8位单片机的16位外部总线扩展与应用

随着电子设计技术的进步和芯片制造工艺水平的提高，16位和32位单片机的使用越来越广泛，但是8位单片机因其制造工艺成熟、价格低廉等特点，仍然在市场上占有相当大的比例，尤其在成本敏感和可靠性要求极高的汽车电子领域，更占用绝对优势，带有外部总线的8位单片机，可以方便地与8位总线设备(如A/D、RAM和CAN总线)相连。随着对传输性能要求的提高，出现了大量的16位总线设备(如网络接口芯片)，8位单片机要与16位总线设备相连接，通常的做法是利用I/O端口来模拟16位总线的读/写时序，数据传输速率较低，且原有的8位设备的传输速率也随之降低，因而限制了8位单片机的使用范围，本文提出一种8位单片机扩展16为外部总线的方法，不影响原有8位器件的前提下，可实现对16位总线设备的高速存取;最后，介绍了如何利用该方法与IDE硬盘相连接，并应用于车载数据采集系统。

1 8位/16位总线时序分析

1.1 8位单片机总线时序

带有外部总线的8位单片机有很多，如51系列，AVR系列等，本文以W77E58为例，W77E58是Winbond公司推出的增强型51单片机，工作时钟最高为40M赫兹，在同样的时钟频率下，W77E58指令速度是传统51单片机的3倍;另外，W77E58对程序存储器和数据存储器的寻址能力都为 64KB。图1中上半部分为读时序，下半部分为写时序。

以读数据为例，P0、P2口输出当前地址，ALE的下降沿锁存低8位地址，高8位保持不变;而后，读信号RD使能(低电平)，外部设备把数据送到P0 口，RD的上升沿把数据读入单片机。写数据与此类似，不过数据方向相反，同时为保证数据能够正确写入外部设备，单片机在写信号WR使能前把数据送到P0 口，WR无效后须保持一定时间，从图1中可以看出，单片机用P0口存取8位数据，P2口仅用于地址输出。

1.2 IDE硬盘总线时序

下面以IDE硬盘为例来分析16位总线时序，图2是IDE硬盘的接口示意图[1]，只标出了与总线有关的信号线：DIOR/DIOW，读/写;DCS0/DCS1，片选;DD0-DD15，16位数据线;DA0-DA2，3位地址线。

IDE硬盘是典型的16位总线设备。IDE接口有两个片选信号，DCS1用来寻址控制寄存器。默认状态下即可对IDE硬盘进行存取操作，故一般把该信号线直接连到高电平而只使用DCS0。其时序如图3所示。

读 /写周期开始时DIOR和DIOW均处于无效状态，DA0-DA2连接到主机(在这里为单片机)的地址输出。在收到读请求(DIOR使能)后把数据送至数据线上，主机利用DIOR的上升沿锁存该数据;之后，硬盘控制器延时后释放数据线，在接收写请求时(DIOW使能)，则让数据线处于三态(tri-state)，等待主机输出数据，最后在DIOW的上升沿把数据写入硬盘控制器，在DIOW上升沿之前，主机需把数据准备好。

对比图1和图3可知，总线时序基本一致，只是在数据线上传输的数据位数不同，但是，主机一条指令完成一个读/写周期，从外部设备到主机的16位数据在指令完成后不再有效;而从主机到外部设备的数据必须在指令完成前准备好，因而要把8位总线扩展成16位总线，必须要同时考虑读/写时数据的锁存问题。

2 16位总线扩展的实现

根据前面对总线时序的分析，采用如图4所示的方法对8位总线进行扩展，使其满足16位总线读/写。主要由以下两部分组成：1片GAL16V8(U5)，实现片选信号的译码和其他信号的编码;2片74HC573(U3、U4)，实现高8位数据锁存。CS1-CS4是A9-A15的译码输出，可连接4个外部设备。地址范围根据具体设备来设定，假设CS2上连接有16位总线设备：

这里“&”表示“与”，“!”表示“非”，即RD和CS5同时有效时，LE5有效;WR和CS6同时有效时，LE6有效。注意：CS5和CS6有一部分地址空间与CS2重合，即选通CS2的同时，也同时会选通CS5或CS6。另外，通过外部设备地址线的连接，使得8000H-81FFH和 8200H-83FFH寻址同一个位置，以图2中的IDE硬盘为例，DA0->A0，DA1->A1，DA2->A2。

单片机写16位数据时，执行写操作使CS6有效(寻址FE00H-FFFFH)，输出高8位数据并锁存到U4，然后执行写操作使CS2有效(寻址8200H-83FFH)，P0口上的数据和U4锁存的数据同步输出，形成16位数据D0-D15，从而写入外部设备。

单片机读16位数据时，执行读操作使CS2有效(寻址8000H-81FFH)，外部设备的低8位送至P0口，而高8位同时被U3锁存，然后执行读操作使CS5有效(寻址FC00H-FDFFH)，U3锁存的数据被送至P0口。

在上面的读/写过程中，虽然对CS2的寻址位置不同(读为8000H-81FFH，写为8200H-83FFH)，但由于位置重合，故可对16位外部设备正确读/写。另外，如下单片机寻址连接到CS1、CS3、CS4上的8位设备，则由于U3和U4没有选通，对其操作没有任何影响。

从上面的实现可以看出，扩展后的16位外部总线与外部设备进行数据交互时只增加一条指令。本方法与常规的端口模拟方法的比较结果如表1所列。从表中可以看出，采用本方法后，传输速率是常规方法的3倍。

另外，上述扩展方法还可以进一步引申：1)若有未使用的I/O口(如W77E58的P1口)，则可用来直接输出高8位数据，从而可以去掉图4中的U4;2)若对成本不太敏感，则可把图4中的逻辑器件用CPLD实现，从而使设计更为灵活，布线更为方便，结构更为紧凑，基本实现原理仍然如图4所示。

3 在车载数据采集系统中的应用

8 位单片机扩展16位外部总线的方法已应用于车载数据采集系统，图5为该系统的原理框图。汽车厂商在开发新车型或者关键零部件升级时，必须经过样品试制、产品鉴定、小批试制和大批生产等必要阶段。每个阶段中，都伴随着大量的可靠性试验，车载数据采集系统正是为这些试验而设计的。鉴于其特殊的使用条件，必须满足如下基本要求：能够进行连续、长时间数据采集、时间有可能是几天或者一个月;因为有可能很多台车辆的试验同时进行，因而要求系统成本低且安全可靠，具有 CAN总线数据采集接口。在图5中，8位单片机上挂有3个8位总线器件(USB Slave器件，RAM和CAN总线器件)和1个16位总线接口设备(IDE硬盘)。

单片机采用前面提到的W77E58;为保证较高的数据传输速率，便于与外部串口设备(LCM显示屏)通信，外部晶振频率使用33M赫兹。

USB Slave器件采用PDIUSBD12，使用模块化的方法实现一个USB接口，本次设计通过该器件把IDE硬盘映射成一个可移动硬盘，从而实现了大容量存储类(MassStorage Class)。

RAM采用HY62WT08081E。该器件提供32KB的数据空间，用于数据采集以及FAT32文件系统操作的缓存。

CAN总线接口器件采用SJA1000+TLE6250的组合，SJA1000是独立的CAN控制器，用于汽车和工业环境中的控制器局域网络，TLE6250是针对汽车环境设计的CAN收发器。

IDE硬盘使用经过防震处理的工业用硬盘，也可使用CF卡加IDE转接线的方式。

图6为车载数据采集系统的简要软件流程图。考虑到USB端口和CAN总线上的数据一般不会同时向系统发出请求，故软件采用查询方式工作，主要包括以下几部分：主流程、USB协议实现[2]、CAN总线数据[3]和其他车辆状态信号采集，以及FAT32协议实现。

4 小结

本设计在8位单片机上实现了16位外部总线，可对16位设备进行高速存取，并且保留了原8位总线的功能，这种8位/16位总线共存的方式，较之端口模拟总线方式，极大地提高了数据的传输速率，该16位总线扩展方式已成功应用于车载数据采集系统，在汽车的道路可靠性试验中，安装了多套该系统，试验结果表明，该系统使用方便，工作稳定、可靠，数据传输率高、完全满足汽车动态采集数据的需要，该16位总线的扩展方式，可应用于具有8位外部总线的单片机，在一定程度上，扩大了该类单片机的使用范围。