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利用ispLSI实现单片机与计算机间的通信
作者：崔少辉    文章来源：工业仪表与自动化装置    点击数：    更新时间：2007-1-15    
［摘　要］　本文利用Lattice的ispLSI1016设计并实现了单片机与计算机之间的一种新型通信接口——中断查询接口，文章阐述了接口的工作原理，并给出了利用ABEL语言进行设计的具体方法。
［关键词］　通信；可编程逻辑器件；电子设计自动化　
　　单片机结构简单、开发方便，能够满足各种应用领域的需求，在工业控制及自动化装置中得到了广泛的应用。它既可以单独使用，也可以多片协同工作或作为计算机的信号预处理器，在这种情况下，通信问题就成了限制系统性能的瓶颈。通常使用的通信方式有串行和并行两种，串行方式硬件结构简单但数据传输速率低，不适合大批量数据的传送；并行方式下使用最多的中断方式，以期提高CPU效率。但中断方式也存在不少问题，除了具体的中断服务外，保护、恢复断点和寄存器的内容、查取中断向量等也占用不少CPU时间，如果数据较长，传送一组数据CPU会被多次中断，大量的断点和寄存器的保护、恢复等工作特别影响CPU效率。为了解决这一问题，本文提出了一种新的通信方式，称之为中断查询方式，并利用在系统可编程逻辑器件ispLIS1016实现了通信接口。

1　通信原理　　
　　中断查询方式的实质是中断方式和查询方式的结合：通信双方由中断方式进入数据传送状态，之后双方在中断内利用查询方式完成数据传送，直至一组数据传送完毕，各自退出中断服务。
　　基于这种方式，通信接口应具有数据锁存、状态控制和中断产生等功能。如图1—1所示为接口框图，数据锁存由锁存器m和锁存器s完成，分别锁存送往主计算机和单片机的数据；中断和状态信号由状态控制器形成，包括中断信号（INTm和INTs），数据锁存器m满（FULLm）、锁存器s满（FULLs），以及数据传送完毕（ENDm和ENDs）等状态，供通信双方查询；通信数据和各状态信号均通过数据总线传送，通信双方读数据还是读状态由各自的地址译码器控制，通过数据选择器选择；数据的三态输出由数据缓冲器实现。我们以计算机向单片机发送数据为例说明数据传送过程：当计算机将数据写入锁存器s时，状态控制器产生一中断请求信号INTs，并置状态FULLs＝1、ENDs＝0；单片机响应中断后便利用查询方式接收数据，查询状态信息FULLs和ENDs，每次FULLs＝1时读取一个数据，同时该读信号通过状态控制器使FULLs清0，并产生中断信号INTm；由于处于发送状态，计算机进入中断后，先检查FULLs，等待FULLs＝0后向数据锁存器s写数据（仅为利用该写信号）将ENDs置位并退出中断，单片机查到FULLs＝0但ENDs＝1后停止接收数据也退出中断，一次通信完成。
　　可见，利用这种方式进行数据传送，无论数据量多大，每次数据传送过程中CPU只响应一次中断，与单一的中断方式比较，节约了CPU的中断响应时间，对于大批量数据的传送，不仅效率高，而且数据量可任意改变，使用非常灵活。
　　

2　接口功能的实现　　　
　　由图1—1所示的框图可以看出，上述中断查询接口不仅需要具有锁存器和缓冲器的数据通道，还要有中断、状态控制及地址译码和数据选择逻辑，电路是比较复杂的。但是，可编程逻辑器件和电子设计自动化工具的出现，使得复杂电路可在单片可编程逻辑器件上实现，不仅使设计简化，而且使硬件设计象软件一样易于修改。针对前述中断查询接口，我们采用LATTICE的在系统可编程逻辑器件is－pLSI1016实现其功能。这样，该接口的设计就转化为对其电路描述文件的设计，可以采用原理图或HDL硬件描述语言。与原理图比较，硬件描述语言不仅设计、阅读和保存方便，而且易于仿真和进行逻辑综合，更适合对复杂电路的描述。因此我们采用ABEL－HDL硬件描述语言进行设计。
　　在Synario环境中，对选定的器件加入ABEL－HDL资源文件，输入相应的模块名和文件名后，便可打开ABEL－HDL语言编辑窗口［2］。
　　利用ABEL语言进行电路设计的关键在于各信号的定义和相应的逻辑描述。就前述接口而言，地址总线、数据总线、读、写及中断信号均直接与通信双方的CPU相连，显然应定义为引脚（pin）；而数据锁存器及各状态信号通过数据选择器与数据总线相联，故为节点（node），如表2—1所示。其中，A、D、RD、WR、Q分别表示地址线、数据线、读、写及数据锁存器输出信号，下标m和s分别表示主计算机和单片机；表中将数据输出定义为缓冲器（buffer）是为了直接利用ispLSI1016各I／O脚的三态输出功能，以省去图1—1中的数据缓冲器。另外，状态信号FULL和END应为具有异步清零和置位功能的寄存器，以存贮数据交换过程中相应的状态信息，但是在可编程逻辑器件中设计异步控制是复杂和浪费资源的，本文将它们设计为基本的RS触发器，故定义了相应的反向输出节点FUL1和EN1。

　　ABEL语言设计文件中各信号的逻辑关系可以多种方式给出，本设计主要采用寄存器和RS触发器等，故以采用逻辑方程为宜。由前述接口原理可以看出，该接口的通信双方均需3个端口：数据输入／输出口、状态口及END信号置位口。设主计算机对应的口地址为300H、308H和310H，单片机的3个口地址分别为8000H、8010H和8020H，对照图1—1所示的框图和接口的工作原理，电路的ABEL语言方程可以按功能块给出。
　　数据锁存器是数据可靠传送的基础，对主计算机而言，向300H单元写入数据就是将数据写入锁存器s中，也就是说锁存器s的输入信号为主计算机的数据总线，时钟为主计算机对300H单元的写信号，对应的ABEL语言方程可表示为：

线和数据线的集合。为减少系统的片外接线，式（2—1）将锁存器Qs的输入定义为三态数据输出的引脚（．pin），在保证接口功能的前提下，实现了在is－pLSI1016片内Qs输入端与数据总线的连接。
　　数据选择器根据通信双方对不同地址的读取选择不同信号，其ABEL语言方程为：


　　Ds．oe＝！RDs＆（（ADRs＝＝＾h8000）＃（ADRs＝＝＾h8010））；（2—3）

        when（ADRs＝＝＾h8000）then Ds＝Qs；else when（ADRs＝＝＾h8010）then Ds＝STs；            （2—4）

　　式中，STs＝［FULLs，FULLm，ENDs，ENDm，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x］，12个任意值x的引入是为了使STs与数据总线宽度匹配。由于省去了图1—1的数据缓冲器，数据选择器的输出即为数据总线，故其三态控制端为单片机读数据（8000H）和读状态（8010H）信号的“或”信号。
　　状态信号是数据正确传送的保证，也是通信双方读写数据的依据。从时序上讲，FULLs的置位和清零由Qs的写信号和读信号触发，即FULLs由方程（2—5）和（2—6）确定：

   ！FULLs＝（！（ADRm＝＝＾h300）＃WRm）＆　　FUL1s；（2—5）

   ！FUL1s＝（！（ADRs＝＝＾h8000）＃RDs）＆　　FULLs；（2—6）

　　其中FUL1s为FULLs的反相输出端。ENDs的清零与FULLs的置位同时产生，但其置位必须由主计算机写310H单元触发，故ENDs的ABEL语言方程为：

    ！ENDs＝（！（ADRm＝＝＾h310）＃WRm）＆EN1s；

                                                           （2—7）


         ！EN1s＝（！（ADRm＝＝＾h300）＃WRm）＆ENDs；　　

                                                         （2—8）

　　显然，无论是主计算机将数据写入Qs，还是主计算机将数据从Qm中读走，INTs都应置位，因此INTs＝FULLs＋FULLm，但这样若FULLm为零则INTs将始终为1，无法产生中断。为解决这一问题，我们将INTs的方程写为：
INTs＝FULLs＃！（FULLm＃ENDm）；（2—9）

　　使其在ENDm为零时按INTs＝FULLs＋FULLm运算，只要由软件上控制，保证每次通信前双方的状态为：ENDs＝ENDm＝1，FULLs＝FULLm＝0，即可实现正确的中断和通信。显然，利用同样的方法不难写出主计算机一方各信号的逻辑关系，本文不再累述。
　　通过以上设计，我们实现了主计算机与多个80C196单片机系统之间的数据通信，将各80C196系统置于主计算机的总线扩展槽中，使整个系统不仅通信速度快，而且性能稳定可靠，效果良好。
　　［参考文献］
［1］　刘乐善等．微型计算机接口技术原理及使用．华中理工大学出版社，1996．3
［2］　黄正瑾．在系统编程技术及其应用［M］．东南大学出版社，1997．8
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