基于CPLD的计算机并口EPP模式通讯实现

前言

计算机的并行接口一开始是作为打印机接口而设计的。随着计算机周边设备的不断扩展，人们对提高计算机外设的数据采集速度的要求也越来越高。传统的异步串行通讯方式虽然具有数据传输距离较远的优势，但是由于数据传输速度慢，会造成传输速率的瓶颈问题。所以在一些需要高速数据传输的场合，使用并行接口一直是一种比较理想的解决方法。

1、并口EPP模式介绍

1.1并行接口的种类

最初的PC机并口由8个单向输出，5个位输入和4位双向（控制）线组成（SPP）,如今为了适应扩展外围设备的需要，并口已经发展出了多种工作模式。总共有标准并行接口（SPP）、简单双向接口（PS/2）、增强型并行接口（EPP）和扩展功能接口（ECP）模式和多模式接口（ECP+EPP）这几种。EPP工作模式作为一个提供高性能并口连接的方法，仍与SPP兼容。EPP工作模式的优点概括如下：

1）8位数据线由原来SPP的单向改成了双向，简化了外围电路的设计；

2）在一个ISA的周期可以完成一次数据的传输，大大加快了数据传输速率；

3）只需要对计算机发送一条简单软件指令，接口硬件就可以自动生成握手联络信号；

4）接口数据线可以分别定义为数据和地址，通过综合使用nAstrb和nDstrb两条控制线可以快速的实现数据向不同的设备传输；

5）相对ECP的工作模式，EPP具有操作简单、易于实现的特点；

1.2 EPP的硬件接口

EPP接口通常是25芯的D-sub接口，符合IEEE1284标准。其中数据选通和地址选通信号为低电平有效, 且两者不可能同时为低， 等待信号(nWait) 为握手信号，主要是考虑PC比外设快, 外设通过发送等待信号与PC并口协调工作。空闲信号线（Spare）可以由外设根据需要来决定其状态，由PC直接读取并口状态寄存器的相应位来获得Spare的状态信息。

1.3 EPP寄存器说明

在PC机中，标准并行接口使用了3个8位的端口寄存器。PC就是通过对这些寄存器，也就是通常所说的数据、状态、控制寄存器的读写访问并口信号的，这3个寄存器的地址分别是基地址、基地址+1、基地址+2。如今，EPP将在基地址+3到基地址+7的范围内，添加5个寄存器。所以EPP一共使用了8个寄存器，表1列出了这些寄存器及其功能。

表1  EPP的8个寄存器及他们的功能



为了能够在EPP模式下读写一个数据字节，你需要将数据读取或者写入EPP数据寄存器（基地址＋4），而不是读写基地址。同样的，地址的读写也是通过读取或者写入EPP的地址寄存器（基地址+3）来实现的。EPP的基地址通常是378h和278h。

1.4 EPP工作模式的时序分析

在EPP和ECP模式中，简单的端口读写操作就会自动产生握手联络信号，这简化了很多软件上的设计。图1是一个EPP地址写入周期的时序图。如图所示，对EPP数据寄存器的写操作将导致接口启动一个完整的数据写入周期。接口的硬件把待写入数据置于D0~D7，然后接口自动触发握手联络信号，并检测外设的应答。读取一个字节的过程与此类似。同样的，对EPP地址寄存器进行读写操作将引发一个完整的数据读写周期。所以，仔细研究EPP工作状态的时序是非常重要的。



图1 EPP地址写入周期的时序图

2、基于WDM的并口驱动程序的实现

在设计PC机外围产品时，不仅需要考虑PC接口定义，与接口相关的寄存器定义，数据传输协议，还要根据上位机采用的操作系统来编写合适的通讯程序，以便上位机对数据进行管理和监控。早期的Windows98以及更低版本的操作系统，可以直接访问并口硬件资源，比如使用C语言中的inp()和outp()函数来编写简单的通讯程序。但Windows2000/XP的操作系统采用了一些保护措施，阻止对端口的直接访问。这样做虽然提高了系统运行的可靠性，但也增加了软件上实现通讯的难度。

2.1 WDM驱动程序的种类和结构
   
WDM（Win32 Driver Model），即Windows驱动程序模型，是Microsoft力推的全新驱动程序模式，可以用来开发Windows 98和Windows 2000设备驱动程序。图2显示了在Win2000/XP系统中应用程序调用一个硬件操作的基本过程，从中可以看到WDM在整个驱动体系结构中的位置何作用。

如图所示，WDM的驱动程序是分层的，一般按照层次分为高层、中间和底层三类。顾名思义，高层驱动程序依赖于中间和底层驱动程序完成工作，而中间驱动程序又依赖于底层驱动程序来完成工作。其中各层驱动程序的详细介绍请参阅参考文献[1]。

             

图2 Win2000的驱动体系结构            图3 并行口EPP模式驱动程序接口框图

2.2 并口EPP模式驱动程序的功能实现

WDM驱动程序开发工具通常用NuMega DriverStudio。因为它可以集成到VC++ 开发环境中，这样就可以像生成其他工程一样生成驱动程序框架，省去了大量的编写代码的时间。

2.3 EPP模式的基本操作
  
首先定义类KIoRange的一个实例，以对应EPP
KIoRange   m_ParPortIos;
status = m_ParPortIos.Initialize(
                    0x378,  // LPT1 Bus address
   TRUE,  //InCpuIoSpace
                    8,      // Device size
                    TRUE  // Map to system space
                   );
下面就可以用类KIoRange的成员函数来访问EPP的寄存器：
    // EPP的寄存器相对于EPP基址的偏移量
#define CONTROL 2  //对应EPP的控制寄存器（37A）
#define ADDRESS 3  //对应EPP的地址寄存器（37B）
#define EDATA   4  //对应EPP的扩展数据寄存器（37C）
//设置控制寄存器
m_ParPortIos.outb(CONTROL，0x80);
//  EPP读
m_ParPortIos.outb(ADDRESS,addr); //addr是实际编程中访问的设备单元地址
UCHAR  data = m_DeviceIos.inb(EDATA)
//  EPP写
m_ParPortIos.outb(ADDRESS,addr); //addr是实际编程中访问的设备单元地址
            m_DeviceIos.outb(EDATA,data); //data是实际要写入的数据

3、并口EPP模式外围电路硬件设计实例

由上文可知，并口EPP模式下的数据传输速度可以达到µs级，所以使用一般的单片机来控制外设与EPP的通讯显然不能满足高速的要求。早期，工程师使用大量的逻辑分立元件来设计EPP的外围电路，但是当计算机的主频越来越高,EPP 模式在高速数据传输中可靠性明显下降, 因此本文采用大规模可编程逻辑器件, 充分利用其高速和大容量特性设计接口电路, 不仅可大大提高其可靠性, 且易于系统扩展和升级, 可广泛用于数据采集、D/A 转换以及数字控制。  
笔者采用Xilinx公司的XC95144芯片作为EPP接口模块的控制单元，并且通过XC95144实现了计算机并口与外部存储器SRAM的数据交换。在某些外设需要数据存储和与PC机进行数据交换的应用场合得到了成功的应用。该EPP接口模块的总体框架如图4所示。



图4 EPP接口模块逻辑框图

如图4所示，CPLD内部由各个负责不同功能的子模块组成，其作用与早期的分立元件一样，所有子模块用Verilog设计实现，并且通过了仿真验证。采用ECS将所有的子模块组织起来，集成在一块CPLD内。这样做大大提高了整个系统运行的可靠性，同时也为系统扩展其他功能提供条件。

由于SRAM相对DRAM具有存储速度块，无需定时刷新，控制信号简单的优点，所以被广泛的用于需要高速数据处理的小型设备中。图4中的SRAM采用ISSI的IS61C6416，存储容量是64K×16位。地址线和数据线都是16条，但是EPP每次只能传送一个字节的数据，所以CPLD内部需要配置4个8位的数据寄存器，分别保存SRAM的地址和数据总线上的数据。

图4中的总线74LS245是一个总线收发器，由nWrite信号控制并口数据的传输方向。74LS138子模块是一个3－8译码器，通过EPP的地址线向138写入数据，使能不同的触发信号（CK）来锁存SRAM的地址或者数据总线上的高/低8位数据。该模块的Verilog核心源码如下：

always@ (q, g)
 if(g==1)
{ ck_al,ck_ah,ck_dl,ck_dh }<=6b111111;
else case(q)
3b000: { ck_al,ck_ah,ck_dl,ck_dh }<=4b1110;
3b001: { ck_al,ck_ah,ck_dl,ck_dh }<=4b1101;
3b010: { ck_al,ck_ah,ck_dl,ck_dh }<=4b1011;
3b011: { ck_al,ck_ah,ck_dl,ck_dh }<=4b0111;
default: { ck_al,ck_ah,ck_dl,ck_dh }<=4b1111;
endcase
由此可知，如果希望向SRAM的地址低8位写入数据，PC只需执行outp(0x378+3, 0x00),outp(0x378h+4,地址低8位值) 两条指令，在执行后一条指令的同时，ck_al选通信号将并口的数值锁存到SRAM地址低8位锁存器中。在ck_dh信号触发的同时将由nWE_cre模块使能一个nWE信号，将数据写入SRAM。

4、总结

采用增强型并口（EPP）模式，可以极大地扩展并口通讯的容量和速度。编写针对并口的WDM驱动程序，既可以保证系统运行的可靠性，也可以增加驱动程序的可移植性。使用CPLD设计并口EPP接口模块，可以最大限度的体现EPP高速传输的特性，而且由于将所有的功能模块集成在一块芯片中，提高了系统的可靠性，特别是XC95144具有的ISP（在线可编程）技术使复杂的接口电路可根据具体的应用加以修正，大大增强了接口电路的灵活性和可扩展性。本文设计的EPP接口模块已被成功的运用到某款单片机仿真器产品中，实验证明这种设计是可行的。

参考文献
[1] Chris Cant.  Windows WDM设备驱动程序开发指南[M]. 北京:机械工业出版社,2003.8~21 .
[2] Jan Axelson .并行端口大全[M]. 北京：中国电力出版社,2001.251~268.
[3] 陆健峰；李晶限；张维新. 基于CPLD的两主机间的双向通信接口.微计算机信息，2004年第八期  
[4]朱明程. Xilinx数字系统现场集成技术[M].南京：东南大学出版社,2001.91~96.
[5] 袁俊泉,孙敏琪,曹瑞. Verilog HDL数字系统设计及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.56~100

本文作者创新点：用CPLD实现并口通讯，可以最大限度的实现并口传输的速度，不会出现造成数据传输过程中的瓶颈效应，用CPLD可以灵活配置接口，可以实现并口到不同接口的转换（比如串口，PCI 等等）。