8位單片機的16位外部總線擴展與應用

發(fā)布時間：2010-9-3 13:43 發(fā)布者：techshare

隨著電子設計技術的進步和芯片制造工藝水平的提高，16位和32位單片機的使用越來越廣泛，但是8位單片機因其制造工藝成熟、價格低廉等特點，仍然在市場上占有相當大的比例，尤其在成本敏感和可靠性要求極高的汽車電子領域，更占用絕對優(yōu)勢，帶有外部總線的8位單片機，可以方便地與8位總線設備（如A/D、RAM和CAN總線）相連。隨著對傳輸性能要求的提高，出現了大量的16位總線設備（如網絡接口芯片），8位單片機要與16位總線設備相連接，通常的做法是利用I/O端口來模擬16位總線的讀/寫時序，數據傳輸速率較低，且原有的8位設備的傳輸速率也隨之降低，因而限制了8位單片機的使用范圍，本文提出一種8位單片機擴展16為外部總線的方法，不影響原有8位器件的前提下，可實現對16位總線設備的高速存取；最后，介紹了如何利用該方法與IDE硬盤相連接，并應用于車載數據采集系統(tǒng)。

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(tǒng)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，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。

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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。

另外，上述擴展方法還可以進一步引申：1）若有未使用的I/O口（如W77E58的P1口），則可用來直接輸出高8位數據，從而可以去掉圖4中的U4；2）若對成本不太敏感，則可把圖4中的邏輯器件用CPLD實現，從而使設計更為靈活，布線更為方便，結構更為緊湊，基本實現原理仍然如圖4所示。

3 在車載數據采集系統(tǒng)中的應用

8位單片機擴展16位外部總線的方法已應用于車載數據采集系統(tǒng)，圖5為該系統(tǒng)的原理框圖。汽車廠商在開發(fā)新車型或者關鍵零部件升級時，必須經過樣品試制、產品鑒定、小批試制和大批生產等必要階段。每個階段中，都伴隨著大量的可靠性試驗，車載數據采集系統(tǒng)正是為這些試驗而設計的。鑒于其特殊的使用條件，必須滿足如下基本要求：能夠進行連續(xù)、長時間數據采集、時間有可能是幾天或者一個月；因為有可能很多臺車輛的試驗同時進行，因而要求系統(tǒng)成本低且安全可靠，具有CAN總線數據采集接口。在圖5中，8位單片機上掛有3個8位總線器件（USB Slave器件，RAM和CAN總線器件）和1個16位總線接口設備（IDE硬盤）。

單片機采用前面提到的W77E58；為保證較高的數據傳輸速率，便于與外部串口設備（LCM顯示屏）通信，外部晶振頻率使用33M赫茲。

USB Slave器件采用PDIUSBD12，使用模塊化的方法實現一個USB接口，本次設計通過該器件把IDE硬盤映射成一個可移動硬盤，從而實現了大容量存儲類（MassStorage Class）。

RAM采用HY62WT08081E。該器件提供32KB的數據空間，用于數據采集以及FAT32文件系統(tǒng)操作的緩存。

CAN總線接口器件采用SJA1000＋TLE6250的組合，SJA1000是獨立的CAN控制器，用于汽車和工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網絡，TLE6250是針對汽車環(huán)境設計的CAN收發(fā)器。

IDE硬盤使用經過防震處理的工業(yè)用硬盤，也可使用CF卡加IDE轉接線的方式。

圖6為車載數據采集系統(tǒng)的簡要軟件流程圖。考慮到USB端口和CAN總線上的數據一般不會同時向系統(tǒng)發(fā)出請求，故軟件采用查詢方式工作，主要包括以下幾部分：主流程、USB協(xié)議實現、CAN總線數據和其他車輛狀態(tài)信號采集，以及FAT32協(xié)議實現。

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4 小結

本設計在8位單片機上實現了16位外部總線，可對16位設備進行高速存取，并且保留了原8位總線的功能，這種8位/16位總線共存的方式，較之端口模擬總線方式，極大地提高了數據的傳輸速率，該16位總線擴展方式已成功應用于車載數據采集系統(tǒng)，在汽車的道路可靠性試驗中，安裝了多套該系統(tǒng)，試驗結果表明，該系統(tǒng)使用方便，工作穩(wěn)定、可靠，數據傳輸率高、完全滿足汽車動態(tài)采集數據的需要，該16位總線的擴展方式，可應用于具有8位外部總線的單片機，在一定程度上，擴大了該類單片機的使用范圍。

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