基于uPSD3254A单片机的EPP并口通信技术

引言：

    在IBM公司推出PC机开始，并口已经是PC机的一部分。最初并口就是为代替串口来驱动高性能点阵式打印机[1]，并口通信有SPP、EPP、ECP三种传输模式，SPP模式是半双工单向传输的，传输速率仅为15KB/S；EPP增强型模式采用双向半双工数据传输，传输速度高达2MB/S；ECP扩充型模式采用双向全双工数据传输，传输速率比EPP高。在设计和实现方面，EPP模式比ECP模式更灵活、简洁、可靠，在工业界得到了更多的实际应用[2]。本文介绍的是一种基于uPSD3254A的EPP增强并口的设计，其核心是使用uPSD323X内部的CPLD实现EPP接口与PC机上并口之间的高速硬件通信,实际测试中速度达到了900KB/S。

1 EPP协议介绍

    EPP协议是由Intel、Xircom、Zenith三家公司联合提出的，于1994年在IEEE1284标准中发布。EPP协议有EPP1.7和EPP1.9两个标准，可以在PC机的 BIOS/外围设备/并行口（BIOS/Peripheral Setup/Parallel Port Mode）方式中进行设置[3]。与传统并行口标准利用软件实现握手不同，EPP接口协议通过硬件自动握手，能达到500KB/s～2MB/s的通信速率。

1.1 EPP工作模式的寄存器和引脚定义 

    PC并口采用25针的DB型阴极接口，EPP工作模式的25个引脚的定义如表1所示。

                          表1  EPP协议引脚定义 

引脚号	EPP信号	方向	是否反向	说明
1	nWrite	输出	是	低电平表示写，高电平表示读
2~9	Data0~7	输出/输入	否	数据
10	Interrupt	输入	否	上升沿触发中断
11	nWait	输入	是	低电平传输数据/地址，高电平传输结束
12	Spare	输入	否	EPP未定义，可用户自定义
13	Spare	输入	否	EPP未定义，可用户自定义
14	nDstrb	输出	是	低电平表示数据传输
15	Spare	输入	否	EPP未定义，可用户自定义
16	nReset	输出	否	低电平有效
17	nAstrb	输出	是	低电平表示地址传输
18~25	GND	—	—	地

    在寄存器方面，EPP定义了8个寄存器，继承了SPP的3个寄存器，其中EPP与SPP共用状态寄存器和控制寄存器，保证了EPP模式和SPP模式软硬件兼容型，其寄存器定义如表2所示。将并口设置为EPP方式时，需要在PC机的BIOS中设置并口工作于EPP方式，寄存器组的基地址（BASE）通常设为0x378。

                             表2  EPP寄存器定义 

地址	端口名称	读/写
BASE+0	SPP数据端口	写
BASE+1	SPP/EPP状态端口	读
BASE+2	SPP/EPP控制端口	写
BASE+3	EPP地址端口	读/写
BASE+4	EPP数据端口	读/写
BASE+5~+7	用户自定义	—

 
 
1.2 EPP读写周期 

     为了能进行有效的EPP数据通信，必须遵循EPP的握手时序。与SPP的软件握手相比，EPP采用硬件完成的握手实现了高速的数据通信速度。EPP协议共分为四种周期：数据写周期、数据读周期、地址写周期和地址读周期，数据周期用于计算机和外设间传送数据；地址周期用于传送地址、通道、命令、控制和状态等辅助信息。

1.2.1 EPP数据/地址读周期如图1所示

  EPP数据/地址读周期CPU读操作步骤如下：

1）程序对EPP数据寄存器(Base+4)/地址寄存器(Base+3)执行读操作

2）nDstrb/nAstrb被置低如果nWaite信号为低，否则等待

3）主机等待nWaite为高表示数据发送成功

4）从并口中读取8位数据/地址

5）nDstrb/nAstrb被置高

6）EPP数据/地址读周期完成 


                                 
                  图1 EPP 数据/地址读周期

1.2.2 EPP数据/地址写周期如图2所示

    EPP数据/地址写周期CPU写操作步骤如下：

1）程序对EPP数据寄存器(Base+4)/地址寄存器(Base+3)执行写操作

2）将nWrite信号置低（低表示写操作）

3）将要写的数据/地址数据送到数据总线上

4）nDstrb/nAstrb被置低如果nWaite信号为低，否则等待

5）主机等待nWait握手信号为高表示发送成功

6）nDstrb/nAstrb被置高

7）EPP数据/地址写周期完成 

              
                          图2 EPP 数据/地址写周期

    其中，使用EPP1.7 (Pre IEEE 1284) 握手标准时，则nDstrb/nAstrb信号不考虑nWait是否为低，直接被置低开始一个新的读/写周期；如果使用EPP1.9握手标准，则只有在nWait信号为低时，nDstrb/nAstrb信号才会被置低开始一个新的读/写周期。但是EPP1.7和EPP1.9都要求nWait信号为高时一个读/写周期才结束[3]。

    由于nWait、nWrite、nDstrb、nAstrb等信号传输后反向（见表1），因此图1和图2 中的时序是从PC端考虑的，nWait信号表示单片机发出的原始信号，在PC端实际采用的是与单片机发出的原始信号取反后的信号。

2 uPSD323X及其开发环境介绍

    ST公司的uPSD3254A是带8032内核的Flash可编程系统器件，具有在线编程能力和超强的保密功能；256+32Kbytes的Flash存储器；片内8K的SDRAM；带有16位宏单元的3000门可编程逻辑电路（CPLD），可以实现EPP接口等一些不太复杂的接口和控制功能，50个I/O引脚等。

    由于uPSD3254A采用8032内核，因此可以完全得到Keil C51编程器的支持，PSDsoft EXPRESS是ST公司开发的基于Windows平台的一套软件开发环境。只要点击鼠标即可完成对地址锁存器、Flash、可编程逻辑电路等外设的所有配置和写入。使用PSDsoft EXPRESS工具对uPSD3200系列器件的可编程逻辑电路的操作简单、直观。

3.基于uPSD3254A的EPP接口实现

3.1 硬件接口

    EPP增强并口的速度最高可达到500KB/s～2MB/s，这对外设的接口有很高的要求，如果外设响应太慢，系统的整体性能将大大下降。但如果采用可编程逻辑器件，使接口的响应完全由硬件来完成，系统的整体性能将大大提高。这种实现方案可以达到并口中的速度极限，而且保密性好，EPP接口（EPP1.9）外设硬件接口原理如图3所示。 

          
                         图3 EPP接口外设硬件接口图

    在本设计中，uPSD3254A采用主动连续接收PC机并口的数据，当需要数据时，连续接收PC的数据，否则PC一直等待nWait信号有效。而当外设准备好数据上传到PC机时，PC机采用的是中断方式接收外设的数据。

3.2 CPLD逻辑编程

       在PSDsoft EXPRESS工具中，将PA端口（D0～D7）配置成带有时钟上升沿触发的寄存器类型（PT clocked register）的输入宏，PB4（nWrite）、PB6(nDstrb)、PB7(nAstrb)配置成CPLD逻辑输入（logic input）口。nDstrb信号和nAstrb信号各自取反再相与后的值作为输入宏单元的时钟。上述对PA、PB端口的配置用方程式表示如下：

EPP_D0.LD = !nDstrb & !nAstrb;

EEP_D1.LD = !nDstrb & !nAstrb;

EEP_D2.LD = !nDstrb & !nAstrb;

EEP_D3.LD = !nDstrb & !nAstrb;

EEP_D4.LD = !nDstrb & !nAstrb;

EEP_D5.LD = !nDstrb & !nAstrb;

EEP_D6.LD = !nDstrb & !nAstrb;

EEP_D7.LD = !nDstrb & !nAstrb;

nAstrb.LE = 1;

nDstrb.LE = 1;

    数据正向传输过程：即计算机向外设单片机传输数据（即EPP数据写周期）为例，计算机首先把nWrite信号置为低，表明是写周期，同时将数据放到数据总线上，然后检测nWait信号，如果nWait为低则置低nDstrb信号。此时，!nDstrb & !nAstrb信号会出现一个上升沿，此上升沿会将PA端口的数据锁存到输入宏；当单片机检测到nDstrb为低时将nWait信号变高表示外设正忙接收数据并处理，同时读取数据总线上的数据。当计算机检测到nWait信号为高后就会将数据握手信号nDstrb变高，EPP数据写周期结束。上述EPP数据的锁存和nDstrb握手信号的产生都由硬件产生，因此数据传输速度快。整个数据传输过程可以在一个I/O周期内完成。

       数据反向传输过程：单片机准备好数据需要上传到计算机时，uPSD3254A将数据放到PA端口，同时置低Intr信号线，向计算机申请一个中断，而计算机则由一个硬件驱动程序来处理并口的硬件中断。计算机首先把nWrite信号置高，表示当前为读周期，当计算机读取EPP数据口时同样会检测nWait信号。如果nWait为低，然后置低nDstrb并读取数据总线上的数据。单片机在检测到nDstrb为低时马上将nWait信号置高，PC机在nWait为高后自动将nDstrb信号置高，完成一个数据周期的读（相对PC机而言）过程。

3.3单片机数据接收程序

sbit nwait = P1^0;

sbit ERROR = P1^1;

sbit nDstrb ＝ PB & 0x40;

void parallel_rcv(unsigned long rcv_count)     //并口接收，rcv_count为接收字节数

{

       unsigned long i;

    rcv_data = (unsigned char * )&rcv_buffer;  

       reread_sign = 1;                                        //非错误态

       while(reread_sign ==1)

       {

              for(i=0;i
              {

                   nwait = 1;                                   //PC端反向后为低，表示外设准备好接收

                     while(nDstrb)                             //等待nDstrb为低时完成数据传输并锁存

                     nwait = 0;                                   //完成写周期，

                     rcv_data[i] = UPSD_xreg.IMC_A;  //从锁存的输入宏中读取数据

              }                                                                    //接收完成     

              ERROR = error_check(rcv_data);                //检测错误，1为正确，0为错误

              if(ERROR)                                                      

              {

                     reread_sign = 0;                                        //无错则退出while循环       

              }

              else                                                   

              {

                     ERROR = 1;                                             //校验有错则while循环继续

              }

       }

       该程序为单片机数据接收（即PC写数据）子程序，其中rcv_buffer为接收缓存区，error_check为对接收的数据进行校验.如果出错，则将用户自定义引脚12置低，PC机读取状态寄存器时读取到该用户自定义状态为低时，将数据重发，保证了通信的可靠性。

参考文献：

[1] 余张国，李众立，张晓琴，李磊民.基于EPP协议的AVR与PC并行通信系统的设计.PLC&FA，2004：（5）
[2] 霍晓方.用68HC908GP32单片机实现EPP增强并口的接口技术.单片机与嵌入式系统应用，  2006:(4)
[3] Interfacing the Enhanced Parallel Port.pdf. http://www.beyondlogic.org 

作者简介：

方耀湘（1982－），男 湖南省湖南大学电气与信息工程学院硕士研究生，研究方向：电子技术应用。  

黎福海（1964－），男，广西人，湖南大学电气与信息工程学院副教授，目前研究领域：数字信号处理。

胡兆斌（1963－），男，陕西人，深圳美安可有限公司总工，目前研究方向：工业印刷技术。