用增强并口EPP协议扩展计算机的ISA接口

    摘 要： 提出了用EPP协议和CPLD扩展笔记本电脑的ISA接口的方法，给出了详细的技术解决方案。扩展的ISA接口可以达到1310 kB/s的双向通讯速度，与ISA本身的速度相当。用户可以通过扩展的ISA接口直接使用市场上的基于ISA的接口卡。

    关键词： ISA 标准并口 增强并口（EPP）复杂的可编程逻辑器件

    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。特别是在基于笔记本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。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。但是在基于笔记本的应用系统中，由于笔记本电脑没有扩展槽，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的各种外围接口，即把笔记本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业界广泛认可的双向并口模式。1992年，由Itel,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什么不能匹配的地方。

    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，如果单片机只是用来扩展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～D7７、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nAddStrobe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，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图１）。

    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='I'then

    ＃IORD ＜＝‘０’

    IOR;='0'

    ISA:=RD

    Elseif IOW='1'then

    ＃IOWR ＜＝‘0’

    ISADataBuf＜＝EPPBuf

    IOW='0'

    ISA=WR

    End if

    When WR＝＞

    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的数据口，379H是SPP的状态口，37AH是SPP的控制口，37BH是EPP的地址口，37CH是EPP的数据口。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1310 kB/s，读操作可以达到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

    ·RS232串口：是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。

    ·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。

    ·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。

    ·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。数据可以最大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。

    · 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。

    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，性能价格比非常高，能够达到绝大多数的基于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。