隨著電子設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步和芯片制造工藝水平的提高,16位和32位單片機(jī)的使用越來(lái)越廣泛,但是8位單片機(jī)因其制造工藝成熟、價(jià)格低廉等特點(diǎn),仍然在市場(chǎng)上占有相當(dāng)大的比例,尤其在成本敏感和可靠性要求極高的汽車電子領(lǐng)域,更占用絕對(duì)優(yōu)勢(shì),帶有外部總線的8位單片機(jī),可以方便地與8位總線設(shè)備（如A/D、RAM和CAN總線）相連。隨著對(duì)傳輸性能要求的提高,出現(xiàn)了大量的16位總線設(shè)備（如網(wǎng)絡(luò)接口芯片）,8位單片機(jī)要與16位總線設(shè)備相連接,通常的做法是利用I/O端口來(lái)模擬16位總線的讀/寫時(shí)序,數(shù)據(jù)傳輸速率較低,且原有的8位設(shè)備的傳輸速率也隨之降低,因而限制了8位單片機(jī)的使用范圍,本文提出一種8位單片機(jī)擴(kuò)展16為外部總線的方法,不影響原有8位器件的前提下,可實(shí)現(xiàn)對(duì)16位總線設(shè)備的高速存取;最后,介紹了如何利用該方法與IDE硬盤相連接,并應(yīng)用于車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
1 8位/16位總線時(shí)序分析
1.1 8位單片機(jī)總線時(shí)序
帶有外部總線的8位單片機(jī)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(qiáng)型51單片機(jī),工作時(shí)鐘最高為40M赫茲,在同樣的時(shí)鐘頻率下,W77E58指令速度是傳統(tǒng)51單片機(jī)的3倍;另外,W77E58對(duì)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址能力都為64KB。圖1中上半部分為讀時(shí)序,下半部分為寫時(shí)序。
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以讀數(shù)據(jù)為例,P0、P2口輸出當(dāng)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(hào)RD使能（低電平）,外部設(shè)備把數(shù)據(jù)送到P0口,RD的上升沿把數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)。寫數(shù)據(jù)與此類似,不過數(shù)據(jù)方向相反,同時(shí)為保證數(shù)據(jù)能夠正確寫入外部設(shè)備,單片機(jī)在寫信號(hào)WR使能前把數(shù)據(jù)送到P0口,WR無(wú)效后須保持一定時(shí)間,從圖1中可以看出,單片機(jī)用P0口存取8位數(shù)據(jù),P2口僅用于地址輸出。
1.2 IDE硬盤總線時(shí)序
下面以IDE硬盤為例來(lái)分析16位總線時(shí)序,圖2是IDE硬盤的接口示意圖[1],只標(biāo)出了與總線有關(guān)的信號(hào)線：DIOR/DIOW,讀/寫;DCS0/DCS1,片選;DD0－DD15,16位數(shù)據(jù)線;DA0－DA2,3位地址線。
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IDE硬盤是典型的16位總線設(shè)備。IDE接口有兩個(gè)片選信號(hào),DCS1用來(lái)尋址控制寄存器。默認(rèn)狀態(tài)下即可對(duì)IDE硬盤進(jìn)行存取操作,故一般把該信號(hào)線直接連到高電平而只使用DCS0。其時(shí)序如圖3所示。
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讀/寫周期開始時(shí)DIOR和DIOW均處于無(wú)效狀態(tài),DA0－DA2連接到主機(jī)（在這里為單片機(jī)）的地址輸出。在收到讀請(qǐng)求（DIOR使能）后把數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)線上,主機(jī)利用DIOR的上升沿鎖存該數(shù)據(jù);之后,硬盤控制器延時(shí)后釋放數(shù)據(jù)線,在接收寫請(qǐng)求時(shí)（DIOW使能）,則讓數(shù)據(jù)線處于三態(tài)（tri－state）,等待主機(jī)輸出數(shù)據(jù),最后在DIOW的上升沿把數(shù)據(jù)寫入硬盤控制器,在DIOW上升沿之前,主機(jī)需把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。
對(duì)比圖1和圖3可知,總線時(shí)序基本一致,只是在數(shù)據(jù)線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)不同,但是,主機(jī)一條指令完成一個(gè)讀/寫周期,從外部設(shè)備到主機(jī)的16位數(shù)據(jù)在指令完成后不再有效;而從主機(jī)到外部設(shè)備的數(shù)據(jù)必須在指令完成前準(zhǔn)備好,因而要把8位總線擴(kuò)展成16位總線,必須要同時(shí)考慮讀/寫時(shí)數(shù)據(jù)的鎖存問題。
2 16位總線擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)前面對(duì)總線時(shí)序的分析,采用如圖4所示的方法對(duì)8位總線進(jìn)行擴(kuò)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(shí)現(xiàn)片選信號(hào)的譯碼和其他信號(hào)的編碼;2片74HC573（U3、U4）,實(shí)現(xiàn)高8位數(shù)據(jù)鎖存。CS1－CS4是A9－A15的譯碼輸出,可連接4個(gè)外部設(shè)備。地址范圍根據(jù)具體設(shè)備來(lái)設(shè)定,假設(shè)CS2上連接有16位總線設(shè)備：
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這里“＆”表示“與”,“！”表示“非”,即RD和CS5同時(shí)有效時(shí),LE5有效;WR和CS6同時(shí)有效時(shí),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(shí),也同時(shí)會(huì)選通CS5或CS6。另外,通過外部設(shè)備地址線的連接,使得8000H－81FFH和8200H－83FFH尋址同一個(gè)位置,以圖2中的IDE硬盤為例,DA0－＞A0,DA1－＞A1,DA2－＞A2。
單片機(jī)寫16位數(shù)據(jù)時(shí),執(zhí)行寫操作使CS6有效（尋址FE00H－FFFFH）,輸出高8位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和U4鎖存的數(shù)據(jù)同步輸出,形成16位數(shù)據(jù)D0－D15,從而寫入外部設(shè)備。
單片機(jī)讀16位數(shù)據(jù)時(shí),執(zhí)行讀操作使CS2有效（尋址8000H－81FFH）,外部設(shè)備的低8位送至P0口,而高8位同時(shí)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(shù)據(jù)被送至P0口。
在上面的讀/寫過程中,雖然對(duì)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(duì)16位外部設(shè)備正確讀/寫。另外,如下單片機(jī)尋址連接到CS1、CS3、CS4上的8位設(shè)備,則由于U3和U4沒有選通,對(duì)其操作沒有任何影響。
從上面的實(shí)現(xiàn)可以看出,擴(kuò)展后的16位外部總線與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)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(jié)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。
