原创 用CPLD实现单片机与ISA总线并行通信

CPLD（Complex Programmable Logic Device）是一种复杂的用户可编程逻辑器件，由于采用连续连接结构。这种结构易于预测延时，从而电路仿真更加准确。CPLD是标准的大规模集成电路产品，可用于各种数字逻辑系统的设计。近年来，由于采用先进的集成工艺和大批量生产，CPLD器件成本不断下降，集成密度、速度和性能大幅度提高，一个芯片就可以实现一个复杂的数字电路系统；再加上使用方便的开发工具，使用CPLD器件可以极大地缩短产品开发周期，给设计、修改带来很大方便[1]。本文以 ALTERA公司的MAX7000系列为例，实现MCS51单片机与PC104 ISA总线的并行通信。采用这种通信方式，数据传输准确、高速，在12 MHz晶振的MCS51单片机控制的数据采集系统中，可以满足与PC104 ISA总线接口实时通信的要求，通信速率达200 Kbps。

1 系统总体设计方案

本系统用CLPD实现单片机与PC104 ISA总线接口的并行通信。由于PC104主要完成其它方面的数据采集工作，只是在空闲时才能接收单片机送来的数据，所以要求双方通信的实时性很强，但数据量不是很大。因此，在系统设计中单片机中断方式接收数据，PC104采用查询方式接收数据。系统设计方案如图1所示。

在图1单片机部分，D[0..7]是数据总线，A[0..15]是地址总线，RD和WR分别是读写信号线，INT0是单片机的外部中断。当单片机的外部中断信号有效时，单片机接收数据。

在CPLD部分，由一片MAX7000系列中的EPM7128LSC84来实现，用来完成MCS51与PC104ISA总线接口之间的数据传输、状态查询及延时等待。

在PC104 ISA部分，只用到ISA的8位数据总线D[0..7]，A[0..9]是PC104的地址总线；IOW和IOR是对指定设备的读写信号；AEN是允许 DMA控制地址总线、数据总线及读写命令线进行DMA传输，及对存储器和I/O设备的读写；IOCHRDY是I/O就绪信号，I/O通道就绪为高，此时处理机产生的存储器读写周期为4个时钟周期，产生的I/O读写周期和DMA字节传输均需5个时钟周期，MCS51通过置此信号为低电平来使CPU插入等待周期，从而延长I/O周期；SYSCLK是系统时钟信号，是为了与外部设备保持同步；RESETDR是上电复位或系统初始化逻辑，是系统总清信号。

2 基于MAX+plus II的硬件实现

本系统是用ALTERA公司的CPLD开发工具MAX+plusII。它支持多种输入方式，给设计开发提供了极大的方便。系统的主体部分仍是用原理图输入方式。由于库中提供了现在的芯片，所以使用很方便。原理图输入部分如图2和图3所示。图2主要完成单片机与ISA接口通信中的数据传输和握手判断。

D[0..7] 单片机的8位双向数据总线；

PCD[0..7] ISA接口的8位双向数据总线；

PCRD ISA接口的读有效信号；

PCWR ISA接口的写有效信号；

判断单片机已写数据或读走数据；

PCSTATE 单片机用此查询ISA接口已取走数据；

MSCRD 单片机的读有效信号；

MCSWR 单片机的写有效信号；

INT0 单片机的外部中断信号；

当MCUWR信号有效后，单片机把数据锁存于74LS374（1）中，此时，PCSTATE变为高电平。PC104用STATE信号选通 74LS244来判断数据位PCD0是否为高电平，如果为高，说明单片机送来了数据，那么使PCRD有效，从数据存器74LS374（1）中取走数据。此时，PCSTATE变为低电平，单片机通过判断此信号为低电平来判定PC104已取走了数据，可以发下一个数据。

当PCWR信号有效后，PC104把数据锁存于74LS374（2）中，此时，INT0变为低电闰，单片机产生外部中断，使MCSRD信号有效，从数据锁存器74LS374（2）中取走装饰，INT0变为高电平。PC104用STATE信号选通74LS244判断数据位PCD1是否为高电平，如果为高电平，说明单片机取走了数据，可以发送下一个数据。 PC104与单片机进行通信，最关键的就是速度匹配问题。由于PC104的速度快，而单片机的速度较慢，所以，要在PC104的IOCHRDY处插入等待周期，如图3所示。

IOCHRDY 用来使ISA接口等待5个时钟周期；

DLY_D 延时输入信号；

DLY_CK 延时等待时钟信号；

DLY_CLR 等待清除信号，为开始下一次送数周期作准备；

DELAY 延时5个时钟周期后的输出信号，作为DLY_CLR信号的输入；

SYSCLK ISA接口的系统时钟信号。

在MCS51与PC104进行通信的过程中，DLY_D信号一直有效（高电平）。在信号SYSCLK的作用下，每5个时钟周期DELAY信号有效一次，即为高电平。此时DLY_CLR信号有效（低电平），IOCHRDY信号变为高电平，PC104可以读写数据。

地址译码部分采用文本输入方式，用ALTERA公司的硬件设计开发语言AHDL（Altera Hardware Description Language）。AHDL是一种模块化的高级语言，完全集成于MAX+plusII系统中，特别适合于描述复杂的组合逻辑、状态机和真值表，地址译码部分用文本输入方式，这充分体现了文本输入方式的优点。文本输入内容如下：

SUBDESIGN Address

(

PCA[9..0] : INPUT;

AEN,IOR,IOW : INPUT;

RESETDR,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 & (PCA[9..1]= =H"110");

DLY_CK=!AEN & (PCA[9..1]= =H"110")&(!IOR # ! IOW);

!PCWR=!AEN&(PCA[9..0]= =H"220")& !IOW;

!PCRD=!AEN&(PCA[9..0]= =H"220")& !IOR;

!STATE=!AEN&(PCA[9..0]= =H"221")&!IOR;

!MCSRD=([15..14]= =H"1")& !RD;

!MCSWR=(A[15..14]= =H"2"& !WR;

END;

说明：PCA[9..0]是PC104的地址信号，A[15..14]是单片机的地址信号，PC104用到端口地址220H和221H。

3 通信软件设计

PC104是基于ISA总线的，在系统软件设计中要防止地址冲突。PC104中使用A0～A9地址位来表示I/O端口地址，即可有1024个口地址：前512个供系统板使用，后512个供扩充槽使用。当A9=0时表示为系统板上的口地址；A9=1时，表示扩充插槽接口卡上的口地址[2]。因此，采用保留的口地址220H和221H，保证不会发生地址冲突。

本程序中PC104采用查询方式接收数据，单片机用中断方式接收数据。

#define pcreadwrite 0x220 /*PC104读写数据口地址*/

#define pcrdstate 0x221 /*PC104查询状态口地址*/

PC104写数据函数：

Void pcwrite(int port,unsigned char ch)

{ outportb(pcreadwrite,ch);

while ((inportb(pcrdstate)&0x02)!=0x02); /*等待单片机读走数据*/

{ }

}

单片机读子程序：

MCUWR：MOV DPTR，#4000H

MOVX A，@DPTR

RETI

PC104读数据函数：

Unsigned char pcread(int port)

{ while((inportb(pcrdstate)&0x01)!=0x01);/*等待单片机写数据*/

{}

return inportb(pcreadwrite);

}

单片机写子程序：

MCUWR：MOV DPTR，#8000H

MOVX @DPTR，A

；等待PC104读走数据

RET

4 结论

用CPLD实现单片机与ISA总线接口的并行通信，电路结构简单、体积小，1片CPLD芯片足够，并且控制方便，实时性强，通信效率高。本设计方法已成功地应用于作者开发的各种数据采集系统中，用作单片机与PC104之间的并行数据通信，效果非常理想。