硬盤，從而實(shí)現(xiàn)了大容量存儲(chǔ)類（massstorage class）。

ram采用hy62wt08081e。該器件提供32kb的數(shù)據(jù)空間，用于數(shù)據(jù)采集以及fat32文件系統(tǒng)操作的緩存。

can總線接口器件采用sja1000＋tle6250的組合，sja1000是獨(dú)立的can控制器，用于汽車和工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò)，tle6250是針對(duì)汽車環(huán)境設(shè)計(jì)的can收發(fā)器。

ide硬盤使用經(jīng)過防震處理的工業(yè)用硬盤，也可使用cf卡加ide轉(zhuǎn)接線的方式。

圖6為車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡(jiǎn)要軟件流程圖。考慮到usb端口和can總線上的數(shù)據(jù)一般不會(huì)同時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求，故軟件采用查詢方式工作，主要包括以下幾部分：主流程、usb協(xié)議實(shí)現(xiàn)[2]、can總線數(shù)據(jù)[3]和其他車輛狀態(tài)信號(hào)采集，以及fat32協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

4 小結(jié)

本設(shè)計(jì)在8位單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)了16位外部總線，可對(duì)16位設(shè)備進(jìn)行高速存取，并且保留了原8位總線的功能，這種8位/16位總線共存的方式，較之端口模擬總線方式，極大地提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，該16位總線擴(kuò)展方式已成功應(yīng)用于車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在汽車的道路可靠性試驗(yàn)中，安裝了多套該系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)使用方便，工作穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)傳輸率高、完全滿足汽車動(dòng)態(tài)采集數(shù)據(jù)的需要，該16位總線的擴(kuò)展方式，可應(yīng)用于具有8位外部總線的單片機(jī)，在一定程度上，擴(kuò)大了該類單片機(jī)的使用范圍。