基于CPLD的單片機與ISA總線接口的并行通信設計

　　摘要：介紹了用ALTERA公司MAX7000系列CPLD芯片實現(xiàn)單片機與PC104ISA總線接口之間的關行通信。給出了系統(tǒng)設計方法及程序源代碼。

　　關鍵詞：CPLD ISA總線 并行通信

　　CPLD(Complex Programmable Logic Device)是一種復雜的用戶可編程邏輯器件，由于采用連續(xù)連接結構，易于預測延時，從而使電路仿真更加準確。CPLD是標準的大規(guī)模集成電路產(chǎn)品，可用于各種數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設計。近年來，由于采用先進的集成工藝和大指量生產(chǎn)，CPLD器件成本不斷下降，集成密度、速度和性能大幅度提高，一個芯片就可以實現(xiàn)一個復雜的數(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，給設計修改帶來很大方便[1]。本文以 ALTERA公司的MAX7000系列為例，實現(xiàn)MCS51單片機與PC104ISA總線接口的并行通信。采用這種通信方式，數(shù)據(jù)傳輸準確高速，在 12MHz晶振的MCS51單片機控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可以滿足與PC104 ISA總線接口實時通信的要求，通信速率達200Kbps。

　　1 系統(tǒng)總體設計方案

　　用CPLD實現(xiàn)單片機與PC104ISA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，只是在空閑時才能接收單片機送來的數(shù)據(jù)，所以要求雙方通信的實時性很強，但數(shù)據(jù)量不是很大。因此在系統(tǒng)設計中，單片機用中斷方式接收數(shù)據(jù)，PC104采用查詢方式接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設計方案如圖1所示。 在單片機部分，D[0..7]是數(shù)據(jù)總線，A[0..15]是地址總線，RD和WR分別是讀寫信號線，INT0是單片機的外部中斷，當單片機的外部中斷信號有效時，

　　單片機接收數(shù)據(jù)。 在CPLD部分，用一片MAX7000系列中的PM7128 ESLC84來實現(xiàn)，用來完成MCS51與PC104ISA總線接口之間的數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)查詢及延時等待。 在PC104ISA部分，只用到PC104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是對指定設備的讀寫信號;AEN是允許DMA控制地址總線、數(shù)據(jù)總線和讀寫命令線進行DMA傳輸以及對存儲器和I/O設備的讀寫;IOCHRDY是I/O就緒信號，I/O通道就緒為高，此時處理機產(chǎn)生的存儲器讀寫周期為4需5個時鐘周期，MCS51通過置此信號為低電平使CPU插入等待周期，從而延長I/O周期;SYSCLK是系統(tǒng)時鐘信號，使系統(tǒng)與外部設備保持同步;RESETDR是上電復位或系統(tǒng)初始化邏輯信號，是系統(tǒng)總清信號。 2

　　基于MAX+plusII的硬件實現(xiàn)

　　ALTERA公司的CPLD開發(fā)工具MAX+plusII，支持多種輸入方式，給設計開發(fā)提供了極大的方便，因此本系統(tǒng)采用MAX+plusII進行設計。系統(tǒng)的主體部分用原理圖輸入方式，由于庫中提供現(xiàn)成的芯片，所以使用很方便。原理圖輸入部分如圖2和圖3所示。圖2主要完成單片機與ISA接口通信中的數(shù)據(jù)傳輸和握手判斷。在圖2中，各信號說明如下： D[0..7] 單片機的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; PCWR ISA接口的寫有效信號; STATE ISA接口的查詢選通信號，用來判斷單片機已寫數(shù)據(jù)或讀走數(shù)據(jù); PCSTATE 單片機用此查詢ISA接口已取走數(shù)據(jù); MCURD 單片機的讀有效信號; MCUWD 單片機的寫有效信號; INT0 單片機的外部中斷信號。 當MCUWR信號有效時，單片機把數(shù)據(jù)鎖存于74LS374(1)中，此時PCSTAE變?yōu)楦唠娖?PC104用STATE信號選通74LS244來判斷數(shù)據(jù)位PCD0是否為高電平，如果為高，說明單片機送來了數(shù)據(jù)，則使PCRD有效，從數(shù)據(jù)鎖存器74LS374(1)中取走數(shù)據(jù)，此時PCSTATE變?yōu)榈碗娖?，單片機通過判斷此信號為低電平來判定PC104已取走了數(shù)據(jù)，此時可以發(fā)下一個數(shù)據(jù)。

　　當PCWR信號有效時，PC104把數(shù)據(jù)鎖存于74LS374(2)中，此時INT0變?yōu)榈碗娖?單片機產(chǎn)生外部中斷，使MCURD信號有效，從數(shù)據(jù)鎖存器74LS374(2)中取走數(shù)據(jù)。此時INT0變?yōu)楦唠娖?，PC104用STATE信號選通74LS244判斷數(shù)據(jù)位PCD1是否為高電平，如果為高電平，則說明單片機取走了數(shù)據(jù)，可以發(fā)送下一個數(shù)據(jù)。 PC104與單片機進行通信，最關鍵的就是速度匹配問題。由于PC104的速度快，而單片機的速度較慢，所以要在PC104的IOCHRDY處插入等待周期。如圖3所示，各信號說明如下： IOCHRDY 用來使ISA接口等待5個時鐘周期; DLY_D 延時輸入信號; DLY_CL 延時等待時鐘信號; DLY_CLR 等待清除信號，為開始下一次送數(shù)據(jù)其做準備; DELAY 延時5個時鐘周期后的輸出信號，作為DLY_CLR信號的輸入; SYSCLK ISA接口的系統(tǒng)時鐘信號。 在MCS51與PC104進行通信的過程中，DLY_D信號一直有效(高電平)，在信號SYSCLK的作用下，每5個時鐘周期DELAY信號有效一次，即為高電平。此時DLY_CLR信號有效(低電平)，IOCHRDY信號變?yōu)楦唠娖?，PC104可以讀寫數(shù)據(jù)。 地址譯碼部分采用文本輸入方式。用ALTERA公司的硬件設計開發(fā)語言AHDL(Altera Hardware Description Language)實現(xiàn)。AHDL是一種模塊化的高級語言，完全集成于MAX+plus II系統(tǒng)中，特別適合于描述復雜的組合邏輯、狀態(tài)機和真值表，地址譯碼部分采用文本輸入方式充分體現(xiàn)了文本輸入方式的優(yōu)點。文本輸入內(nèi)容如下： SUBDESIGN Address ( PCA[9..0] :INPUT; AEN，IOR，IOW ：INPUT; RSETDR，DELAY ：INPUT; A[15..14] :INPUT; RD，WR ：INPUT; DLY_D ：OUTPUT; DLY_CK ：OUTPUT; DLY_CLR ：OUTPUT; STATE ：OUTPUT; PCRD ：OUTPUT; PCWR ：OUTPUT; MCURD ：OUTPUT; MCUWR ：OUTPUT; ) BEGIN !DLY_CLR=RESETDR#DELAY; DLY_D=!AEN%26;amp;(PCA[9..1]= =H"110"); DLY_CK=!AEN%26;amp;(PCA[9..1]= =H"110")%26;amp;(!IOR#!IOW); !PCWR=!AEN%26;amp;(PCA[9..0]= =H"220")%26;amp;!IOW; !PCRD=!AEN%26;amp;(PCA[9..0]= =H"220")%26;amp;IOR; !STATE=!AEN%26;amp;(PCA[9..0]= =H"221")%26;amp;!IOR; !MCSWR=(A[15..14]= =H"2")%26;amp;!WR; END; 說明：PCA[9..0]是PC104的地址信號，A[15..14]是單片機的地址信號，PC104用到端口地址220H和221H。

　　3 通信軟件設計

　　PC104是基于ISA總線的，在系統(tǒng)軟件設計中要防止地址沖突。PC104中使用A0～A9地址位來表示I/O端口地址，即可有1024個口地址，前 512個供系統(tǒng)板使用，后512個供擴充插槽使用，當A9=0時表示為系統(tǒng)板上的口地址;當A9=1時表示擴充插槽接口卡上的口地址[2]。因為本系統(tǒng)中采用保留的口地址220H和221H，保證不會發(fā)生地址沖突。

　　在本程序中，PC104采用查詢方式接收數(shù)據(jù)，單片機采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。 #define pcreadwrite 0x220 ;PC104讀寫數(shù)據(jù)口地址 #define pcrdstate 0x221 ;PC104查詢狀態(tài)口地址 PC104寫數(shù)據(jù)函數(shù)： Void pcwrite(int port,unsigned char ch) { outportb(pcreadwrite,ch); while ((inportb(pcrdstate)%26;amp;0x02)!=0x02) ;等待單片機讀走數(shù)據(jù) { } } 單片機讀子程序： MCUR：MOV DPTR，#400H MOVX A，@DPTR RETI PC104讀數(shù)據(jù)函數(shù)： Unsigned char pcread(int port) { while ((inportb(pcrdstate)%26;amp;0x0!=0x01) ;等待單片機寫數(shù)據(jù) { } return inportb(pcreadwirte); } 單片機寫子程序： MCUWR：MOV DPTR，#8000H MOVX @DPTR，A ;等待PC104讀寫數(shù)據(jù) RET