精简ISA总线扩展应用实例

精简ISA总线扩展应用实例ARM的嵌入式主板系列产品为了支持客户的各种应用扩展，所有的ARM9系列和X86系列的嵌入式主板均带有精简ISA扩展总线。ISA总线是PC机最经典的扩展总线（在嵌入式领域，通常以PC104总线的形式出现），在工业控制领域有着广泛的应用，以及深厚的应用基础。所谓精简ISA总线就是在保持通用ISA总线时序不变的前提下，仅保留常用的总线信号，以最大限度的减少总线总的信号数量，以适应模块的小型化。ARM的精简ISA总线包括8位数据总线、5位地址总线（可扩展到13位）、片选控制线、读写控制线以及中断请求线。ARM所提供的评估开发底板将这些信号线制定了一个接口标准，采用双排20芯IDC插针，用户可利用精简ISA总线进行系统功能的扩展。在ARM的精简ISA总线中，设置了2条独特的片选控制信号CS0#和CS1#，这样就省去了大量的高位地址总线。CS0#和CS1#为低电平有效的脉冲信号。在x86系列的嵌入式产品中，CS0#片选信号的地址区域为0x200–0x21F，CS1#片选信号的地址区域为0x300–0x31F。在ARM9系列的嵌入式产品中，客户就不用关心精简ISA总线的绝对地址，只要选定一个片选信号及基于这个片选的地址偏移量即可。如在X86系统下选用了CS1作片选信号，对0x301进行操作，则相对于ARM系统，可使用CS1#、地址偏移量为1的端口。ARM9系列板卡的CS0#、CS1#所对应的地址区域范围有所不同。EM9000有13条地址线，每位片选可访问8K的地址空间。EM9160、EM9161的每位片选可访问32个地址空间。EM9260、EM9360的CS0#可访问到8K的地址空间,CS1#可访问到1K的地址空间。以下是ARM所提供的精简ISA扩展总线接口的信号定义：信号名称及简要描述精简ISA信号名称及简要描述PIN#PIN#RESET#，复位输出，低有效12SA0，地址总线SD0，数据总线，LSB34SA1，地址总线SD1，数据总线56SA2，地址总线SD2，数据总线78SA3，地址总线SD3，数据总线910SA4，地址总线SD4，数据总线1112WE#，写信号控制线，低有效SD5，数据总线1314RD#，读信号控制线，低有效SD6，数据总线1516CS1#，I/O片选线，低有效SD7，数据总线，MSB1718VCC，电源输出IRQ，中断请求，上升沿有效1920GND，公共地为了便于用户理解精简ISA总线接口如何进行编程，本节以x86指令和ARM系统为例，简单介绍基于ARM嵌入式主板的精简ISA的应用。由于x86、EM9000、EM9x6x三种系统的ISA总线读写操作函数不一样，所以在具体使用时，应当参考相应的'*.h'文件。以下是基于ARM的嵌入式主板的精简ISA总线操作指令表，以便查询：系统ISA读ISA写x86系列inport()或inportb()outport()或outportb()EM9000EM9000_READ()EM9000_WRITE()EM9x6x系列ISA_ReadUchar()ISA_WriteUchar()X86系统使用DOS操作系统，其指令也是标准的C函数，所以操作ISA时使用的时绝对地址。ARM嵌入式主板使用的WINCE操作系统，存在地址映射问题，同时使用户更加方便对ISA的使用，所以对ISA操作的过程被封装成一个操作函数后再提供给用户，在对ISA操作时不需要给出绝对地址，但是需要指明所使用的片选信号及基于当前片选信号的偏移地址。下面的读操作也是相同的。ISA总线的写操作：C语言ISA总线写操作函数：outportb(0x301,ub1);//将ub1的数据写入0x301地址或寄存器EM9000ISA总线写操作函数：#defineCS1#1//ARM系统的CS1片选信号的定义，以下不再说明EM9000_WRITE(CS1#,0x1,ub1);//将ub1的数据写入CS1片选信号使能的1偏移地址EM9x6xISA总线写操作函数：ISA_WriteUchar(CS1#,0x1,ub1);//将ub1的数据写入CS1片选信号使能的1偏移地址对应的总线写时序图为（本文中的总线周期示意图以ARM系列模块为例）：ISA总线的读操作：C语言ISA总线读操作函数：UCHARub1=inportb(0x301);//将0x301地址或寄存器的数据读入ub1EM9000ISA总线读操作函数：UCHARub1=EM9000_READ(CS1#,0x1);//将CS1片选信号使能的1偏移地址的数据读入ub1EM9x6xISA总线读操作函数：ISA_ReadUchar(CS1#,0x1,&ub1);//将CS1片选信号使能的1偏移地址的数据读入ub1对应的总线时序关系为：如果应用程序要读写一个16-bit的数据，即一个字时，在x86系统中，可以使用：unsignedintui1=inport（0x301）；//读16位数据outport（0x301,ui1）；//写16位数据利用C函数一次性完成操作，在ISA总线上会自动生成两个8位数据的读写周期，分别访问低位字节和高位字节。在AD、DA的访问中经常会碰到这样的情形。对ARM9系统，应用只能通过两次调用总线读写函数分别处理16位数据的低位字节和高位字节，如用EM9000ISA读写操作为例：UCHARub1=EM9000_READ(CS1#,0x1);//获得低位字节。UCHARub2=EM9000_READ(CS1#,0x2);//获得高位字节。ui1=（ub28）|ub1；//高低位字节合成16位数据如果是写操作，则使用同样的方式：EM9000_WRITE(CS1#,0x1,(ub1&0xff));//写低字节数据EM9000_WRITE(CS1#,0x2,(ub18));//写高字节数据在使用精简ISA总线进行扩展时，为了使总线的信号传输更加可靠，应在总线上的所有信号线加上RC网络以达到最佳的信号传输，同时，在高速的数据总线上，可以使用HCT245作一次驱动。如下图所示：扩展应用1、用精简ISA进行数据I/O扩展用户如果使用的I/O较多，ARM提供的嵌入式主板上的数据I/O又不够使用要求，则用户可以使用精简ISA总线来进行扩展。仅使用3片简单的74逻辑器件，就可方便扩展出8路输入8路输出。ARM的ETA716扩展模块就是按照这种方式来实现的。接口译码电路用一片74HCT139做完成。在X86系统下，应用程序执行读操作时：unsignedcharub1=inportb(0x300)；//把外部状态读取并存放到ub1中在EM9000系统下，应用程序执行读操作：UCHARub1=EM9000_READ(CS1#,0x0);74HCT245被译码信号RD300H#选通，外部的输入状态INPUT0–INPUT7将呈现在数据总线SD0–SD7上，CPU将在RD300H#的上升沿时刻把总线上的数据锁存到ub1。类似的，当应用程序执行写操作时：X86系统下写：outportb(0x300,ub1);//把ub1数据输出送到0x300端口在EM9000系统下：EM9000_WRITE(CS1#,0x0,ub1);把ub1的数据送到ISA数据总线上，译码信号WE300H#变低有效，并在其上升沿时刻把总线上的数据锁存到74HCT273的8个寄存器中，74HCT273的8个寄存器的输出OUTPUT0–OUTPUT7将保持不变，直至有新数据写入。当系统复位或上电启动时，低有效的复位信号RESET#将保证把74HCT273的输出清零。2、用精简ISA总线进行A/D采集扩展（应用模块：ETA197）用户还可以通过精简ISA总线来扩展具有通用并行接口的A/D转换器，以实现简单的数据采集。以下是通过ISA总线连接MAX197的信号接法，由于MAX197只有12位数据宽度，这里使用SA0地址线来作为高、低字节数据的选择，正好形成了两个连续的地址，方便函数的操作。对MAX197进行AD转换的基本步骤为：X86系统下：1、写控制字节，启动AD转换：outportb(0x300,CtrlByte);2、延时15us读取转换数据：unsignedintub1=inport(0x300);//ub1为读入的16位数据或EM9000系统下：1、写控制字节，启动AD转换：EM9000_WRITE(CS1#,0x0,CtrlByte);2、延时15us3、读取转换数据：ub1=EM9000_READ(CS1#,0x0);ub1=ub18;ub1=ub1|(EM9000_READ(CS1#,0x0)&0xff);对于不同的系统，请参见相应的ETA197测试程序。3、用精简ISA总线进行串口扩展（应用模块：ETA502）同样的，用户也可以使用精简ISA总线来扩展串口，如使用16C550芯片等。一片16C550需要占用8个I/O端口地址，所以，要使用到三条地址线，且这三条地址线最好是连续的地址线，以方便应用程序的开发与控制。要注意的是，16C550的复位是高电平复位，而精简ISA总线上的复位信号是低信号复位有效，所以在使用时，要将ISA总线上的复位信号进行反向，再连接到16C550的复位上。如果要控制MODEM，则需要将16C550输出的信号经过RS232电平信号转换芯片的转换，再接一个DB9的接头，则构成了一个标准的RS232通讯接口。除了以上的应用以外，用户还可以利用ARM的精简ISA总线，方便地完成其它多种功能模块的扩展，如10M/100M以太网口、CAN总线接口、USB主控模块、24位通用数字IO等等，ARM也相应地提供了应用模块ETA719、ETA718、ETA701、ETA608、ETA724等供客户参考。