MCF51QE128快速GPIO的外部总线接口设计
时间：2010-06-28 10:44:08
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[导读]本文在对该模块进行分析的基础上给出了实现高速外部总线的方案，以及硬件连接和软件底层通用接口，解决了QE128连接外部高速总线设备的问题。
引 言
外部总线接口大都出现在功能和价格较高的高端微处理器中。例如，Freescale半导体公司生产的Coldfire和PowerPC微处理器，在低端的微控制器行列中，一般很少出现，主要原因是微控制器一般内部包含了Flash和SRAM，而不是像微处理器那样需要外扩大容量存储器放置代码和运行程序。但是，微控制器也会遇到需要外扩外部总线设备的情况，笔者在某项目中需要使用MCF51QE128(以下简称“QE128”)微控制器连接外部Flash存储测试数据，存取速度要求较高，因此无法使用串行接口的存储器，只能使用具有地址线和数据线的Flash存储器。
QE128是Freescale半导体公司推出的Flexis系列的首款产品，具有25 MHz的总线速度和多种外设模块；还有一个特点是，其内部包含了与其他微控制器不同的快速GPIO模块。
1 设计思路
使用微控制器中通用I／O模块模拟实现外部总线接口是一个比较好的方法，但目前微控制器中GPIO模块一般仅包含8个I／O口，而大容量的存储芯片一般的地址总线和数据总线都是16位或者更高位数的。这种情况下需要使用2个GPIO端口组合才能模拟，速度不高。
QE128微控制器中的快速GPIO模块(RGPIO)是一个比较特殊的模块。该模块直接与处理器的32位内部总线连接，支持字节、字和双字的访问，支持单周期、零等待的数据传输。这种特性与普通的GPIO有较大区别。区别的根本原因在于普通的GPIO模块都是与微控制器内部的从设备总线连接的。
实现的关键在于，如何使一个RGPIO模块既可以作为地址总线使用，又可以作为数据总线使用。通过对总线的分析，所有的数据通信都由主设备发起，然后发送地址信号，最后发送数据或接收总线数据，这种操作是有先后顺序的。基于这种分析，将RGPIO模块分时复用便可解决此问题。
使用QE128快速GPIO实现外部总线接口的设计示意图如图1所示。
RGPIO模块的16个引脚连接外部设备的地址总线和数据总线(此处需要注意)，各信号线的含义如表1所列。其中的GPIO表示微处理器中方向可以为输出的通用输入／输出引脚。需要注意的是，RGPIO模块的16个引脚是与两个通用I／O模块PORTC和PORTE复用的，所以在原理图设计时，用作控制信号的GPIO引脚应选择PORTC和PORTE端口之外的GPIO。另外，如果RGPIO需要内部上拉，则需要设置PORTC和PORFE的内部上拉寄存器。这一点在软件设计中的外部总线接口初始化函数Exb_Init中有体现。
2 硬件连接实例
以Atmel公司的单电压存储器AT49LV1024A为例。AT49LV1024A存储容量为128 KB(64K×16位)，工作电压为3.3 V，可以直接与QE128连接。AT49LV1024A的地址线和数据线宽度均为16位，控制信号包括芯片使能信号CE、输出使能信号OE和写使能信号WE。
图2为QE128与AT491LV1024A的硬件连接实例。在本实例中，锁存器使用的是2片TI公司的8路D型锁存器74HC373.2片74HC373的锁存使能LE(Latch Enable)引脚相连，通过QE128的TE信号控制来选择地址总线和数据总线。
地址／数据信号外的其他控制信号使用GPIO控制。本实例中使用PTF端口的4个引脚。
3 软件设计
RGPIO模块常用的寄存器共有以下6个：数据方向寄存器RGPIO_DIR、数据寄存器RGPIO_DATA、引脚使能寄存器RGPIO_ENB、数据位清零寄存器RGPIO_CLR、数据位置位寄存器RGPIO_SET和数据位翻转寄存器RGPIO_TOG。6个寄存器均为16位寄存器。其中前面3个寄存器是其他的GPIO口都具有的，后面3个寄存器是RGPIO模块比较有特色的地方。这3个寄存器与数据寄存器RGPIO_DATA的每一位是对应的，将RGPIO_CLR中某一位置为0，则相应RGPIO_DATA的对应位就会清零。类似的，将RGPIO_SET或RGPIO_TOG的某一位置1，则会将RGPIO_DATA对应位置1或反转。相对于普通MCU中的读取数据至累加器→置位→写入寄存器的操作。RGPIO可以减少操作的时间，具体比较详见QE128参考手册中RGPIO一章。
了解底层寄存器后，笔者对外部总线接口实现的底层函数做了通用性的封装，共包括3个函数：外部总线接口初始化函数void Exb_Init(void)；外部总线写函数void Exb_QueuedWrite(word*pAddr，word*pData，bytenTransfer)；外部总线读函数void Exb_QueuedRead(word*pAddr，word*pData，byte nTransfer)。Exb_QueuedWrite函数进行nTransfer次写操作，将数据数组中的数据写入地址数组中的地址。Exb_QueuedRead函数进行nTransfer次读操作，将地址数组中地址对应的数据读出放人数据数组中。其中Exb_Init函数代码如下：
根据这3个通用底层接口函数便可以编写针对不同的外部设备的函数进行操作。本文以对AT49LV1024A的Flash存储器进行数据写入和读出操作为例，基本满足常用功能的需要。具体的AT49LV1024A存储器的命令序列请参考该芯片的技术手册。
结 语
MCF51QE128微控制器的快速GPIO模块是具有特色的一个模块。本文在对该模块进行分析的基础上给出了实现高速外部总线的方案，以及硬件连接和软件底层通用接口，解决了QE128连接外部高速总线设备的问题。
外部总线接口大都出现在功能和价格较高的高端微处理器中。例如，Freescale半导体公司生产的Coldfire和PowerPC微处理器，在低端的微控制器行列中，一般很少出现，主要原因是微控制器一般内部包含了Flash和SRAM，而不是像微处理器那样需要外扩大容量存储器放置代码和运行程序。但是，微控制器也会遇到需要外扩外部总线设备的情况，笔者在某项目中需要使用MCF51QE128(以下简称“QE128”)微控制器连接外部Flash存储测试数据，存取速度要求较高，因此无法使用串行接口的存储器，只能使用具有地址线和数据线的Flash存储器。
QE128是Freescale半导体公司推出的Flexis系列的首款产品，具有25 MHz的总线速度和多种外设模块；还有一个特点是，其内部包含了与其他微控制器不同的快速GPIO模块。
1 设计思路
使用微控制器中通用I／O模块模拟实现外部总线接口是一个比较好的方法，但目前微控制器中GPIO模块一般仅包含8个I／O口，而大容量的存储芯片一般的地址总线和数据总线都是16位或者更高位数的。这种情况下需要使用2个GPIO端口组合才能模拟，速度不高。
QE128微控制器中的快速GPIO模块(RGPIO)是一个比较特殊的模块。该模块直接与处理器的32位内部总线连接，支持字节、字和双字的访问，支持单周期、零等待的数据传输。这种特性与普通的GPIO有较大区别。区别的根本原因在于普通的GPIO模块都是与微控制器内部的从设备总线连接的。
实现的关键在于，如何使一个RGPIO模块既可以作为地址总线使用，又可以作为数据总线使用。通过对总线的分析，所有的数据通信都由主设备发起，然后发送地址信号，最后发送数据或接收总线数据，这种操作是有先后顺序的。基于这种分析，将RGPIO模块分时复用便可解决此问题。
使用QE128快速GPIO实现外部总线接口的设计示意图如图1所示。
RGPIO模块的16个引脚连接外部设备的地址总线和数据总线(此处需要注意)，各信号线的含义如表1所列。其中的GPIO表示微处理器中方向可以为输出的通用输入／输出引脚。需要注意的是，RGPIO模块的16个引脚是与两个通用I／O模块PORTC和PORTE复用的，所以在原理图设计时，用作控制信号的GPIO引脚应选择PORTC和PORTE端口之外的GPIO。另外，如果RGPIO需要内部上拉，则需要设置PORTC和PORFE的内部上拉寄存器。这一点在软件设计中的外部总线接口初始化函数Exb_Init中有体现。
2 硬件连接实例
以Atmel公司的单电压存储器AT49LV1024A为例。AT49LV1024A存储容量为128 KB(64K×16位)，工作电压为3.3 V，可以直接与QE128连接。AT49LV1024A的地址线和数据线宽度均为16位，控制信号包括芯片使能信号CE、输出使能信号OE和写使能信号WE。
图2为QE128与AT491LV1024A的硬件连接实例。在本实例中，锁存器使用的是2片TI公司的8路D型锁存器74HC373.2片74HC373的锁存使能LE(Latch Enable)引脚相连，通过QE128的TE信号控制来选择地址总线和数据总线。
地址／数据信号外的其他控制信号使用GPIO控制。本实例中使用PTF端口的4个引脚。
3 软件设计
RGPIO模块常用的寄存器共有以下6个：数据方向寄存器RGPIO_DIR、数据寄存器RGPIO_DATA、引脚使能寄存器RGPIO_ENB、数据位清零寄存器RGPIO_CLR、数据位置位寄存器RGPIO_SET和数据位翻转寄存器RGPIO_TOG。6个寄存器均为16位寄存器。其中前面3个寄存器是其他的GPIO口都具有的，后面3个寄存器是RGPIO模块比较有特色的地方。这3个寄存器与数据寄存器RGPIO_DATA的每一位是对应的，将RGPIO_CLR中某一位置为0，则相应RGPIO_DATA的对应位就会清零。类似的，将RGPIO_SET或RGPIO_TOG的某一位置1，则会将RGPIO_DATA对应位置1或反转。相对于普通MCU中的读取数据至累加器→置位→写入寄存器的操作。RGPIO可以减少操作的时间，具体比较详见QE128参考手册中RGPIO一章。
了解底层寄存器后，笔者对外部总线接口实现的底层函数做了通用性的封装，共包括3个函数：外部总线接口初始化函数void Exb_Init(void)；外部总线写函数void Exb_QueuedWrite(word*pAddr，word*pData，bytenTransfer)；外部总线读函数void Exb_QueuedRead(word*pAddr，word*pData，byte nTransfer)。Exb_QueuedWrite函数进行nTransfer次写操作，将数据数组中的数据写入地址数组中的地址。Exb_QueuedRead函数进行nTransfer次读操作，将地址数组中地址对应的数据读出放人数据数组中。其中Exb_Init函数代码如下：
根据这3个通用底层接口函数便可以编写针对不同的外部设备的函数进行操作。本文以对AT49LV1024A的Flash存储器进行数据写入和读出操作为例，基本满足常用功能的需要。具体的AT49LV1024A存储器的命令序列请参考该芯片的技术手册。
结 语
MCF51QE128微控制器的快速GPIO模块是具有特色的一个模块。本文在对该模块进行分析的基础上给出了实现高速外部总线的方案，以及硬件连接和软件底层通用接口，解决了QE128连接外部高速总线设备的问题。
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