單片機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線(MPS BUS)的研究及模板設(shè)計(jì)

1 、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)系統(tǒng)在生產(chǎn)、生活、工作等各個(gè)方面得以廣泛應(yīng)用。而研制各種單片機(jī)系統(tǒng)，總要進(jìn)行一些重復(fù)的軟硬設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)開發(fā)周期長(zhǎng)，造成人、財(cái)、物的浪費(fèi)。采用標(biāo)準(zhǔn)總線是一種提高開發(fā)效率、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的重要途徑。如果設(shè)計(jì)一種單片機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線，依照標(biāo)準(zhǔn)總線的接口設(shè)計(jì)出相應(yīng)的 CPU板、人機(jī)接口板、輸入輸出板等，同時(shí)提供相應(yīng)的軟件模塊。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，按照要求選取相應(yīng)的模板即可組成相應(yīng)的硬件系統(tǒng)。在軟件設(shè)計(jì)中，各模板的軟件設(shè)計(jì)可以調(diào)用各模板的軟件模塊。從而可將開發(fā)者的精力用于應(yīng)用系統(tǒng)功能的開發(fā)上。為此，本文介紹了基于MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線的設(shè)計(jì)。

2、單片機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線（MPS BUS）的制定原則及依據(jù)

在單片機(jī)的應(yīng)用中，80%是采用8位單片機(jī)。而在8位單片機(jī)中，MCS51系列單片機(jī)是使用最多的單片機(jī)。因此，本單片機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線是基于MCS51系列單片機(jī)及其兼容產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的。
總線就是各種信號(hào)線的集合，是計(jì)算機(jī)各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路。單片機(jī)系統(tǒng)總線則是單片機(jī)系統(tǒng)中各種功能模板之間的總線。單片機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線（MPS BUS - Macro Processer System stantand BUS）應(yīng)規(guī)定模板尺寸、總線連接器、總線各引腳安排、信號(hào)定義、電氣標(biāo)準(zhǔn)、讀寫時(shí)序和持續(xù)時(shí)間等參數(shù)。定時(shí)規(guī)范規(guī)定其讀寫時(shí)序，電氣規(guī)范則規(guī)定其電平標(biāo)準(zhǔn)。并且，定時(shí)規(guī)范和電氣規(guī)范應(yīng)符合單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。
2．1 邏輯規(guī)范的制定
單片機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線是單片機(jī)系統(tǒng)各部件之間的信息通路。應(yīng)包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、電源總線。單片機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線的制定要充分發(fā)揮51系列單片機(jī)的性能。51系列單片機(jī)共有40條線，P0口為數(shù)據(jù)和地址低8位復(fù)用口。系統(tǒng)總線應(yīng)將數(shù)據(jù)線和地址線分開，簡(jiǎn)化各模板的線路設(shè)計(jì)。因此,CPU板應(yīng)將 P0口通過數(shù)據(jù)鎖存器和地址鎖存器分為數(shù)據(jù)線和低8位地址線，并與單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線和低8位地址線對(duì)應(yīng)。P2口為高8位地址線，與單片機(jī)系統(tǒng)地址線高8 位對(duì)應(yīng)。因此，系統(tǒng)總線有8條數(shù)據(jù)線，16條地址線。
單片機(jī)的控制線含P3口及PSEN、ALE、RST。P3口包含了兩位通訊線，兩個(gè)中斷輸入，兩個(gè)定時(shí)輸入和兩個(gè)讀寫控制端。RXD表示串行輸入口；TXD表示串行輸出口；INT0表示外部中斷0；INT1表示外部中斷1；T0表示定時(shí)器0外部輸入；T1表示定時(shí)器1外部輸入；RD表示讀存儲(chǔ)器或輸入裝置，三態(tài)，低電平有效。RD信號(hào)由執(zhí)行任務(wù)的現(xiàn)行主發(fā)出，表示從存儲(chǔ)器或輸入端口讀取數(shù)據(jù)。被選通的輸入裝置或存儲(chǔ)器，用這個(gè)信號(hào)將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)RD由低向高電平跳變時(shí)，微處理器將獲取數(shù)據(jù)。WR表示寫存儲(chǔ)器或輸出裝置，三態(tài)，低電平有效。WR信號(hào)由現(xiàn)行主發(fā)出，表示總線上有或?qū)⒂袛?shù)據(jù)要寫入指定的存儲(chǔ)器或輸出裝置。當(dāng)WR由低向高電平跳變時(shí)，則完成數(shù)據(jù)的寫入操作。系統(tǒng)模板都應(yīng)具備 P3口的功能，系統(tǒng)總線包含P3口全部8條線。PSEN是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)需擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器模板時(shí)用此信號(hào)。當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE(允許地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低8位字節(jié)。因?yàn)?，系統(tǒng)總線已將數(shù)據(jù)和地址分開，ALE除在CPU板使用外，不再其它模板使用。但是，ALE端是以不變的頻率周期性的出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)。因此，應(yīng)在系統(tǒng)總線中加以保留。 RST表示復(fù)位，EA為使用內(nèi)部存儲(chǔ)器控制端，系統(tǒng)總線不必保留。
單片機(jī)的P1口用于I/O控制，同時(shí)，兼做地址空間超過64K時(shí)的地線線。一般情況下，用于I/O控制，因此，系統(tǒng)總線有8條控制線與之對(duì)應(yīng)。
標(biāo)準(zhǔn)總線中的電源總線應(yīng)包含各模板中常用的電源。CPU及其它數(shù)字電路需要5V電源，接口中的模擬電路一般為+12V及-12V電源。因此，在系統(tǒng)總線中，含+5V及數(shù)字地GND兩條線，+12V、-12V及模擬地AGND共4條線。
引腳的排列原則按電源、數(shù)據(jù)、地址、控制順序進(jìn)行，并與單片機(jī)的引腳順序相呼應(yīng)。
2．2 模板尺寸
一般的單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中，具有小型化、嵌入式、功能集中等特點(diǎn)。單片機(jī)系統(tǒng)的模板尺寸即要滿足應(yīng)用系統(tǒng)性能要求，又要滿足體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的要求。單片機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線模板采用小板結(jié)構(gòu)，它比STD總線模板尺寸還要小，與PC104模板相當(dāng)。與大板結(jié)構(gòu)相比，這種小板結(jié)構(gòu)在機(jī)械強(qiáng)度、抗震動(dòng)、抗老化和抗干擾方面優(yōu)越得多。小板結(jié)構(gòu)功能單一，組合靈活、硬件冗余小，減小了系統(tǒng)硬件開銷。
2．3 總線連接器
為了使系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)緊湊，模板之間采用疊層方式，總線連接器采用50針插頭及插座方式。

3、MPS BUS標(biāo)準(zhǔn)制定的基本方案

3．1 標(biāo)準(zhǔn)總線邏輯規(guī)范
單片機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線分為電源總線、數(shù)據(jù)總線、地址總線、輸入輸出總線和控制總線五部分。數(shù)據(jù)總線對(duì)應(yīng)MCS51的PO口；地址總線低8位由MCS51的 PO口擴(kuò)展而得，高8位與MCS51的P2口相對(duì)應(yīng)；控制總線對(duì)應(yīng)MCS51單片機(jī)的P3口及PSEN，ALT。總線引腳的定義如表1所示：
表1 單片機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線的定義及引腳分配

電源總線（引腳1~8）適應(yīng)邏輯及模擬電源的配電，邏輯電源為+5V，用于給CPU及數(shù)字集成芯片供電，對(duì)應(yīng)的地為數(shù)字地GND；模擬電源為+12V和-12V，用于給模擬器件供電，對(duì)應(yīng)的地為AGND。