8位单片机的16位外部总线扩展与应用
随着电子设计技术的进步和芯片制造工艺水平的提高，16位和32位单片机的使用越来越广泛，但是8位单片机因其制造工艺成熟、价格低廉等特点，仍然在市场上占有相当大的比例，尤其在成本敏感和可靠性要求极高的汽车电子领域，更占用绝对优势，带有外部总线的8位单片机，可以方便地与8位总线设备（如A/D、RAM和CAN总线）相连。随着对传输性能要求的提高，出现了大量的16位总线设备（如网络接口芯片），8位单片机要与16位总线设备相连接，通常的做法是利用I/O端口来模拟16位总线的读/写时序，数据传输速率较低，且原有的8位设备的传输速率也随之降低，因而限制了8位单片机的使用范围，本文提出一种8位单片机扩展16为外部总线的方法，不影响原有8位器件的前提下，可实现对16位总线设备的高速存取；最后，介绍了如何利用该方法与IDE硬盘相连接，并应用于车载数据采集系统。
<P><STRONG> 1 8位/16位总线时序分析 </STRONG></P>
<P><STRONG> 1.1 8位单片机总线时序 </STRONG></P>
<P> 带有外部总线的8位单片机有很多，如51系列，AVR系列等，本文以W77E58为例，W77E58是Winbond公司推出的增强型51单片机，工作时钟最高为40M赫兹，在同样的时钟频率下，W77E58指令速度是传统51单片机的3倍；另外，W77E58对程序存储器和数据存储器的寻址能力都为64KB。图1中上半部分为读时序，下半部分为写时序。 </P><IMG style="WIDTH: 300px; HEIGHT: 236px" height=236 alt=单片机w77e58的读/写时序 hspace=0 src="http://www.dzdqw.com/jishu/UploadFiles_9637/200610/20061010225238254.jpg" width=300 border=0>
<P> 以读数据为例，P0、P2口输出当前地址，ALE的下降沿锁存低8位地址，高8位保持不变；而后，读信号RD使能（低电平），外部设备把数据送到P0口，RD的上升沿把数据读入单片机。写数据与此类似，不过数据方向相反，同时为保证数据能够正确写入外部设备，单片机在写信号WR使能前把数据送到P0口，WR无效后须保持一定时间，从图1中可以看出，单片机用P0口存取8位数据，P2口仅用于地址输出。 </P>
<P><STRONG> 1.2 IDE硬盘总线时序 </STRONG></P>
<P> 下面以IDE硬盘为例来分析16位总线时序，图2是IDE硬盘的接口示意图[1]，只标出了与总线有关的信号线：DIOR/DIOW，读/写；DCS0/DCS1，片选；DD0－DD15，16位数据线；DA0－DA2，3位地址线。 </P><IMG style="WIDTH: 200px; HEIGHT: 324px" height=324 alt=ide硬盘接口 hspace=0 src="http://www.dzdqw.com/jishu/UploadFiles_9637/200610/20061010225238582.jpg" width=200 border=0>
<P> IDE硬盘是典型的16位总线设备。IDE接口有两个片选信号，DCS1用来寻址控制寄存器。默认状态下即可对IDE硬盘进行存取操作，故一般把该信号线直接连到高电平而只使用DCS0。其时序如图3所示。 </P><IMG style="WIDTH: 322px; HEIGHT: 169px" height=169 alt=ide硬盘读/写时序 hspace=0 src="http://www.dzdqw.com/jishu/UploadFiles_9637/200610/20061010225238151.jpg" width=322 border=0>
<P> 读/写周期开始时DIOR和DIOW均处于无效状态，DA0－DA2连接到主机（在这里为单片机）的地址输出。在收到读请求（DIOR使能）后把数据送至数据线上，主机利用DIOR的上升沿锁存该数据；之后，硬盘控制器延时后释放数据线，在接收写请求时（DIOW使能），则让数据线处于三态（tri－state），等待主机输出数据，最后在DIOW的上升沿把数据写入硬盘控制器，在DIOW上升沿之前，主机需把数据准备好。 </P>
<P> 对比图1和图3可知，总线时序基本一致，只是在数据线上传输的数据位数不同，但是，主机一条指令完成一个读/写周期，从外部设备到主机的16位数据在指令完成后不再有效；而从主机到外部设备的数据必须在指令完成前准备好，因而要把8位总线扩展成16位总线，必须要同时考虑读/写时数据的锁存问题。 </P>
<P><STRONG> 2 16位总线扩展的实现 </STRONG></P>
<P> 根据前面对总线时序的分析，采用如图4所示的方法对8位总线进行扩展，使其满足16位总线读/写。主要由以下两部分组成：1片GAL16V8（U5），实现片选信号的译码和其他信号的编码；2片74HC573（U3、U4），实现高8位数据锁存。CS1－CS4是A9－A15的译码输出，可连接4个外部设备。地址范围根据具体设备来设定，假设CS2上连接有16位总线设备： </P>
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