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1 8位/16位總線時序分析

1.1 8位單片機總線時序

帶有外部總線的8位單片機有很多,如51系列,AVR系列等,本文以W77E58為例,W77E58是Winbond公司推出的增強型51單片機,工作時鐘最高為40M赫茲,在同樣的時鐘頻率下,W77E58指令速度是傳統51單片機的3倍;另外,W77E58對程序存儲器和數據存儲器的尋址能力都為64KB。圖1中上半部分為讀時序,下半部分為寫時序。

以讀數據為例,P0、P2口輸出當前地址,ALE的下降沿鎖存低8位地址,高8位保持不變;而后,讀信號RD使能（低電平）,外部設備把數據送到P0口,RD的上升沿把數據讀入單片機。寫數據與此類似,不過數據方向相反,同時為保證數據能夠正確寫入外部設備,單片機在寫信號WR使能前把數據送到P0口,WR無效后須保持一定時間,從圖1中可以看出,單片機用P0口存取8位數據,P2口僅用于地址輸出。

1.2 IDE硬盤總線時序

下面以IDE硬盤為例來分析16位總線時序,圖2是IDE硬盤的接口示意圖[1],只標出了與總線有關的信號線：DIOR/DIOW,讀/寫;DCS0/DCS1,片選;DD0－DD15,16位數據線;DA0－DA2,3位地址線。

IDE硬盤是典型的16位總線設備。IDE接口有兩個片選信號,DCS1用來尋址控制寄存器。默認狀態(tài)下即可對IDE硬盤進行存取操作,故一般把該信號線直接連到高電平而只使用DCS0。其時序如圖3所示。

讀/寫周期開始時DIOR和DIOW均處于無效狀態(tài),DA0－DA2連接到主機（在這里為單片機）的地址輸出。在收到讀請求（DIOR使能）后把數據送至數據線上,主機利用DIOR的上升沿鎖存該數據;之后,硬盤控制器延時后釋放數據線,在接收寫請求時（DIOW使能）,則讓數據線處于三態(tài)（tri－state）,等待主機輸出數據,最后在DIOW的上升沿把數據寫入硬盤控制器,在DIOW上升沿之前,主機需把數據準備好。

對比圖1和圖3可知,總線時序基本一致,只是在數據線上傳輸的數據位數不同,但是,主機一條指令完成一個讀/寫周期,從外部設備到主機的16位數據在指令完成后不再有效;而從主機到外部設備的數據必須在指令完成前準備好,因而要把8位總線擴展成16位總線,必須要同時考慮讀/寫時數據的鎖存問題。

2 16位總線擴展的實現

根據前面對總線時序的分析,采用如圖4所示的方法對8位總線進行擴展,使其滿足16位總線讀/寫。主要由以下兩部分組成：1片GAL16V8（U5）,實現片選信號的譯碼和其他信號的編碼;2片74HC573（U3、U4）,實現高8位數據鎖存。CS1－CS4是A9－A15的譯碼輸出,可連接4個外部設備。地址范圍根據具體設備來設定,假設CS2上連接有16位總線設備：

這里“＆”表示“與”,“！”表示“非”,即RD和CS5同時有效時,LE5有效;WR和CS6同時有效時,LE6有效。注意：CS5和CS6有一部分地址空間與CS2重合,即選通CS2的同時,也同時會選通CS5或CS6。另外,通過外部設備地址線的連接,使得8000H－81FFH和8200H－83FFH尋址同一個位置,以圖2中的IDE硬盤為例,DA0－＞A0,DA1－＞A1,DA2－＞A2。

單片機寫16位數據時,執(zhí)行寫操作使CS6有效（尋址FE00H－FFFFH）,輸出高8位數據并鎖存到U4,然后執(zhí)行寫操作使CS2有效（尋址8200H－83FFH）,P0口上的數據和U4鎖存的數據同步輸出,形成16位數據D0－D15,從而寫入外部設備。

單片機讀16位數據時,執(zhí)行讀操作使CS2有效（尋址8000H－81FFH）,外部設備的低8位送至P0口,而高8位同時被U3鎖存,然后執(zhí)行讀操作使CS5有效（尋址FC00H－FDFFH）,U3鎖存的數據被送至P0口。

在上面的讀/寫過程中,雖然對CS2的尋址位置不同（讀為8000H－81FFH,寫為8200H－83FFH）,但由于位置重合,故可對16位外部設備正確讀/寫。另外,如下單片機尋址連接到CS1、CS3、CS4上的8位設備,則由于U3和U4沒有選通,對其操作沒有任何影響。

從上面的實現可以看出,擴展后的16位外部總線與外部設備進行數據交互時只增加一條指令。本方法與常規(guī)的端口模擬方法的比較結果如表1所列。從表中可以看出,采用本方法后,傳輸速率是常規(guī)方法的3倍。