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摘要：提出了用ＥＰＰ協(xié)議和ＣＰＬＤ擴展筆記本電腦的ＩＳＡ接口的方法，給出了詳細的技術(shù)解決方案。擴展的ＩＳＡ接口可以達到１３１０ ＫＢ／ｓ的雙向通訊速度，與ＩＳＡ本身的速度相當(dāng)。用戶可以通過擴展的ＩＳＡ接口直接使用市場上的基于ＩＳＡ的接口卡。
??? 關(guān)鍵詞：ＩＳＡ? 標準并口? 增強并口? 復(fù)雜的可編程邏輯器件
??? 利用微機開發(fā)便攜式的數(shù)據(jù)采集、控制系統(tǒng)一直是微機應(yīng)用系統(tǒng)開發(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)是針對臺式機或者工控機設(shè)計的，一般都做成了標準的插卡，如Ａ／Ｄ卡、Ｄ／Ａ卡、ＲＳ２３２擴展卡等等，用戶根據(jù)自己的實際需要選取合適的插卡，安裝在自己的計算機中，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，由于其沒有擴展槽，如果用戶自己不再配一個擴展箱，就不能配置現(xiàn)成的插卡。擴展箱的主要功能是擴展筆記本電腦的各種外圍接口，即把筆記本電腦的功能擴展為與一個臺式機相同的功能。它需要單獨的電源供應(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標準的總線接口，如ＩＳＡ接口，那么現(xiàn)在市場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)約了一個擴展箱投資，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題的一個完整的技術(shù)方案。
１ ＥＰＰ并口
??? 最初的計算機并口只是為打印機設(shè)計的，數(shù)據(jù)只是單向傳輸。
ＩＢＭ公司引進了ＰＳ／２設(shè)計后，并口開始支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，但是ＰＳ／２實際上并沒有成為一個為業(yè)界廣泛認可的雙向并口模式。１９９２年，由Ｉｎｔｅｌ、Ｘｉｃｏｍ和Ｚｅｎｉｔｈ公司共同制定了ＥＰＰ１．７標準。以后ＩＥＥＥ又發(fā)展了ＩＥＥＥ１２８４的ＥＰＰ標準。實際上ＥＰＰ的標準共有三個，即ＥＰＰ１．７、ＥＰＰ１．９和ＩＥＥＥ１２８４，這些標準并不完全兼容，特別是ＥＰＰ１．７和ＩＥＥＥ１２８４之間，不過這些對用戶的使用并沒有太大的影響。文獻[１]即是ＩＥＥＥ１２８４標準，其中規(guī)定了并口各種模式的詳細的時序圖，包括ＳＰＰ、ＰＳ／２、ＥＣＰ和ＥＰＰ模式。作者根據(jù)ＩＥＥＥ１２８４上規(guī)定的時序圖進行了時序設(shè)計，而計算機上提供的ＥＰＰ版本是ＥＰＰ１．７或ＥＰＰ１．９，實際使用中它們沒有不匹配的地方。
２ 用ＥＰＰ擴展ＩＳＡ接口的總體設(shè)計
??? 計算機主板上一般有２～３個ＩＳＡ插槽，可以擴充一些ＩＳＡ插卡。大多數(shù)基于ＩＳＡ標準的微機數(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，有的也用到了中斷和ＤＭＡ的信號。只要了解這些信號之間的時序關(guān)系，我們完全可以自己用邏輯器件“制造”出ＩＳＡ接口，文獻[２]介紹了用單片機擴展總線的技術(shù)，包括ＩＳＡ、ＳＴＤ總線等。作者曾經(jīng)用并口的ＳＰＰ模式和８０Ｃ１９６單片機擴展出了計算機的ＩＳＡ接口，但是ＩＯ讀寫速度只能達到２０ＫＢ／ｓ左右，
總體的效果不太理想。ＥＣＰ和ＥＰＰ都能進行高速雙向數(shù)據(jù)通訊，但是ＥＣＰ的實現(xiàn)遠比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。由于單片機是一個單任務(wù)的串行控制器，如果它只是用來擴展ＩＳＡ接口，那么可以達到比較高的速度；否則，ＩＳＡ總線的速度會大大降低，最后變得失去使用價值，所以最終的外設(shè)芯片不能采用單片機，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，它一方面負責(zé)與計算機通過ＥＰＰ協(xié)議進行雙向數(shù)據(jù)通訊，另一方面負責(zé)產(chǎn)生ＩＳＡ接口時序，系統(tǒng)體系相當(dāng)簡潔而高效，電路原理如圖１所示。ＥＰＰ的數(shù)據(jù)線Ｄ０～Ｄ７和信號線ｎＷｒｉｔｅ、ｎＤｓｔｒｂ、ｎＡｓｔｒｂ、ｎＩｎｉｔ、ｎＷａｉｔ、Ｉｎｔｒ直接與ＣＰＬＤ的雙向Ｉ／Ｏ線相連。另外，ＥＰＰ沒有定義標準并口的第１２、１３、１５三個引腳，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，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。擴展的ＩＳＡ接口提供了１６根地址線，可以尋址６４Ｋ的ＩＯ空間，這比計算機所提供的ＩＯ空間（１Ｋ）大了許多倍。用戶可以專門設(shè)計具有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)周期一般用于計算機和外設(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。實際上，數(shù)據(jù)周期和地址周期并沒有那么嚴格的界限，可以把地址周期看做另一種數(shù)據(jù)周期，二者并沒有太大的區(qū)別。圖２是ＥＰＰ數(shù)據(jù)寫周期的時序圖，圖中的ｎＩＯＷ信號實際上在進行ＥＰＰ數(shù)據(jù)寫時并不會產(chǎn)生，只不過是為了表示所有的操作都發(fā)生在一個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信號如果換為ｎＡｄｄＳｔｒｏｂｅ信號，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ＩＯ周期內(nèi)。
??? ＥＰＰ定義了一個計算機用于控制外設(shè)初始化的信號：ｎＩｎｉｔ，如果用戶不希望控制外設(shè)的初始化，則可以不處理這個信號；用戶也可以挪用ｎＩｎｉｔ信號做其他的用途，在本設(shè)計方案的地址周期中，如果ｎＩｎｉｔ為高，則表示該地址對應(yīng)ＩＳＡ接口的高８位地址，否則，對應(yīng)低８位地址。用這種辦法解決了用８位的ＥＰＰ地址擴展１６位的ＩＳＡ地址的難題。實踐證明，這是一個方便實用的解決方法。
??? 用ＥＰＰ擴展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的時序中[３]，時鐘的頻率是４．７７ＭＨｚ，典型的一個ＩＳＡ周期要用４個時鐘周期，即大概１μｓ的時間。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個時鐘來進行ＩＯ讀操作，那么ＥＰＰ很有可能會由于超時而發(fā)生時序錯誤，數(shù)據(jù)也必然會錯。解決這個問題可以用提高ＩＳＡ接口的時鐘頻率的辦法，如提高到８ＭＨｚ甚至是１６ＭＨｚ，但是這樣的話ＩＳＡ卡可能會來不及響應(yīng)而發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤，所以這種方法不可??；另一種方法是改造ＩＳＡ接口的時序，使得既能滿足ＩＳＡ卡的時序要求，又不至于造成ＥＰＰ的超時錯誤。仔細分析ＩＳＡ的ＩＯ讀時序，
ＣＰＵ在Ｔ１發(fā)出地址信號并發(fā)出ＡＬＥ信號，在Ｔ２發(fā)出讀命令，在Ｔ３采樣ＲＥＡＤＹ信號，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)，完成整個讀周期?？梢园l(fā)現(xiàn)，對于本系統(tǒng)，Ｔ１周期是可以省略的，因為ＣＰＬＤ可以在ＥＰＰ的地址周期內(nèi)設(shè)定要尋址的ＩＯ地址，而沒有必要在ＩＳＡ周期內(nèi)再發(fā)送地址，這樣ＩＳＡ的ＩＯ讀周期就從４個時鐘減少到３個時鐘；如果可以保證ＩＳＡ卡設(shè)備可以在一個時鐘內(nèi)送出有效的數(shù)據(jù)，則Ｔ３也可以省略，這樣一個ＩＳＡ讀周期實際上只占用了兩個時鐘，不會造成ＥＰＰ的超時錯誤。對ＥＰＰ數(shù)據(jù)寫周期，因為ＣＰＬＤ可以先把數(shù)據(jù)寫到緩沖中，首先保證ＥＰＰ時序，再把數(shù)據(jù)從緩沖寫到ＩＳＡ設(shè)備中去，所以不會造成超時錯誤。ＩＳＡ的讀寫時序經(jīng)過這樣的簡化處理后，可以滿足ＩＳＡ設(shè)備和ＥＰＰ兩方面的時序要求。
４ ＣＰＬＤ的編程
??? 系統(tǒng)選用的ＣＰＬＤ是ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＥＰ７０６４，它有６４個宏單元，１２５０個可用門，就可以完成ＥＰＰ和ＩＳＡ的接口任務(wù)。文獻[４]詳細介紹了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語言寫的控制程序如下（部分信號的意義請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 計算機對ＥＰＰ／ＩＳＡ的操作
??? 計算機通過ＥＰＰ協(xié)議用ＣＰＬＤ擴展出ＩＳＡ接口，現(xiàn)有的ＩＳＡ卡就可以通過ＩＳＡ接口、ＣＰＬＤ和ＥＰＰ協(xié)議間接地連到了計算機上。對于ＩＳＡ卡的使用者而言，無論從硬件的角度還是從軟件的角度來看，都好象是這塊ＩＳＡ卡直接插在計算機的ＩＳＡ槽內(nèi)，其速度也完全能夠達到應(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ＩＳＡ卡的操作順序是：首先通過設(shè)置ｎＩｎｉｔ為高和寫ＥＰＰ地址口來設(shè)置ＩＳＡ卡的高８位地址，再通過設(shè)置ｎＩｎｉｔ為低和寫ＥＰＰ地址口來設(shè)置ＩＳＡ卡的低８位地址，就可以通過ＥＰＰ數(shù)據(jù)口對ＩＳＡ卡進行讀寫操作了。作者本人做出的系統(tǒng)對單一的地址進行操作時，寫操作的速度可以達到１０００～１２００ ＫＢ／ｓ，最高可以達到１３１０ＫＢ／ｓ，讀操作的速度可達８００～１１００ＫＢ／ｓ，完全能滿足數(shù)據(jù)采集和控制的要求。如果是對多個地址進行操作，由于設(shè)置地址要占用一個或者兩個ＥＰＰ地址周期，所以數(shù)據(jù)傳輸速度會有所損失。
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。但是它支持數(shù)據(jù)傳輸速率最大為１０～２０ＫＢ／ｓ，對于一般的數(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，可以達到１５０ ＫＢ／ｓ。但是ＳＰＰ用做數(shù)據(jù)輸入時很麻煩，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)計并不比ＥＰＰ簡單。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)輸出并且對速度沒有很高的要求。
??? （３）ＥＣＰ：與ＥＰＰ相比ＥＣＰ最大的優(yōu)勢是它支持ＤＭＡ操作，如果系統(tǒng)工作時有大批量的數(shù)據(jù)要傳輸，用ＥＣＰ模式可以大大減輕計算機ＣＰＵ的負擔(dān)，提高系統(tǒng)的整體性能。但是獲得ＥＣＰ的高性能的代價是必須重新設(shè)計比ＥＰＰ復(fù)雜得多的接口軟件（指ＣＰＬＤ的控制軟件），同時計算機軟件方面還必須要編寫硬件驅(qū)動程序，這對于一般的計算機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)者而言還是一個不小的困難。
??? （４）ＰＣＭＣＩＡ（ｔｈｅ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃａｒｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）：發(fā)展了信用卡大小的外設(shè)與ＰＣ機連接的標準。最初，ＰＣＭＣＩＡ標準僅對于內(nèi)存卡，現(xiàn)在已擴展到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)備的另一缺點是尺寸太?。ㄗ畲蟪叽纾福叮恚怼粒担矗恚怼粒保埃恚恚?，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。信號傳輸采用差分方式，可以抑制比較強的共模干擾。ＵＳＢ具有很大的發(fā)展前途。在未來的計算機上，可能不再提供ＲＳ２３２串口，可能不再提供并口，但絕對不可能沒有ＵＳＢ接口。ＵＳＢ的使用不象并口那樣簡潔，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擴展計算機的ＩＳＡ接口是一種新穎的計算機外設(shè)設(shè)計方案，它具有非常高的性能價格比，能夠達到絕大多數(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。這種方案大大擴展了筆記本電腦對于ＩＳＡ接口設(shè)備的適應(yīng)能力，省去了用戶對擴展箱的需求。僅僅改寫該系統(tǒng)的ＣＰＬＤ程序和計算機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。ＥＰＰ的確是一種有前景的實用接口技術(shù)，值得微機外設(shè)設(shè)計者和使用者采用。
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