基于uPSD3254A單片機(jī)的EPP并口通信技術(shù)

摘要：介紹了并口的EPP(Enhanced Parallel Port)接口協(xié)議及其高速數(shù)據(jù)通信的原理，并在ST公司uPSD3254A單片機(jī)及其開發(fā)環(huán)境PSDsoft EXPRESS基礎(chǔ)上完成了一個應(yīng)用EPP接口協(xié)議的實現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞：EPP協(xié)議  uPSD3254A  PSDsoft EXPRESS

引言：

    在IBM公司推出PC機(jī)開始，并口已經(jīng)是PC機(jī)的一部分。最初并口就是為代替串口來驅(qū)動高性能點陣式打印機(jī)[1]，并口通信有SPP、EPP、ECP三種傳輸模式，SPP模式是半雙工單向傳輸?shù)?，傳輸速率僅為15KB/S；EPP增強(qiáng)型模式采用雙向半雙工數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速度高達(dá)2MB/S；ECP擴(kuò)充型模式采用雙向全雙工數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率比EPP高。在設(shè)計和實現(xiàn)方面，EPP模式比ECP模式更靈活、簡潔、可靠，在工業(yè)界得到了更多的實際應(yīng)用[2]。本文介紹的是一種基于uPSD3254A的EPP增強(qiáng)并口的設(shè)計，其核心是使用uPSD323X內(nèi)部的CPLD實現(xiàn)EPP接口與PC機(jī)上并口之間的高速硬件通信,實際測試中速度達(dá)到了900KB/S。

1 EPP協(xié)議介紹

    EPP協(xié)議是由Intel、Xircom、Zenith三家公司聯(lián)合提出的，于1994年在IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)布。EPP協(xié)議有EPP1.7和EPP1.9兩個標(biāo)準(zhǔn)，可以在PC機(jī)的 BIOS/外圍設(shè)備/并行口（BIOS/Peripheral Setup/Parallel Port Mode）方式中進(jìn)行設(shè)置[3]。與傳統(tǒng)并行口標(biāo)準(zhǔn)利用軟件實現(xiàn)握手不同，EPP接口協(xié)議通過硬件自動握手，能達(dá)到500KB/s～2MB/s的通信速率。

1.1 EPP工作模式的寄存器和引腳定義 

    PC并口采用25針的DB型陰極接口，EPP工作模式的25個引腳的定義如表1所示。

                          表1  EPP協(xié)議引腳定義 

引腳號	EPP信號	方向	是否反向	說明
1	nWrite	輸出	是	低電平表示寫，高電平表示讀
2~9	Data0~7	輸出/輸入	否	數(shù)據(jù)
10	Interrupt	輸入	否	上升沿觸發(fā)中斷
11	nWait	輸入	是	低電平傳輸數(shù)據(jù)/地址，高電平傳輸結(jié)束
12	Spare	輸入	否	EPP未定義，可用戶自定義
13	Spare	輸入	否	EPP未定義，可用戶自定義
14	nDstrb	輸出	是	低電平表示數(shù)據(jù)傳輸
15	Spare	輸入	否	EPP未定義，可用戶自定義
16	nReset	輸出	否	低電平有效
17	nAstrb	輸出	是	低電平表示地址傳輸
18~25	GND	—	—	地

    在寄存器方面，EPP定義了8個寄存器，繼承了SPP的3個寄存器，其中EPP與SPP共用狀態(tài)寄存器和控制寄存器，保證了EPP模式和SPP模式軟硬件兼容型，其寄存器定義如表2所示。將并口設(shè)置為EPP方式時，需要在PC機(jī)的BIOS中設(shè)置并口工作于EPP方式，寄存器組的基地址（BASE）通常設(shè)為0x378。

                             表2  EPP寄存器定義 

地址	端口名稱	讀/寫
BASE+0	SPP數(shù)據(jù)端口	寫
BASE+1	SPP/EPP狀態(tài)端口	讀
BASE+2	SPP/EPP控制端口	寫
BASE+3	EPP地址端口	讀/寫
BASE+4	EPP數(shù)據(jù)端口	讀/寫
BASE+5~+7	用戶自定義	—

 
 
1.2 EPP讀寫周期 

     為了能進(jìn)行有效的EPP數(shù)據(jù)通信，必須遵循EPP的握手時序。與SPP的軟件握手相比，EPP采用硬件完成的握手實現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)通信速度。EPP協(xié)議共分為四種周期：數(shù)據(jù)寫周期、數(shù)據(jù)讀周期、地址寫周期和地址讀周期，數(shù)據(jù)周期用于計算機(jī)和外設(shè)間傳送數(shù)據(jù)；地址周期用于傳送地址、通道、命令、控制和狀態(tài)等輔助信息。

1.2.1 EPP數(shù)據(jù)/地址讀周期如圖1所示

  EPP數(shù)據(jù)/地址讀周期CPU讀操作步驟如下：

1）程序?qū)PP數(shù)據(jù)寄存器(Base+4)/地址寄存器(Base+3)執(zhí)行讀操作

2）nDstrb/nAstrb被置低如果nWaite信號為低，否則等待

3）主機(jī)等待nWaite為高表示數(shù)據(jù)發(fā)送成功

4）從并口中讀取8位數(shù)據(jù)/地址

5）nDstrb/nAstrb被置高

6）EPP數(shù)據(jù)/地址讀周期完成 


                                 
                  圖1 EPP 數(shù)據(jù)/地址讀周期

1.2.2 EPP數(shù)據(jù)/地址寫周期如圖2所示

    EPP數(shù)據(jù)/地址寫周期CPU寫操作步驟如下：

1）程序?qū)PP數(shù)據(jù)寄存器(Base+4)/地址寄存器(Base+3)執(zhí)行寫操作

2）將nWrite信號置低（低表示寫操作）

3）將要寫的數(shù)據(jù)/地址數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上

4）nDstrb/nAstrb被置低如果nWaite信號為低，否則等待

5）主機(jī)等待nWait握手信號為高表示發(fā)送成功

6）nDstrb/nAstrb被置高

7）EPP數(shù)據(jù)/地址寫周期完成 

              
                          圖2 EPP 數(shù)據(jù)/地址寫周期

    其中，使用EPP1.7 (Pre IEEE 1284) 握手標(biāo)準(zhǔn)時，則nDstrb/nAstrb信號不考慮nWait是否為低，直接被置低開始一個新的讀/寫周期；如果使用EPP1.9握手標(biāo)準(zhǔn)，則只有在nWait信號為低時，nDstrb/nAstrb信號才會被置低開始一個新的讀/寫周期。但是EPP1.7和EPP1.9都要求nWait信號為高時一個讀/寫周期才結(jié)束[3]。

    由于nWait、nWrite、nDstrb、nAstrb等信號傳輸后反向（見表1），因此圖1和圖2 中的時序是從PC端考慮的，nWait信號表示單片機(jī)發(fā)出的原始信號，在PC端實際采用的是與單片機(jī)發(fā)出的原始信號取反后的信號。

2 uPSD323X及其開發(fā)環(huán)境介紹

    ST公司的uPSD3254A是帶8032內(nèi)核的Flash可編程系統(tǒng)器件，具有在線編程能力和超強(qiáng)的保密功能；256+32Kbytes的Flash存儲器；片內(nèi)8K的SDRAM；帶有16位宏單元的3000門可編程邏輯電路（CPLD），可以實現(xiàn)EPP接口等一些不太復(fù)雜的接口和控制功能，50個I/O引腳等。

    由于uPSD3254A采用8032內(nèi)核，因此可以完全得到Keil C51編程器的支持，PSDsoft EXPRESS是ST公司開發(fā)的基于Windows平臺的一套軟件開發(fā)環(huán)境。只要點擊鼠標(biāo)即可完成對地址鎖存器、Flash、可編程邏輯電路等外設(shè)的所有配置和寫入。使用PSDsoft EXPRESS工具對uPSD3200系列器件的可編程邏輯電路的操作簡單、直觀。

3.基于uPSD3254A的EPP接口實現(xiàn)

3.1 硬件接口

    EPP增強(qiáng)并口的速度最高可達(dá)到500KB/s～2MB/s，這對外設(shè)的接口有很高的要求，如果外設(shè)響應(yīng)太慢，系統(tǒng)的整體性能將大大下降。但如果采用可編程邏輯器件，使接口的響應(yīng)完全由硬件來完成，系統(tǒng)的整體性能將大大提高。這種實現(xiàn)方案可以達(dá)到并口中的速度極限，而且保密性好，EPP接口（EPP1.9）外設(shè)硬件接口原理如圖3所示。

         
                         圖3 EPP接口外設(shè)硬件接口圖

    在本設(shè)計中，uPSD3254A采用主動連續(xù)接收PC機(jī)并口的數(shù)據(jù)，當(dāng)需要數(shù)據(jù)時，連續(xù)接收PC的數(shù)據(jù)，否則PC一直等待nWait信號有效。而當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)時，PC機(jī)采用的是中斷方式接收外設(shè)的數(shù)據(jù)。

3.2 CPLD邏輯編程

       在PSDsoft EXPRESS工具中，將PA端口（D0～D7）配置成帶有時鐘上升沿觸發(fā)的寄存器類型（PT clocked register）的輸入宏，PB4（nWrite）、PB6(nDstrb)、PB7(nAstrb)配置成CPLD邏輯輸入（logic input）口。nDstrb信號和nAstrb信號各自取反再相與后的值作為輸入宏單元的時鐘。上述對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;

    數(shù)據(jù)正向傳輸過程：即計算機(jī)向外設(shè)單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)（即EPP數(shù)據(jù)寫周期）為例，計算機(jī)首先把nWrite信號置為低，表明是寫周期，同時將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上，然后檢測nWait信號，如果nWait為低則置低nDstrb信號。此時，!nDstrb & !nAstrb信號會出現(xiàn)一個上升沿，此上升沿會將PA端口的數(shù)據(jù)鎖存到輸入宏；當(dāng)單片機(jī)檢測到nDstrb為低時將nWait信號變高表示外設(shè)正忙接收數(shù)據(jù)并處理，同時讀取數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。當(dāng)計算機(jī)檢測到nWait信號為高后就會將數(shù)據(jù)握手信號nDstrb變高，EPP數(shù)據(jù)寫周期結(jié)束。上述EPP數(shù)據(jù)的鎖存和nDstrb握手信號的產(chǎn)生都由硬件產(chǎn)生，因此數(shù)據(jù)傳輸速度快。整個數(shù)據(jù)傳輸過程可以在一個I/O周期內(nèi)完成。

       數(shù)據(jù)反向傳輸過程：單片機(jī)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)需要上傳到計算機(jī)時，uPSD3254A將數(shù)據(jù)放到PA端口，同時置低Intr信號線，向計算機(jī)申請一個中斷，而計算機(jī)則由一個硬件驅(qū)動程序來處理并口的硬件中斷。計算機(jī)首先把nWrite信號置高，表示當(dāng)前為讀周期，當(dāng)計算機(jī)讀取EPP數(shù)據(jù)口時同樣會檢測nWait信號。如果nWait為低，然后置低nDstrb并讀取數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。單片機(jī)在檢測到nDstrb為低時馬上將nWait信號置高，PC機(jī)在nWait為高后自動將nDstrb信號置高，完成一個數(shù)據(jù)周期的讀（相對PC機(jī)而言）過程。

3.3單片機(jī)數(shù)據(jù)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為接收字節(jié)數(shù)

{

       unsigned long i;

    rcv_data = (unsigned char * )&rcv_buffer;  

       reread_sign = 1;                                        //非錯誤態(tài)

       while(reread_sign ==1)

       {

              for(i=0;i<rcv_count;i++)                            //接收數(shù)據(jù)

              {

                   nwait = 1;                                   //PC端反向后為低，表示外設(shè)準(zhǔn)備好接收

                     while(nDstrb)                             //等待nDstrb為低時完成數(shù)據(jù)傳輸并鎖存

                     nwait = 0;                                   //完成寫周期，

                     rcv_data[i] = UPSD_xreg.IMC_A;  //從鎖存的輸入宏中讀取數(shù)據(jù)

              }                                                                    //接收完成     

              ERROR = error_check(rcv_data);                //檢測錯誤，1為正確，0為錯誤

              if(ERROR)                                                      

              {

                     reread_sign = 0;                                        //無錯則退出while循環(huán)       

              }

              else                                                   

              {

                     ERROR = 1;                                             //校驗有錯則while循環(huán)繼續(xù)

              }

       }

       該程序為單片機(jī)數(shù)據(jù)接收（即PC寫數(shù)據(jù)）子程序，其中rcv_buffer為接收緩存區(qū)，error_check為對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗.如果出錯，則將用戶自定義引腳12置低，PC機(jī)讀取狀態(tài)寄存器時讀取到該用戶自定義狀態(tài)為低時，將數(shù)據(jù)重發(fā)，保證了通信的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 余張國，李眾立，張曉琴，李磊民.基于EPP協(xié)議的AVR與PC并行通信系統(tǒng)的設(shè)計.PLC&FA，2004：（5）
[2] 霍曉方.用68HC908GP32單片機(jī)實現(xiàn)EPP增強(qiáng)并口的接口技術(shù).單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，  2006:(4)
[3] Interfacing the Enhanced Parallel Port.pdf. http://www.beyondlogic.org 

作者簡介：

方耀湘（1982－），男 湖南省湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院碩士研究生，研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用。  

黎福海（1964－），男，廣西人，湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院副教授，目前研究領(lǐng)域：數(shù)字信號處理。

胡兆斌（1963－），男，陜西人，深圳美安可有限公司總工，目前研究方向：工業(yè)印刷技術(shù)。