用增強(qiáng)并口EPP協(xié)議擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的ISA接口

利用微機(jī)開(kāi)發(fā)便攜式的數(shù)據(jù)采集、控制系統(tǒng)一直是微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者十分關(guān)心的課題。特別在是基于筆記本電腦的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，這一點(diǎn)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)是針對(duì)臺(tái)式機(jī)或者工控機(jī)設(shè)計(jì)的，一般都做成了標(biāo)準(zhǔn)的插卡，如Ａ／Ｄ卡、Ｄ／Ａ卡、ＲＳ２３２擴(kuò)展卡等等，用戶根據(jù)自己的實(shí)際需要選取合適的插卡，安裝在自己的計(jì)算機(jī)中，再編寫所需要的程序。但是在基于筆記本電腦的應(yīng)用系統(tǒng)中，由于其沒(méi)有擴(kuò)展槽，如果用戶自己不再配一個(gè)擴(kuò)展箱，就不能配置現(xiàn)成的插卡。擴(kuò)展箱的主要功能是擴(kuò)展筆記本電腦的各種外圍接口，即把筆記本電腦的功能擴(kuò)展為與一個(gè)臺(tái)式機(jī)相同的功能。它需要單獨(dú)的電源供應(yīng)，體積比筆記本電腦本身大，又比筆記本重的多，價(jià)格在人民幣７０００～１００００元左右。如果能夠找到一種便捷的方法，為筆記本電腦提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的總線接口，如ＩＳＡ接口，那么現(xiàn)在市場(chǎng)上大部分的插卡都可以用在筆記本電腦上，不僅為用戶節(jié)約了一個(gè)擴(kuò)展箱投資，而且還為用戶提供了更加廣闊的選擇余地。本文提出了解決該問(wèn)題的一個(gè)完整的技術(shù)方案。

１ ＥＰＰ并口

最初的計(jì)算機(jī)并口只是為打印機(jī)設(shè)計(jì)的，數(shù)據(jù)只是單向傳輸。ＩＢＭ公司引進(jìn)了ＰＳ／２設(shè)計(jì)后，并口開(kāi)始支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，但是ＰＳ／２實(shí)際上并沒(méi)有成為一個(gè)為業(yè)界廣泛認(rèn)可的雙向并口模式。１９９２年，由Ｉｎｔｅｌ、Ｘｉｃｏｍ和Ｚｅｎｉｔｈ公司共同制定了ＥＰＰ１．７標(biāo)準(zhǔn)。以后ＩＥＥＥ又發(fā)展了ＩＥＥＥ１２８４的ＥＰＰ標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上ＥＰＰ的標(biāo)準(zhǔn)共有三個(gè)，即ＥＰＰ１．７、ＥＰＰ１．９和ＩＥＥＥ１２８４，這些標(biāo)準(zhǔn)并不完全兼容，特別是ＥＰＰ１．７和ＩＥＥＥ１２８４之間，不過(guò)這些對(duì)用戶的使用并沒(méi)有太大的影響。文獻(xiàn)[１]即是ＩＥＥＥ１２８４標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定了并口各種模式的詳細(xì)的時(shí)序圖，包括ＳＰＰ、ＰＳ／２、ＥＣＰ和ＥＰＰ模式。作者根據(jù)ＩＥＥＥ１２８４上規(guī)定的時(shí)序圖進(jìn)行了時(shí)序設(shè)計(jì)，而計(jì)算機(jī)上提供的ＥＰＰ版本是ＥＰＰ１．７或ＥＰＰ１．９，實(shí)際使用中它們沒(méi)有不匹配的地方。

２ 用ＥＰＰ擴(kuò)展ＩＳＡ接口的總體設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)主板上一般有２～３個(gè)ＩＳＡ插槽，可以擴(kuò)充一些ＩＳＡ插卡。大多數(shù)基于ＩＳＡ標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制只用到了ＩＳＡ接口的數(shù)據(jù)線、地址線、ＡＥＮ、ＡＬＥ、＃ＩＯＲ、＃ＩＯＷ等信號(hào)，有的也用到了中斷和ＤＭＡ的信號(hào)。只要了解這些信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系，我們完全可以自己用邏輯器件“制造”出ＩＳＡ接口，文獻(xiàn)[２]介紹了用單片機(jī)擴(kuò)展總線的技術(shù)，包括ＩＳＡ、ＳＴＤ總線等。作者曾經(jīng)用并口的ＳＰＰ模式和８０Ｃ１９６單片機(jī)擴(kuò)展出了計(jì)算機(jī)的ＩＳＡ接口，但是ＩＯ讀寫速度只能達(dá)到２０ＫＢ／ｓ左右，總體的效果不太理想。ＥＣＰ和ＥＰＰ都能進(jìn)行高速雙向數(shù)據(jù)通訊，但是ＥＣＰ的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)比ＥＰＰ復(fù)雜的多，其性能和ＥＰＰ卻大致相當(dāng)，所以最終的方案采用了ＥＰＰ模式。由于單片機(jī)是一個(gè)單任務(wù)的串行控制器，如果它只是用來(lái)擴(kuò)展ＩＳＡ接口，那么可以達(dá)到比較高的速度；否則，ＩＳＡ總線的速度會(huì)大大降低，最后變得失去使用價(jià)值，所以最終的外設(shè)芯片不能采用單片機(jī)，只能采用ＤＳＰ或者大規(guī)模的可編程邏輯器件。作者選用了后一種方案。

用ＥＰＰ擴(kuò)展ＩＳＡ口的硬件核心是一片可編程邏輯器件，如ＣＰＬＤ，它一方面負(fù)責(zé)與計(jì)算機(jī)通過(guò)ＥＰＰ協(xié)議進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通訊，另一方面負(fù)責(zé)產(chǎn)生ＩＳＡ接口時(shí)序，系統(tǒng)體系相當(dāng)簡(jiǎn)潔而高效，電路原理如圖１所示。ＥＰＰ的數(shù)據(jù)線Ｄ０～Ｄ７和信號(hào)線ｎＷｒｉｔｅ、ｎＤｓｔｒｂ、ｎＡｓｔｒｂ、ｎＩｎｉｔ、ｎＷａｉｔ、Ｉｎｔｒ直接與ＣＰＬＤ的雙向Ｉ／Ｏ線相連。另外，ＥＰＰ沒(méi)有定義標(biāo)準(zhǔn)并口的第１２、１３、１５三個(gè)引腳，這些引腳用戶可以靈活使用。電路圖上并口的第１３腳和ＣＰＬＤ連了起來(lái)，可以提供其他的功能。ＣＰＬＤ提供了ＩＳＡ接口的Ｄ０～Ｄ７，Ａ０～Ａ１５，ＡＬＥ，ＡＥＮ，＃ＩＯＲ，＃ＩＯＷ，ＩＲＱ、ＩＯＲＤＹ等信號(hào)。擴(kuò)展的ＩＳＡ接口提供了１６根地址線，可以尋址６４Ｋ的ＩＯ空間，這比計(jì)算機(jī)所提供的ＩＯ空間（１Ｋ）大了許多倍。用戶可以專門設(shè)計(jì)具有６４Ｋ尋址能力的數(shù)據(jù)采集和控制板，也可以用只有１Ｋ尋址能力的數(shù)據(jù)采集和控制板，在這種情況下，地址線的高６位被忽略了，但這并不影響系統(tǒng)的正常使用。

３ 硬件操作方法

ＥＰＰ協(xié)議定義的并行口提供了四種傳送周期：數(shù)據(jù)寫周期、數(shù)據(jù)讀周期、地址寫周期和地址讀周期。數(shù)據(jù)周期一般用于計(jì)算機(jī)和外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送，地址周期一般用于傳送地址、通道、命令和控制等信息。實(shí)際上，數(shù)據(jù)周期和地址周期并沒(méi)有那么嚴(yán)格的界限，可以把地址周期看做另一種數(shù)據(jù)周期，二者并沒(méi)有太大的區(qū)別。圖２是ＥＰＰ數(shù)據(jù)寫周期的時(shí)序圖，圖中的ｎＩＯＷ信號(hào)實(shí)際上在進(jìn)行ＥＰＰ數(shù)據(jù)寫時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生，只不過(guò)是為了表示所有的操作都發(fā)生在一個(gè)ＩＯ周期內(nèi)，只有這樣，才能使ＥＰＰ獲得ＩＳＡ總線的數(shù)據(jù)操作速度。圖２中的ｎＤａｔａＳｔｒｏｂｅ信號(hào)如果換為ｎＡｄｄＳｔｒｏｂｅ信號(hào)，就是ＥＰＰ地址寫周期。圖３是ＥＰＰ地址讀周期，也是發(fā)生在一個(gè)ＩＯ周期內(nèi)。

ＥＰＰ定義了一個(gè)計(jì)算機(jī)用于控制外設(shè)初始化的信號(hào)：ｎＩｎｉｔ，如果用戶不希望控制外設(shè)的初始化，則可以不處理這個(gè)信號(hào)；用戶也可以挪用ｎＩｎｉｔ信號(hào)做其他的用途，在本設(shè)計(jì)方案的地址周期中，如果ｎＩｎｉｔ為高，則表示該地址對(duì)應(yīng)ＩＳＡ接口的高８位地址，否則，對(duì)應(yīng)低８位地址。用這種辦法解決了用８位的ＥＰＰ地址擴(kuò)展１６位的ＩＳＡ地址的難題。實(shí)踐證明，這是一個(gè)方便實(shí)用的解決方法。

用ＥＰＰ擴(kuò)展ＩＳＡ接口，最根本的任務(wù)是把ＥＰＰ的數(shù)據(jù)讀寫周期快速地轉(zhuǎn)化為ＩＳＡ的ＩＯ讀寫周期。在ＩＳＡ的時(shí)序中[３]，時(shí)鐘的頻率是４．７７ＭＨｚ，典型的一個(gè)ＩＳＡ周期要用４個(gè)時(shí)鐘周期，即大概１μｓ的時(shí)間。在ＥＰＰ的讀周期中，ＥＰＰ首先發(fā)出讀命令，然后等待ＩＳＡ的數(shù)據(jù)響應(yīng)，如果ＩＳＡ仍然以４個(gè)時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行ＩＯ讀操作，那么ＥＰＰ很有可能會(huì)由于超時(shí)而發(fā)生時(shí)序錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)也必然會(huì)錯(cuò)。解決這個(gè)問(wèn)題可以用提高ＩＳＡ接口的時(shí)鐘頻率的辦法，如提高到８ＭＨｚ甚至是１６ＭＨｚ，但是這樣的話ＩＳＡ卡可能會(huì)來(lái)不及響應(yīng)而發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，所以這種方法不可??；另一種方法是改造ＩＳＡ接口的時(shí)序，使得既能滿足ＩＳＡ卡的時(shí)序要求，又不至于造成ＥＰＰ的超時(shí)錯(cuò)誤。仔細(xì)分析ＩＳＡ的ＩＯ讀時(shí)序，ＣＰＵ在Ｔ１發(fā)出地址信號(hào)并發(fā)出ＡＬＥ信號(hào)，在Ｔ２發(fā)出讀命令，在Ｔ３采樣ＲＥＡＤＹ信號(hào)，以決定是否產(chǎn)生等待周期，如果不需要等待，則在Ｔ４讀取數(shù)據(jù)，完成整個(gè)讀周期。可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于本系統(tǒng)，Ｔ１周期是可以省略的，因?yàn)椋茫校蹋目梢栽冢牛校械牡刂分芷趦?nèi)設(shè)定要尋址的ＩＯ地址，而沒(méi)有必要在ＩＳＡ周期內(nèi)再發(fā)送地址，這樣ＩＳＡ的ＩＯ讀周期就從４個(gè)時(shí)鐘減少到３個(gè)時(shí)鐘；如果可以保證ＩＳＡ卡設(shè)備可以在一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)送出有效的數(shù)據(jù)，則Ｔ３也可以省略，這樣一個(gè)ＩＳＡ讀周期實(shí)際上只占用了兩個(gè)時(shí)鐘，不會(huì)造成ＥＰＰ的超時(shí)錯(cuò)誤。對(duì)ＥＰＰ數(shù)據(jù)寫周期，因?yàn)椋茫校蹋目梢韵劝褦?shù)據(jù)寫到緩沖中，首先保證ＥＰＰ時(shí)序，再把數(shù)據(jù)從緩沖寫到ＩＳＡ設(shè)備中去，所以不會(huì)造成超時(shí)錯(cuò)誤。ＩＳＡ的讀寫時(shí)序經(jīng)過(guò)這樣的簡(jiǎn)化處理后，可以滿足ＩＳＡ設(shè)備和ＥＰＰ兩方面的時(shí)序要求。

４ ＣＰＬＤ的編程

系統(tǒng)選用的ＣＰＬＤ是ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＥＰ７０６４，它有６４個(gè)宏單元，１２５０個(gè)可用門，就可以完成ＥＰＰ和ＩＳＡ的接口任務(wù)。文獻(xiàn)[４]詳細(xì)介紹了ＡＬＴＥＲＡ公司的ＣＰＬＤ器件，在這里就不再介紹器件的性能和使用方法了。僅給出用ＶＨＤＬ語(yǔ)言寫的控制程序如下（部分信號(hào)的意義請(qǐng)參照前面的電路原理圖）。

Ｐｒｏｃｅｓｓ （ｃｌｋ）

Ｔｙｐｅ ＩＳＡＴｙｐｅ ｉｓ （Ｉｄｌｅ，ＲＤ，ＷＲ）；

Ｖａｒｉａｂｌｅ ＩＳＡ： ＩＳＡＴｙｐｅ；

Ｖａｒｉａｂｌｅ ＩＯＲ： ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ；

Ｖａｒｉａｂｌｅ ＩＯＷ： ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ；

Ｖａｒｉａｂｌｅ ＥＰＰＢｕｆ： ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ＿ＶＥＣＴＯＲ （７ ｄｏｗｎｔｏ ０）；

Ｂｅｇｉｎ

Ｃａｓｅ ＩＳＡ ｉｓ

Ｗｈｅｎ Ｉｄｌｅ ＝＞

Ｉｆ ＩＯＲ＝‘１’ ｔｈｅｎ

＃ＩＯＲＤ ＜＝ ‘０’；

ＩＯＲ＝‘０’；

ＩＳＡ ：＝ ＲＤ；

Ｅｌｓｅｉｆ ＩＯＷ＝‘１’ ｔｈｅｎ

＃ＩＯＷＲ ＜＝ ‘０’；

ＩＳＡＤａｔａＢｕｆ＜＝ＥＰＰＢｕｆ；

ＩＯＷ：＝‘０’；

ＩＳＡ：＝ＷＲ；

Ｅｎｄ ｉｆ；

Ｗｈｅｎ ＲＤ ＝＞

ＥＰＰＢｕｆ：＝ＩＳＡＤａｔａＢｕｓ；

＃ＩＯＲＤ＜＝‘１’；

ＩＳＡ：＝Ｉｄｌｅ；

Ｗｈｅｎ ＷＲ ＝＞

＃ＩＯＷＲ ＜＝‘１’；

ＩＳＡ：＝Ｉｄｌｅ；

Ｅｎｄ ｃａｓｅ；

Ｅｎｄ；

Ｅｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ；

５ 計(jì)算機(jī)對(duì)ＥＰＰ／ＩＳＡ的操作

計(jì)算機(jī)通過(guò)ＥＰＰ協(xié)議用ＣＰＬＤ擴(kuò)展出ＩＳＡ接口，現(xiàn)有的ＩＳＡ卡就可以通過(guò)ＩＳＡ接口、ＣＰＬＤ和ＥＰＰ協(xié)議間接地連到了計(jì)算機(jī)上。對(duì)于ＩＳＡ卡的使用者而言，無(wú)論從硬件的角度還是從軟件的角度來(lái)看，都好象是這塊ＩＳＡ卡直接插在計(jì)算機(jī)的ＩＳＡ槽內(nèi)，其速度也完全能夠達(dá)到應(yīng)用的要求。ＥＰＰ協(xié)議的用戶編程接口是協(xié)議定義的幾個(gè)ＩＯ口地址。以并口基地址為３７８Ｈ為例，３７８Ｈ是ＳＰＰ數(shù)據(jù)口，３７９Ｈ是ＳＰＰ狀態(tài)口，３７ＡＨ是ＳＰＰ控制口，３７ＢＨ是ＥＰＰ地址口，３７ＣＨ是ＥＰＰ數(shù)據(jù)口。對(duì)ＩＳＡ卡的操作順序是：首先通過(guò)設(shè)置ｎＩｎｉｔ為高和寫ＥＰＰ地址口來(lái)設(shè)置ＩＳＡ卡的高８位地址，再通過(guò)設(shè)置ｎＩｎｉｔ為低和寫ＥＰＰ地址口來(lái)設(shè)置ＩＳＡ卡的低８位地址，就可以通過(guò)ＥＰＰ數(shù)據(jù)口對(duì)ＩＳＡ卡進(jìn)行讀寫操作了。作者本人做出的系統(tǒng)對(duì)單一的地址進(jìn)行操作時(shí)，寫操作的速度可以達(dá)到１０００～１２００ ＫＢ／ｓ，最高可以達(dá)到１３１０ＫＢ／ｓ，讀操作的速度可達(dá)８００～１１００ＫＢ／ｓ，完全能滿足數(shù)據(jù)采集和控制的要求。如果是對(duì)多個(gè)地址進(jìn)行操作，由于設(shè)置地址要占用一個(gè)或者兩個(gè)ＥＰＰ地址周期，所以數(shù)據(jù)傳輸速度會(huì)有所損失。

６ 與其它通訊方案的比較

（１）ＲＳ２３２串口：最通用的一種連接方法。但是它支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率最大為１０～２０ＫＢ／ｓ，對(duì)于一般的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)而言顯得有些慢。

（２）ＳＰＰ：數(shù)據(jù)通訊速度比串口快，可以達(dá)到１５０ ＫＢ／ｓ。但是ＳＰＰ用做數(shù)據(jù)輸入時(shí)很麻煩，用多次ＩＯ才能完成一次完整的數(shù)據(jù)讀取，速度要犧牲很多，況且外設(shè)的設(shè)計(jì)并不比ＥＰＰ簡(jiǎn)單。所以，如果選擇了并口方案，就不能選擇ＳＰＰ模式，除非用戶僅僅是做數(shù)據(jù)輸出并且對(duì)速度沒(méi)有很高的要求。

（３）ＥＣＰ：與ＥＰＰ相比ＥＣＰ最大的優(yōu)勢(shì)是它支持ＤＭＡ操作，如果系統(tǒng)工作時(shí)有大批量的數(shù)據(jù)要傳輸，用ＥＣＰ模式可以大大減輕計(jì)算機(jī)ＣＰＵ的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的整體性能。但是獲得ＥＣＰ的高性能的代價(jià)是必須重新設(shè)計(jì)比ＥＰＰ復(fù)雜得多的接口軟件（指ＣＰＬＤ的控制軟件），同時(shí)計(jì)算機(jī)軟件方面還必須要編寫硬件驅(qū)動(dòng)程序，這對(duì)于一般的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者而言還是一個(gè)不小的困難。

（４）ＰＣＭＣＩＡ（ｔｈｅ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃａｒｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）：發(fā)展了信用卡大小的外設(shè)與ＰＣ機(jī)連接的標(biāo)準(zhǔn)。最初，ＰＣＭＣＩＡ標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)于內(nèi)存卡，現(xiàn)在已擴(kuò)展到Ｉ／Ｏ設(shè)備。數(shù)據(jù)能以最大５ＭＢ／ｓ的速率傳輸。但ＰＣＭＣＩＡ卡不支持ＤＭＡ，這就增加了數(shù)據(jù)采集和ＣＰＵ處理之間的時(shí)間。因而，目前的ＰＣＭＣＩＡ Ｉ／Ｏ卡需大容量緩存。ＰＣＭＣＩＡ設(shè)備的另一缺點(diǎn)是尺寸太小（最大尺寸８６ｍｍ×５４ｍｍ×１０ｍｍ），不能用于控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的一些模擬電路部分。

（５）ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）：支持１２Ｍｂｐｓ的數(shù)據(jù)傳輸速度，支持１２７個(gè)外圍設(shè)備，支持ＰＮＰ（Ｐｌｕｇ ａｎｄ Ｐｌａｙ），支持熱插拔，并且總線本身可以提供用戶系統(tǒng)電源。信號(hào)傳輸采用差分方式，可以抑制比較強(qiáng)的共模干擾。ＵＳＢ具有很大的發(fā)展前途。在未來(lái)的計(jì)算機(jī)上，可能不再提供ＲＳ２３２串口，可能不再提供并口，但絕對(duì)不可能沒(méi)有ＵＳＢ接口。ＵＳＢ的使用不象并口那樣簡(jiǎn)潔，它必須要有專用的接口芯片的支持才能用在系統(tǒng)中。不少芯片商已經(jīng)提供了ＵＳＢ的產(chǎn)品，如ＵＳＢ ＨＵＢ、ＵＳＢ接口、ＵＳＢ單片機(jī)等等。當(dāng)然用戶自己也可以把ＵＳＢ協(xié)議寫到ＰＬＤ芯片中去，使接口和系統(tǒng)融為一體。

綜上所述，采用ＥＰＰ擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的ＩＳＡ接口是一種新穎的計(jì)算機(jī)外設(shè)設(shè)計(jì)方案，它具有非常高的性能價(jià)格比，能夠達(dá)到絕大多數(shù)基于ＩＳＡ接口的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的通訊速度要求。這種方案大大擴(kuò)展了筆記本電腦對(duì)于ＩＳＡ接口設(shè)備的適應(yīng)能力，省去了用戶對(duì)擴(kuò)展箱的需求。僅僅改寫該系統(tǒng)的ＣＰＬＤ程序和計(jì)算機(jī)的控制程序就可以提供新的功能，如做成雙ＩＳＡ接口系統(tǒng)，或者改造成ＳＴＤ、ＳＴＥ總線系統(tǒng)等等，而系統(tǒng)的硬件不需做任何的改動(dòng)。ＥＰＰ的確是一種有前景的實(shí)用接口技術(shù)，值得微機(jī)外設(shè)設(shè)計(jì)者和使用者采用。