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。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。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。
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。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。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。
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