用增强并口EPP协议扩展计算机的ISA接口

利用微机开发便携式的数据采集、控制系统一直是微机应用系统开发者十分关心的课题。特别在是基于笔记本电脑的数据采集和控制系统中，这一点显得尤为重要。传统的数据采集和控制系统是针对台式机或者工控机设计的，一般都做成了标准的插卡，如Ａ／Ｄ卡、Ｄ／Ａ卡、ＲＳ２３２扩展卡等等，用户根据自己的实际需要选取合适的插卡，安装在自己的计算机中，再编写所需要的程序。但是在基于笔记本电脑的应用系统中，由于其没有扩展槽，如果用户自己不再配一个扩展箱，就不能配置现成的插卡。扩展箱的主要功能是扩展笔记本电脑的各种外围接口，即把笔记本电脑的功能扩展为与一个台式机相同的功能。它需要单独的电源供应，体积比笔记本电脑本身大，又比笔记本重的多，价格在人民币７０００～１００００元左右。如果能够找到一种便捷的方法，为笔记本电脑提供一个标准的总线接口，如ＩＳＡ接口，那么现在市场上大部分的插卡都可以用在笔记本电脑上，不仅为用户节约了一个扩展箱投资，而且还为用户提供了更加广阔的选择余地。本文提出了解决该问题的一个完整的技术方案。

１ ＥＰＰ并口

最初的计算机并口只是为打印机设计的，数据只是单向传输。ＩＢＭ公司引进了ＰＳ／２设计后，并口开始支持双向数据传输，但是ＰＳ／２实际上并没有成为一个为业界广泛认可的双向并口模式。１９９２年，由Ｉｎｔｅｌ、Ｘｉｃｏｍ和Ｚｅｎｉｔｈ公司共同制定了ＥＰＰ１．７标准。以后ＩＥＥＥ又发展了ＩＥＥＥ１２８４的ＥＰＰ标准。实际上ＥＰＰ的标准共有三个，即ＥＰＰ１．７、ＥＰＰ１．９和ＩＥＥＥ１２８４，这些标准并不完全兼容，特别是ＥＰＰ１．７和ＩＥＥＥ１２８４之间，不过这些对用户的使用并没有太大的影响。文献[１]即是ＩＥＥＥ１２８４标准，其中规定了并口各种模式的详细的时序图，包括ＳＰＰ、ＰＳ／２、ＥＣＰ和ＥＰＰ模式。作者根据ＩＥＥＥ１２８４上规定的时序图进行了时序设计，而计算机上提供的ＥＰＰ版本是ＥＰＰ１．７或ＥＰＰ１．９，实际使用中它们没有不匹配的地方。

２ 用ＥＰＰ扩展ＩＳＡ接口的总体设计

计算机主板上一般有２～３个ＩＳＡ插槽，可以扩充一些ＩＳＡ插卡。大多数基于ＩＳＡ标准的微机数据采集和控制只用到了ＩＳＡ接口的数据线、地址线、ＡＥＮ、ＡＬＥ、＃ＩＯＲ、＃ＩＯＷ等信号，有的也用到了中断和ＤＭＡ的信号。只要了解这些信号之间的时序关系，我们完全可以自己用逻辑器件“制造”出ＩＳＡ接口，文献[２]介绍了用单片机扩展总线的技术，包括ＩＳＡ、ＳＴＤ总线等。作者曾经用并口的ＳＰＰ模式和８０Ｃ１９６单片机扩展出了计算机的ＩＳＡ接口，但是ＩＯ读写速度只能达到２０ＫＢ／ｓ左右，总体的效果不太理想。ＥＣＰ和ＥＰＰ都能进行高速双向数据通讯，但是ＥＣＰ的实现远比ＥＰＰ复杂的多，其性能和ＥＰＰ却大致相当，所以最终的方案采用了ＥＰＰ模式。由于单片机是一个单任务的串行控制器，如果它只是用来扩展ＩＳＡ接口，那么可以达到比较高的速度；否则，ＩＳＡ总线的速度会大大降低，最后变得失去使用价值，所以最终的外设芯片不能采用单片机，只能采用ＤＳＰ或者大规模的可编程逻辑器件。作者选用了后一种方案。

用ＥＰＰ扩展ＩＳＡ口的硬件核心是一片可编程逻辑器件，如ＣＰＬＤ，它一方面负责与计算机通过ＥＰＰ协议进行双向数据通讯，另一方面负责产生ＩＳＡ接口时序，系统体系相当简洁而高效，电路原理如图１所示。ＥＰＰ的数据线Ｄ０～Ｄ７和信号线ｎＷｒｉｔｅ、ｎＤｓｔｒｂ、ｎＡｓｔｒｂ、ｎＩｎｉｔ、ｎＷａｉｔ、Ｉｎｔｒ直接与ＣＰＬＤ的双向Ｉ／Ｏ线相连。另外，ＥＰＰ没有定义标准并口的第１２、１３、１５三个引脚，这些引脚用户可以灵活使用。电路图上并口的第１３脚和ＣＰＬＤ连了起来，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等信号。扩展的ＩＳＡ接口提供了１６根地址线，可以寻址６４Ｋ的ＩＯ空间，这比计算机所提供的ＩＯ空间（１Ｋ）大了许多倍。用户可以专门设计具有６４Ｋ寻址能力的数据采集和控制板，也可以用只有１Ｋ寻址能力的数据采集和控制板，在这种情况下，地址线的高６位被忽略了，但这并不影响系统的正常使用。

３ 硬件操作方法

ＥＰＰ协议定义的并行口提供了四种传送周期：数据写周期、数据读周期、地址写周期和地址读周期。数据周期一般用于计算机和外设间的数据传送，地址周期一般用于传送地址、通道、命令和控制等信息。实际上，数据周期和地址周期并没有那么严格的界限，可以把地址周期看做另一种数据周期，二者并没有太大的区别。图２是ＥＰＰ数据写周期的时序图，图中的ｎＩＯＷ信号实际上在进行ＥＰＰ数据写时并不会产生，只不过是为了表示所有的操作都发生在一个ＩＯ周期内，只有这样，才能使ＥＰＰ获得ＩＳＡ总线的数据操作速度。图２中的ｎＤａｔａＳｔｒｏｂｅ信号如果换为ｎＡｄｄＳｔｒｏｂｅ信号，就是ＥＰＰ地址写周期。图３是ＥＰＰ地址读周期，也是发生在一个ＩＯ周期内。

ＥＰＰ定义了一个计算机用于控制外设初始化的信号：ｎＩｎｉｔ，如果用户不希望控制外设的初始化，则可以不处理这个信号；用户也可以挪用ｎＩｎｉｔ信号做其他的用途，在本设计方案的地址周期中，如果ｎＩｎｉｔ为高，则表示该地址对应ＩＳＡ接口的高８位地址，否则，对应低８位地址。用这种办法解决了用８位的ＥＰＰ地址扩展１６位的ＩＳＡ地址的难题。实践证明，这是一个方便实用的解决方法。

用ＥＰＰ扩展ＩＳＡ接口，最根本的任务是把ＥＰＰ的数据读写周期快速地转化为ＩＳＡ的ＩＯ读写周期。在ＩＳＡ的时序中[３]，时钟的频率是４．７７ＭＨｚ，典型的一个ＩＳＡ周期要用４个时钟周期，即大概１μｓ的时间。在ＥＰＰ的读周期中，ＥＰＰ首先发出读命令，然后等待ＩＳＡ的数据响应，如果ＩＳＡ仍然以４个时钟来进行ＩＯ读操作，那么ＥＰＰ很有可能会由于超时而发生时序错误，数据也必然会错。解决这个问题可以用提高ＩＳＡ接口的时钟频率的办法，如提高到８ＭＨｚ甚至是１６ＭＨｚ，但是这样的话ＩＳＡ卡可能会来不及响应而发生数据错误，所以这种方法不可取；另一种方法是改造ＩＳＡ接口的时序，使得既能满足ＩＳＡ卡的时序要求，又不至于造成ＥＰＰ的超时错误。仔细分析ＩＳＡ的ＩＯ读时序，ＣＰＵ在Ｔ１发出地址信号并发出ＡＬＥ信号，在Ｔ２发出读命令，在Ｔ３采样ＲＥＡＤＹ信号，以决定是否产生等待周期，如果不需要等待，则在Ｔ４读取数据，完成整个读周期。可以发现，对于本系统，Ｔ１周期是可以省略的，因为ＣＰＬＤ可以在ＥＰＰ的地址周期内设定要寻址的ＩＯ地址，而没有必要在ＩＳＡ周期内再发送地址，这样ＩＳＡ的ＩＯ读周期就从４个时钟减少到３个时钟；如果可以保证ＩＳＡ卡设备可以在一个时钟内送出有效的数据，则Ｔ３也可以省略，这样一个ＩＳＡ读周期实际上只占用了两个时钟，不会造成ＥＰＰ的超时错误。对ＥＰＰ数据写周期，因为ＣＰＬＤ可以先把数据写到缓冲中，首先保证ＥＰＰ时序，再把数据从缓冲写到ＩＳＡ设备中去，所以不会造成超时错误。ＩＳＡ的读写时序经过这样的简化处理后，可以满足ＩＳＡ设备和ＥＰＰ两方面的时序要求。

４ ＣＰＬＤ的编程

系统选用的ＣＰＬＤ是ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＥＰ７０６４，它有６４个宏单元，１２５０个可用门，就可以完成ＥＰＰ和ＩＳＡ的接口任务。文献[４]详细介绍了ＡＬＴＥＲＡ公司的ＣＰＬＤ器件，在这里就不再介绍器件的性能和使用方法了。仅给出用ＶＨＤＬ语言写的控制程序如下（部分信号的意义请参照前面的电路原理图）。

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 计算机对ＥＰＰ／ＩＳＡ的操作

计算机通过ＥＰＰ协议用ＣＰＬＤ扩展出ＩＳＡ接口，现有的ＩＳＡ卡就可以通过ＩＳＡ接口、ＣＰＬＤ和ＥＰＰ协议间接地连到了计算机上。对于ＩＳＡ卡的使用者而言，无论从硬件的角度还是从软件的角度来看，都好象是这块ＩＳＡ卡直接插在计算机的ＩＳＡ槽内，其速度也完全能够达到应用的要求。ＥＰＰ协议的用户编程接口是协议定义的几个ＩＯ口地址。以并口基地址为３７８Ｈ为例，３７８Ｈ是ＳＰＰ数据口，３７９Ｈ是ＳＰＰ状态口，３７ＡＨ是ＳＰＰ控制口，３７ＢＨ是ＥＰＰ地址口，３７ＣＨ是ＥＰＰ数据口。对ＩＳＡ卡的操作顺序是：首先通过设置ｎＩｎｉｔ为高和写ＥＰＰ地址口来设置ＩＳＡ卡的高８位地址，再通过设置ｎＩｎｉｔ为低和写ＥＰＰ地址口来设置ＩＳＡ卡的低８位地址，就可以通过ＥＰＰ数据口对ＩＳＡ卡进行读写操作了。作者本人做出的系统对单一的地址进行操作时，写操作的速度可以达到１０００～１２００ ＫＢ／ｓ，最高可以达到１３１０ＫＢ／ｓ，读操作的速度可达８００～１１００ＫＢ／ｓ，完全能满足数据采集和控制的要求。如果是对多个地址进行操作，由于设置地址要占用一个或者两个ＥＰＰ地址周期，所以数据传输速度会有所损失。

６ 与其它通讯方案的比较

（１）ＲＳ２３２串口：最通用的一种连接方法。但是它支持数据传输速率最大为１０～２０ＫＢ／ｓ，对于一般的数据采集和控制系统而言显得有些慢。

（２）ＳＰＰ：数据通讯速度比串口快，可以达到１５０ ＫＢ／ｓ。但是ＳＰＰ用做数据输入时很麻烦，用多次ＩＯ才能完成一次完整的数据读取，速度要牺牲很多，况且外设的设计并不比ＥＰＰ简单。所以，如果选择了并口方案，就不能选择ＳＰＰ模式，除非用户仅仅是做数据输出并且对速度没有很高的要求。

（３）ＥＣＰ：与ＥＰＰ相比ＥＣＰ最大的优势是它支持ＤＭＡ操作，如果系统工作时有大批量的数据要传输，用ＥＣＰ模式可以大大减轻计算机ＣＰＵ的负担，提高系统的整体性能。但是获得ＥＣＰ的高性能的代价是必须重新设计比ＥＰＰ复杂得多的接口软件（指ＣＰＬＤ的控制软件），同时计算机软件方面还必须要编写硬件驱动程序，这对于一般的计算机应用系统开发者而言还是一个不小的困难。

（４）ＰＣＭＣＩＡ（ｔｈｅ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃａｒｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）：发展了信用卡大小的外设与ＰＣ机连接的标准。最初，ＰＣＭＣＩＡ标准仅对于内存卡，现在已扩展到Ｉ／Ｏ设备。数据能以最大５ＭＢ／ｓ的速率传输。但ＰＣＭＣＩＡ卡不支持ＤＭＡ，这就增加了数据采集和ＣＰＵ处理之间的时间。因而，目前的ＰＣＭＣＩＡ Ｉ／Ｏ卡需大容量缓存。ＰＣＭＣＩＡ设备的另一缺点是尺寸太小（最大尺寸８６ｍｍ×５４ｍｍ×１０ｍｍ），不能用于控制数据采集系统中的一些模拟电路部分。

（５）ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）：支持１２Ｍｂｐｓ的数据传输速度，支持１２７个外围设备，支持ＰＮＰ（Ｐｌｕｇ ａｎｄ Ｐｌａｙ），支持热插拔，并且总线本身可以提供用户系统电源。信号传输采用差分方式，可以抑制比较强的共模干扰。ＵＳＢ具有很大的发展前途。在未来的计算机上，可能不再提供ＲＳ２３２串口，可能不再提供并口，但绝对不可能没有ＵＳＢ接口。ＵＳＢ的使用不象并口那样简洁，它必须要有专用的接口芯片的支持才能用在系统中。不少芯片商已经提供了ＵＳＢ的产品，如ＵＳＢ ＨＵＢ、ＵＳＢ接口、ＵＳＢ单片机等等。当然用户自己也可以把ＵＳＢ协议写到ＰＬＤ芯片中去，使接口和系统融为一体。

综上所述，采用ＥＰＰ扩展计算机的ＩＳＡ接口是一种新颖的计算机外设设计方案，它具有非常高的性能价格比，能够达到绝大多数基于ＩＳＡ接口的数据采集和控制系统的通讯速度要求。这种方案大大扩展了笔记本电脑对于ＩＳＡ接口设备的适应能力，省去了用户对扩展箱的需求。仅仅改写该系统的ＣＰＬＤ程序和计算机的控制程序就可以提供新的功能，如做成双ＩＳＡ接口系统，或者改造成ＳＴＤ、ＳＴＥ总线系统等等，而系统的硬件不需做任何的改动。ＥＰＰ的确是一种有前景的实用接口技术，值得微机外设设计者和使用者采用。