接口/总线/驱动:用CPLD实现单片机与ISA总线接口的并行通信

摘要：介绍了用ALTERA公司MAX7000系列CPLD芯片实现单片机与PC104ISA总线接口之间的关行通信。给出了系统设计方法及程序源代码。

关键词：CPLD 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，易于预测延时，从而使电路仿真更加准确。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指量生产，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PC104ISA总线接口的并行通信。采用这种通信方式，数据传输准确高速，在12MHz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200Kbps。

1 系统总体设计方案

用CPLD实现单片机与PC104ISA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，单片机用中断方式接收数据，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，用一片MAX7000系列中的PM7128 ESLC84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PC104ISA部分，只用到PC104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、数据总线和读写命令线进行DMA传输以及对存储器和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需5个时钟周期，MCS51通过置此信号为低电平使CPU插入等待周期，从而延长I/O周期；SYSCLK是系统时钟信号，使系统与外部设备保持同步；RESETDR是上电复位或系统初始化逻辑信号，是系统总清信号。

2 基于MAX+plusII的硬件实现

ALTERA公司的CPLD开发工具MAX+plusII，支持多种输入方式，给设计开发提供了极大的方便，因此本系统采用MAX+plusII进行设计。系统的主体部分用原理图输入方式，由于库中提供现成的芯片，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。在图2中，各信号说明如下：

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；

STATE ISA接口的查询选通信号，用来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；

MCURD 单片机的读有效信号；

MCUWD 单片机的写有效信号；

INT0 单片机的外部中断信号。

当MCUWR信号有效时，单片机把数据锁存于74LS374（1）中，此时PCSTAE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，则使PCRD有效，从数据锁存器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，此时可以发下一个数据。

当PCWR信号有效时，PC104把数据锁存于74LS374（2）中，此时INT0变为低电平；单片机产生外部中断，使MCURD信号有效，从数据锁存器74LS374（2）中取走数据。此时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，则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，各信号说明如下：

IOCHRDY 用来使ISA接口等待5个时钟周期；

DLY_D 延时输入信号；

DLY_CL 延时等待时钟信号；

DLY_CLR 等待清除信号，为开始下一次送数据其做准备；

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）实现。AHDL是一种模块化的高级语言，完全集成于MAX+plus II系统中，特别适合于描述复杂的组合逻辑、状态机和真值表，地址译码部分采用文本输入方式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；

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&(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;

!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个供扩充插槽使用，当A9=0时表示为系统板上的口地址；当A9=1时表示扩充插槽接口卡上的口地址[2]。因为本系统中采用保留的口地址220H和221H，保证不会发生地址冲突。

在本程序中，PC104采用查询方式接收数据，单片机采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：

MCUR：MOV DPTR，#400H

MOVX A，@DPTR

RETI

PC104读数据函数：

Unsigned char pcread(int port)

{ while ((inportb(pcrdstate)&0x0!=0x01)

；等待单片机写数据

{ }

return inportb(pcreadwirte);

}

单片机写子程序：

MCUWR：MOV DPTR，#8000H

MOVX @DPTR，A

；等待PC104读写数据

RET