8位单片机的16位外部总线扩展与应用

发布时间：2020-07-21 19:27:07 阅读：次来源：指环厂家

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。 1 8位/16位总线时序分析

本文引用地址： 1.1 8位单片机总线时序

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。

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。

1.2 ide硬盘总线时序

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。

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。

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。

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。

2 16位总线扩展的实现

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：

这里“＆”表示“与”，“！”表示“非”，即rd和cs5同时有效时，le5有效；wr和cs6同时有效时，le6有效。注意：cs5和cs6有一部分地址空间与cs2重合，即选通cs2的同时，也同时会选通cs5或cs6。另外，通过外部设备地址线的连接，使得8000h－81ffh和8200h－83ffh寻址同一个位置，以图2中的ide硬盘为例，da0－＞a0，da1－＞a1，da2－＞a2。

单片机写16位数据时，执行写操作使cs6有效（寻址fe00h－ffffh），输出高8位数据并锁存到u4，然后执行写操作使cs2有效（寻址8200h－83ffh），p0口上的数据和u4锁存的数据同步输出，形成16位数据d0－d15，从而写入外部设备。

单片机读16位数据时，执行读操作使cs2有效（寻址8000h－81ffh），外部设备的低8位送至p0口，而高8位同时被u3锁存，然后执行读操作使cs5有效（寻址fc00h－fdffh），u3锁存的数据被送至p0口。

在上面的读/写过程中，虽然对cs2的寻址位置不同（读为8000h－81ffh，写为8200h－83ffh），但由于位置重合，故可对16位外部设备正确读/写。另外，如下单片机寻址连接到cs1、cs3、cs4上的8位设备，则由于u3和u4没有选通，对其操作没有任何影响。

从上面的实现可以看出，扩展后的16位外部总线与外部设备进行数据交互时只增加一条指令。本方法与常规的端口模拟方法的比较结果如表1所列。从表中可以看出，采用本方法后，传输速率是常规方法的3倍。

另外，上述扩展方法还可以进一步引申：1）若有未使用的i/o口（如w77e58的p1口），则可用来直接输出高8位数据，从而可以去掉图4中的u4；2）若对成本不太敏感，则可把图4中的逻辑器件用cpld实现，从而使设计更为灵活，布线更为方便，结构更为紧凑，基本实现原理仍然如图4所示。

3 在车载数据采集系统中的应用

8位单片机扩展16位外部总线的方法已应用于车载数据采集系统，图5为该系统的原理框图。汽车厂商在开发新车型或者关键零部件升级时，必须经过样品试制、产品鉴定、小批试制和大批生产等必要阶段。每个阶段中，都伴随着大量的可靠性试验，车载数据采集系统正是为这些试验而设计的。鉴于其特殊的使用条件，必须满足如下基本要求：能够进行连续、长时间数据采集、时间有可能是几天或者一个月；因为有可能很多台车辆的试验同时进行，因而要求系统成本低且安全可靠，具有can总线数据采集接口。在图5中，8位单片机上挂有3个8位总线器件（usb slave器件，ram和can总线器件）和1个16位总线接口设备（ide硬盘）。

单片机采用前面提到的w77e58；为保证较高的数据传输速率，便于与外部串口设备（lcm显示屏）通信，外部晶振频率使用33m赫兹。

usb slave器件采用pdiusbd12，使用模块化的方法实现一个usb接口，本次设计通过该器件把ide硬盘映射成一个可移动硬盘，从而实现了大容量存储类（massstorage class）。

ram采用hy62wt08081e。该器件提供32kb的数据空间，用于数据采集以及fat32文件系统操作的缓存。

can总线接口器件采用sja1000＋tle6250的组合，sja1000是独立的can控制器，用于汽车和工业环境中的控制器局域网络，tle6250是针对汽车环境设计的can收发器。

ide硬盘使用经过防震处理的工业用硬盘，也可使用cf卡加ide转接线的方式。

图6为车载数据采集系统的简要软件流程图。考虑到usb端口和can总线上的数据一般不会同时向系统发出请求，故软件采用查询方式工作，主要包括以下几部分：主流程、usb协议实现[2]、can总线数据[3]和其他车辆状态信号采集，以及fat32协议实现。

4 小结

本设计在8位单片机上实现了16位外部总线，可对16位设备进行高速存取，并且保留了原8位总线的功能，这种8位/16位总线共存的方式，较之端口模拟总线方式，极大地提高了数据的传输速率，该16位总线扩展方式已成功应用于车载数据采集系统，在汽车的道路可靠性试验中，安装了多套该系统，试验结果表明，该系统使用方便，工作稳定、可靠，数据传输率高、完全满足汽车动态采集数据的需要，该16位总线的扩展方式，可应用于具有8位外部总线的单片机，在一定程度上，扩大了该类单片机的使用范围。