8位單片機的16位外部總線擴展與應用

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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)送到p0口，rd的上升沿把數(shù)據(jù)讀入單片機。寫數(shù)據(jù)與此類似，不過數(shù)據(jù)方向相反，同時為保證數(shù)據(jù)能夠正確寫入外部設備，單片機在寫信號wr使能前把數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)線上，主機利用dior的上升沿鎖存該數(shù)據(jù)；之后，硬盤控制器延時后釋放數(shù)據(jù)線，在接收寫請求時（diow使能），則讓數(shù)據(jù)線處于三態(tài)（tri－state），等待主機輸出數(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，主機需把數(shù)據(jù)準備好。

對比圖1和圖3可知，總線時序基本一致，只是在數(shù)據(jù)線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)不同，但是，主機一條指令完成一個讀/寫周期，從外部設備到主機的16位數(shù)據(jù)在指令完成后不再有效；而從主機到外部設備的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的鎖存問題。

2 16位總線擴展的實現(xiàn)

根據(jù)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(xiàn)片選信號的譯碼和其他信號的編碼；2片74hc573（u3、u4），實現(xiàn)高8位數(shù)據(jù)鎖存。cs1－cs4是a9－a15的譯碼輸出，可連接4個外部設備。地址范圍根據(jù)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(shù)據(jù)時，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，從而寫入外部設備。

單片機讀16位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)可以看出，擴展后的16位外部總線與外部設備進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(xiàn)，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(xiàn)原理仍然如圖4所示。

3 在車載數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jīng)過樣品試制、產(chǎn)品鑒定、小批試制和大批生產(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)了大容量存儲類（massstorage class）。

ram采用hy62wt08081e。該器件提供32kb的數(shù)據(jù)空間，用于數(shù)據(jù)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(wǎng)絡，tle6250是針對汽車環(huán)境設計的can收發(fā)器。

ide硬盤使用經(jīng)過防震處理的工業(yè)用硬盤，也可使用cf卡加ide轉(zhuǎn)接線的方式。

圖6為車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡要軟件流程圖?？紤]到usb端口和can總線上的數(shù)據(jù)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(xiàn)[2]、can總線數(shù)據(jù)[3]和其他車輛狀態(tài)信號采集，以及fat32協(xié)議實現(xiàn)。

4 小結

本設計在8位單片機上實現(xiàn)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(shù)據(jù)的傳輸速率，該16位總線擴展方式已成功應用于車載數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸率高、完全滿足汽車動態(tài)采集數(shù)據(jù)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。