摘? 要: 提出了一種新穎的非多路復用" title="多路復用">多路復用總線與多路復用總線的轉換接口電路。以兩種總線的典型代表芯片TMS320F206與SJA1000為例,分析了各自時序的特點,詳細論述了兩種總線之間轉換的關鍵:讀、寫周期" title="寫周期">寫周期的使能信號和起始基準的確定,并采用復雜可編程器件CPLD實現。
?? 關鍵詞: 非多路復用總線? 多路復用總線? 時序? CPLD DSP
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微處理器對外并行總線接口方式一般分為兩種,一種為多路復用方式,數據與地址采用共用引腳,分時傳輸;另一種是非多路復用方式,數據與地址采用分離引腳,同時傳輸。目前國內應用廣泛的MCS196和MCS51系列微處理器采用多路復用總線,設計電路時應考慮如何將數據和地址從總線上分離出來,與存儲器、外圍接口芯片的數據和地址引腳連接。一般利用ALE(地址鎖存)信號觸發鎖存器(74LS373)將地址與數據信號分離出來。近幾年來,隨著低價位DSP芯片的出現,DSP芯片已被廣泛應用到控制與測量領域中。國內使用的DSP芯片以TI公司的TMS320系列為主流。這種微處理器對外的數據和地址總線接口方式為非多路復用方式,不能與多路復用方式的外圍接口芯片(如CAN控制器SJA1000)直接相連。國內和國外也沒有一款專用集成電路芯片來實現非多路復用方式到多路復用方式的轉換。參考文獻[1]提出了一種轉換方法,是將DSP的數據線作為CAN控制器的數據地址復用線,用DSP的地址線A0作為地址、數據選擇線。A0=1時,地址有效;A0=0時,數據有效,即用奇數地址傳送地址,用偶數地址傳送數據。雖然此方法實現起來電路簡單,但在編程時卻需要考慮發送的數據何時作為CAN控制器的地址,何時作為CAN控制器的數據,沒有從根本上解決非多路復用方式到多路復用方式的轉換。本文以TMS320F206與SJA1000的連接為例,采用復雜可編程邏輯器件CPLD,完成了用硬件來實現非多路復用方式到多路復用方式的轉換。
1 多路復用總線的信號和時序
1.1 SJA1000接口的主要信號說明
CAN控制器SJA1000提供的微處理器接口方式為典型INTEL或MOTOROLA地址數據多路復用總線模式,主要信號有地址數據信號AD7～AD0、地址選通信號ALE、片選信號/CS、讀信號/RD、寫信號/WR、模式選擇信號MODE。當MODE=1時,為INTEL模式;當MODE=0時,為MOTOROLA模式。本文描述的地址數據多路復用總線模式均為INTEL模式。圖1和圖2分別為INTEL模式讀、寫周期時序。AD7～AD0引腳在ALE有效時,傳送的是地址信號;在RD或WR有效時,傳輸的是數據信號。
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1.2 SJA1000的時序分析
??? 以SJA1000的讀時序為例進行說明。在設計轉換橋時,多路復用總線的各信號必須滿足如下時間參數要求:ALE的脈沖寬度(tW(AL))最小為8ns;地址信號(A0～A7)建立到ALE變為低電平所需時間(tsu(A-AL))最小為8ns;RD的有效脈寬(tW(R))最小為40ns;/RD為低電平到數據信號(D7～D0)有效所需時間(tRLOV)最大為50ns;/RD變為高電平到地址數據線釋放(即高阻狀態)所需時間(tRHDZ)最大為30ns。
2 非多路復用總線的信號和時序
2.1 TSM320F206接口的主要信號說明
TSM320F206的總線接口方式采用地址和數據分離的形式。其主要信號有地址信號A0～A15、數據信號D0～D15、讀信號/RE、寫信號/WE、閘門信號STRB、I/O" title="I/O">I/O空間選擇信號/IS、數據存儲器選擇信號/DS、程序存儲器選擇信號/PS、機器時鐘輸出信號CLKOUT1。當對外部數據存儲器、程序存儲器或I/O空間訪問時,STRB有效;當對外部I/O訪問時(即程序中使用PORTR和PORTW指令),IS有效。
2.2 TSM320F206的I/O時序分析
??? TMS320F206的讀寫時序[2]如圖3和圖4所示。I/O的讀或寫工作周期一般在兩個機器周期內完成。在此期間,IS信號和地址信號一直保持有效;閘門信號STRB發生在第一個機器周期有效后并保持一個機器周期以上;RE和WE有效時,數據有效。兩次連續的寫操作(如圖4所示)時,WE的有效間隔時間tW(WH)最小為(2H-4)ns,而兩次連續的讀操作(如圖3所示)時,RE的有效間隔時間tW(RDH)為(H-4)ns～Hns,其中H為0.5倍的機器時鐘周期" title="時鐘周期">時鐘周期?？梢妼τ谶B續的讀、寫操作,/RE、/WE的有效間隔不同,設計電路時應注意此細節。在連續的讀或寫操作時,/IS信號一直為有效電平‘0’,無法以此信號作為產生SJA1000的ALE、讀、寫信號起始基準;而在寫周期時,STRB與WE的變化始終保持一致,因此在產生SJA1000寫周期時,可以用STRB作為ALE、/WR產生的起始基準信號。但是TSM320F206在連續的讀操作時,STRB一直保持為低電平,可見在產生SJA1000讀、寫操作周期時,無法單獨以它作為ALE、/RD信號產生的起始基準,需與/IS、/WE、/RE進行邏輯組合來作為SJA1000讀、寫操作周期的起始基準信號。
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3 CPLD實現轉換橋的設計方法
此轉換橋如果用中規模集成電路(74系列)實現起來比較復雜,工作頻率又較高,布線時若稍不合理,易引起干擾,使得電路工作不穩定,因此這里采用高可靠性的復雜可編程邏輯器件CPLD,用硬件描述語言VHDL來實現。
3.1 轉換橋引腳信號定義
??? 圖5為轉換橋的時序仿真圖,其中轉換橋的各引腳信號與TMS320F206和SJA1000l引腳信號的對應為:fabl7接A0～A7;fdb7接D0～D7;fds接IS;fstrb接STRB;fwe接WE;frd接RE;fcp接CLKOUT1;ale接/ALE;adb7接AD7～AD0;wr接/WR;rd接RD。
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3.2 SJA1000讀、寫周期使能信號和起始基準信號的確定
轉換橋的基準時鐘fcp為TMS320F206的機器時鐘輸出信號CLKOUT1。fcp為20MHz的方波信號。因為TMS320F206的讀或寫工作周期一般為一、兩個機器時鐘周期,此時基準時鐘fcp最多含有四個邊沿狀態,無法完成非多路復用到多路復用的轉換,所以通過軟件等待設置,使TMS320F206對外部總線操作時,由原來所用的一個機器時鐘周期延長到四個機器時鐘周期,邊沿狀態個數增加了4倍。另外fcp的脈寬為25ns,這樣可以保證轉換橋輸出的多路復用總線時序的時間參數滿足SJA1000的時序要求。從上面的時序分析中可以確定出SJA1000的讀、寫周期的使能信號(/IS)和起始基準信號(/STRB、/WE、/RE邏輯組合)。/IS作為轉換橋的片選信號,當IS為“0”時,轉換橋工作;否則,轉換橋的各輸出信號被懸掛。當/IS為“0”、/STRB為“0”、/WE為“0”、/RE為“1”時,DSP開始對外部I/O進行寫操作,在后面緊跟的四個DSP機器時鐘周期產生出1個SJA1000的寫周期;當/IS為“0”、/STRB為“0”、/WE為“1”、/RE為“1”時,DSP開始對外部I/O進行讀操作,在后面緊跟的四個DSP機器時鐘周期產生出1個SJA1000的讀周期。
3.3 讀操作轉換過程
通過軟件等待設置,使DSP的 I/O讀、寫操作需四個機器時鐘周期。在第一個時鐘周期的上升沿" title="上升沿">上升沿產生ale信號(脈寬為0.5倍的機器時鐘周期),同時將DSP輸入的低八位地址fabl7鎖存并送到地址數據復用總線adb7,并保持到第二個時鐘周期的上升沿為止,此時adb7為高阻狀態。第三、第四個時鐘周期,DSP的讀信號frd有效,將此信號直接送到rd引腳,此時adb7引腳的數據直接送給fdb7引腳,讀操作結束。
3.4 寫操作轉換過程
在寫操作的四個時鐘周期中,在第一個時鐘周期的上升沿產生ale信號(脈寬為一個機器時鐘周期),同時將DSP輸入的低八位地址fabl7引腳的信號送到adb7上,并保持到第三個時鐘周期結束。在第四個時鐘周期的上升沿產生寫信號wr(寬度為一個時鐘周期),在DSP寫信號few的上升沿處鎖存數據線fdb7來的信號,并將其送到adb7引腳上,延時到第五個時鐘周期時把adb7變為高阻狀態,寫操作結束。
本文提出的非多路復用總線到多路復用總線轉換橋采用了Xilinx公司的CPLD芯片XC95144-15-PQ100,并使用該公司開發的集成環境Fundation F3.1i,將其集成為一塊專用芯片。通過大量的實驗測試,此轉換橋工作非常穩定,現已應用到電力網絡饋線遠程終端裝置(FTU)中。
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參考文獻
1 廖傳書，李 崇.CAN總線控制器與DSP的接口.電子技術應用,2002;28(11)
2 TMS320LC206 Digital Signal Processors Data.Texas Instruments，1999
3 Stand-alone CAN Controller SJA1000 Data，Philips Semiconductors，2000
4 李 剛，林 凌，葉文宇. TMS320F206 DSP結構、原理及應用.北京:北京航空航天大學出版社,2002
5 徐志軍，徐光輝.CPLD/FPGA的開發與應用.北京：電子工業出版社，2002