摘要：提出了用ＥＰＰ協議和ＣＰＬＤ擴展筆記本電腦的ＩＳＡ接口的方法，給出了詳細的技術解決方案。擴展的ＩＳＡ接口可以達到１３１０ ＫＢ／ｓ的雙向通訊速度，與ＩＳＡ本身的速度相當。用戶可以通過擴展的ＩＳＡ接口直接使用市場上的基于ＩＳＡ的接口卡。

??? 關鍵詞：ＩＳＡ? 標準并口? 增強并口? 復雜的可編程邏輯器件

??? 利用微機開發便攜式的數據采集、控制系統一直是微機應用系統開發者十分關心的課題。特別在是基于筆記本電腦的數據采集和控制系統中，這一點顯得尤為重要。傳統的數據采集和控制系統是針對臺式機或者工控機設計的，一般都做成了標準的插卡，如Ａ／Ｄ卡、Ｄ／Ａ卡、ＲＳ２３２擴展卡等等，用戶根據自己的實際需要選取合適的插卡，安裝在自己的計算機中，再編寫所需要的程序。但是在基于筆記本電腦的應用系統中，由于其沒有擴展槽，如果用戶自己不再配一個擴展箱，就不能配置現成的插卡。擴展箱的主要功能是擴展筆記本電腦的各種外圍接口，即把筆記本電腦的功能擴展為與一個臺式機相同的功能。它需要單獨的電源供應，體積比筆記本電腦本身大，又比筆記本重的多，價格在人民幣７０００～１００００元左右。如果能夠找到一種便捷的方法，為筆記本電腦提供一個標準的總線接口，如ＩＳＡ接口，那么現在市場上大部分的插卡都可以用在筆記本電腦上，不僅為用戶節約了一個擴展箱投資，而且還為用戶提供了更加廣闊的選擇余地。本文提出了解決該問題的一個完整的技術方案。

１ ＥＰＰ并口

??? 最初的計算機并口只是為打印機設計的，數據只是單向傳輸。ＩＢＭ公司引進了ＰＳ／２設計后，并口開始支持雙向數據傳輸，但是ＰＳ／２實際上并沒有成為一個為業界廣泛認可的雙向并口模式。１９９２年，由Ｉｎｔｅｌ、Ｘｉｃｏｍ和Ｚｅｎｉｔｈ公司共同制定了ＥＰＰ１．７標準。以后ＩＥＥＥ又發展了ＩＥＥＥ１２８４的ＥＰＰ標準。實際上ＥＰＰ的標準共有三個，即ＥＰＰ１．７、ＥＰＰ１．９和ＩＥＥＥ１２８４，這些標準并不完全兼容，特別是ＥＰＰ１．７和ＩＥＥＥ１２８４之間，不過這些對用戶的使用并沒有太大的影響。文獻[１]即是ＩＥＥＥ１２８４標準，其中規定了并口各種模式的詳細的時序圖，包括ＳＰＰ、ＰＳ／２、ＥＣＰ和ＥＰＰ模式。作者根據ＩＥＥＥ１２８４上規定的時序圖進行了時序設計，而計算機上提供的ＥＰＰ版本是ＥＰＰ１．７或ＥＰＰ１．９，實際使用中它們沒有不匹配的地方。

２ 用ＥＰＰ擴展ＩＳＡ接口的總體設計

??? 計算機主板上一般有２～３個ＩＳＡ插槽，可以擴充一些ＩＳＡ插卡。大多數基于ＩＳＡ標準的微機數據采集和控制只用到了ＩＳＡ接口的數據線、地址線、ＡＥＮ、ＡＬＥ、＃ＩＯＲ、＃ＩＯＷ等信號，有的也用到了中斷和ＤＭＡ的信號。只要了解這些信號之間的時序關系，我們完全可以自己用邏輯器件“制造”出ＩＳＡ接口，文獻[２]介紹了用單片機擴展總線的技術，包括ＩＳＡ、ＳＴＤ總線等。作者曾經用并口的ＳＰＰ模式和８０Ｃ１９６單片機擴展出了計算機的ＩＳＡ接口，但是ＩＯ讀寫速度只能達到２０ＫＢ／ｓ左右，總體的效果不太理想。ＥＣＰ和ＥＰＰ都能進行高速雙向數據通訊，但是ＥＣＰ的實現遠比ＥＰＰ復雜的多，其性能和ＥＰＰ卻大致相當，所以最終的方案采用了ＥＰＰ模式。由于單片機是一個單任務的串行控制器，如果它只是用來擴展ＩＳＡ接口，那么可以達到比較高的速度；否則，ＩＳＡ總線的速度會大大降低，最后變得失去使用價值，所以最終的外設芯片不能采用單片機，只能采用ＤＳＰ或者大規模的可編程邏輯器件。作者選用了后一種方案。

??? 用ＥＰＰ擴展ＩＳＡ口的硬件核心是一片可編程邏輯器件，如ＣＰＬＤ，它一方面負責與計算機通過ＥＰＰ協議進行雙向數據通訊，另一方面負責產生ＩＳＡ接口時序，系統體系相當簡潔而高效，電路原理如圖１所示。ＥＰＰ的數據線Ｄ０～Ｄ７和信號線ｎＷｒｉｔｅ、ｎＤｓｔｒｂ、ｎＡｓｔｒｂ、ｎＩｎｉｔ、ｎＷａｉｔ、Ｉｎｔｒ直接與ＣＰＬＤ的雙向Ｉ／Ｏ線相連。另外，ＥＰＰ沒有定義標準并口的第１２、１３、１５三個引腳，這些引腳用戶可以靈活使用。電路圖上并口的第１３腳和ＣＰＬＤ連了起來，可以提供其他的功能。ＣＰＬＤ提供了ＩＳＡ接口的Ｄ０～Ｄ７，Ａ０～Ａ１５，ＡＬＥ，ＡＥＮ，＃ＩＯＲ，＃ＩＯＷ，ＩＲＱ、ＩＯＲＤＹ等信號。擴展的ＩＳＡ接口提供了１６根地址線，可以尋址６４Ｋ的ＩＯ空間，這比計算機所提供的ＩＯ空間（１Ｋ）大了許多倍。用戶可以專門設計具有６４Ｋ尋址能力的數據采集和控制板，也可以用只有１Ｋ尋址能力的數據采集和控制板，在這種情況下，地址線的高６位被忽略了，但這并不影響系統的正常使用。

３ 硬件操作方法

??? ＥＰＰ協議定義的并行口提供了四種傳送周期：數據寫周期、數據讀周期、地址寫周期和地址讀周期。數據周期一般用于計算機和外設間的數據傳送，地址周期一般用于傳送地址、通道、命令和控制等信息。實際上，數據周期和地址周期并沒有那么嚴格的界限，可以把地址周期看做另一種數據周期，二者并沒有太大的區別。圖２是ＥＰＰ數據寫周期的時序圖，圖中的ｎＩＯＷ信號實際上在進行ＥＰＰ數據寫時并不會產生，只不過是為了表示所有的操作都發生在一個ＩＯ周期內，只有這樣，才能使ＥＰＰ獲得ＩＳＡ總線的數據操作速度。圖２中的ｎＤａｔａＳｔｒｏｂｅ信號如果換為ｎＡｄｄＳｔｒｏｂｅ信號，就是ＥＰＰ地址寫周期。圖３是ＥＰＰ地址讀周期，也是發生在一個ＩＯ周期內。

??? ＥＰＰ定義了一個計算機用于控制外設初始化的信號：ｎＩｎｉｔ，如果用戶不希望控制外設的初始化，則可以不處理這個信號；用戶也可以挪用ｎＩｎｉｔ信號做其他的用途，在本設計方案的地址周期中，如果ｎＩｎｉｔ為高，則表示該地址對應ＩＳＡ接口的高８位地址，否則，對應低８位地址。用這種辦法解決了用８位的ＥＰＰ地址擴展１６位的ＩＳＡ地址的難題。實踐證明，這是一個方便實用的解決方法。

??? 用ＥＰＰ擴展ＩＳＡ接口，最根本的任務是把ＥＰＰ的數據讀寫周期快速地轉化為ＩＳＡ的ＩＯ讀寫周期。在ＩＳＡ的時序中[３]，時鐘的頻率是４．７７ＭＨｚ，典型的一個ＩＳＡ周期要用４個時鐘周期，即大概１μｓ的時間。在ＥＰＰ的讀周期中，ＥＰＰ首先發出讀命令，然后等待ＩＳＡ的數據響應，如果ＩＳＡ仍然以４個時鐘來進行ＩＯ讀操作，那么ＥＰＰ很有可能會由于超時而發生時序錯誤，數據也必然會錯。解決這個問題可以用提高ＩＳＡ接口的時鐘頻率的辦法，如提高到８ＭＨｚ甚至是１６ＭＨｚ，但是這樣的話ＩＳＡ卡可能會來不及響應而發生數據錯誤，所以這種方法不可取；另一種方法是改造ＩＳＡ接口的時序，使得既能滿足ＩＳＡ卡的時序要求，又不至于造成ＥＰＰ的超時錯誤。仔細分析ＩＳＡ的ＩＯ讀時序，ＣＰＵ在Ｔ１發出地址信號并發出ＡＬＥ信號，在Ｔ２發出讀命令，在Ｔ３采樣ＲＥＡＤＹ信號，以決定是否產生等待周期，如果不需要等待，則在Ｔ４讀取數據，完成整個讀周期。可以發現，對于本系統，Ｔ１周期是可以省略的，因為ＣＰＬＤ可以在ＥＰＰ的地址周期內設定要尋址的ＩＯ地址，而沒有必要在ＩＳＡ周期內再發送地址，這樣ＩＳＡ的ＩＯ讀周期就從４個時鐘減少到３個時鐘；如果可以保證ＩＳＡ卡設備可以在一個時鐘內送出有效的數據，則Ｔ３也可以省略，這樣一個ＩＳＡ讀周期實際上只占用了兩個時鐘，不會造成ＥＰＰ的超時錯誤。對ＥＰＰ數據寫周期，因為ＣＰＬＤ可以先把數據寫到緩沖中，首先保證ＥＰＰ時序，再把數據從緩沖寫到ＩＳＡ設備中去，所以不會造成超時錯誤。ＩＳＡ的讀寫時序經過這樣的簡化處理后，可以滿足ＩＳＡ設備和ＥＰＰ兩方面的時序要求。

４ ＣＰＬＤ的編程

??? 系統選用的ＣＰＬＤ是ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＥＰ７０６４，它有６４個宏單元，１２５０個可用門，就可以完成ＥＰＰ和ＩＳＡ的接口任務。文獻[４]詳細介紹了ＡＬＴＥＲＡ公司的ＣＰＬＤ器件，在這里就不再介紹器件的性能和使用方法了。僅給出用ＶＨＤＬ語言寫的控制程序如下（部分信號的意義請參照前面的電路原理圖）。

??? Ｐｒｏｃｅｓｓ （ｃｌｋ）

??? Ｔｙｐｅ ＩＳＡＴｙｐｅ ｉｓ （Ｉｄｌｅ，ＲＤ，ＷＲ）；

??? Ｖａｒｉａｂｌｅ ＩＳＡ： ＩＳＡＴｙｐｅ；

??? Ｖａｒｉａｂｌｅ ＩＯＲ： ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ；

??? Ｖａｒｉａｂｌｅ ＩＯＷ： ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ；

??? Ｖａｒｉａｂｌｅ ＥＰＰＢｕｆ： ＳＴＤ＿ＬＯＧＩＣ＿ＶＥＣＴＯＲ （７ ｄｏｗｎｔｏ ０）；

??? Ｂｅｇｉｎ

??? Ｃａｓｅ ＩＳＡ ｉｓ

??? Ｗｈｅｎ Ｉｄｌｅ ＝＞

??? Ｉｆ ＩＯＲ＝‘１’ ｔｈｅｎ

??? ＃ＩＯＲＤ ＜＝ ‘０’；

??? ＩＯＲ?＝‘０’；

??? ＩＳＡ ：＝ ＲＤ；

??? Ｅｌｓｅｉｆ ＩＯＷ＝‘１’ ｔｈｅｎ

??? ＃ＩＯＷＲ ＜＝ ‘０’；

??? ＩＳＡＤａｔａＢｕｆ＜＝ＥＰＰＢｕｆ；

??? ＩＯＷ：＝‘０’；

??? ＩＳＡ：＝ＷＲ；

??? Ｅｎｄ ｉｆ；

??? Ｗｈｅｎ ＲＤ ＝＞

??? ＥＰＰＢｕｆ：＝ＩＳＡＤａｔａＢｕｓ；

??? ＃ＩＯＲＤ＜＝‘１’；

??? ＩＳＡ：＝Ｉｄｌｅ；

??? Ｗｈｅｎ ＷＲ ＝＞

??? ＃ＩＯＷＲ ＜＝‘１’；

??? ＩＳＡ：＝Ｉｄｌｅ；

??? Ｅｎｄ ｃａｓｅ；

??? Ｅｎｄ；

??? Ｅｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ；

５ 計算機對ＥＰＰ／ＩＳＡ的操作

??? 計算機通過ＥＰＰ協議用ＣＰＬＤ擴展出ＩＳＡ接口，現有的ＩＳＡ卡就可以通過ＩＳＡ接口、ＣＰＬＤ和ＥＰＰ協議間接地連到了計算機上。對于ＩＳＡ卡的使用者而言，無論從硬件的角度還是從軟件的角度來看，都好象是這塊ＩＳＡ卡直接插在計算機的ＩＳＡ槽內，其速度也完全能夠達到應用的要求。ＥＰＰ協議的用戶編程接口是協議定義的幾個ＩＯ口地址。以并口基地址為３７８Ｈ為例，３７８Ｈ是ＳＰＰ數據口，３７９Ｈ是ＳＰＰ狀態口，３７ＡＨ是ＳＰＰ控制口，３７ＢＨ是ＥＰＰ地址口，３７ＣＨ是ＥＰＰ數據口。對ＩＳＡ卡的操作順序是：首先通過設置ｎＩｎｉｔ為高和寫ＥＰＰ地址口來設置ＩＳＡ卡的高８位地址，再通過設置ｎＩｎｉｔ為低和寫ＥＰＰ地址口來設置ＩＳＡ卡的低８位地址，就可以通過ＥＰＰ數據口對ＩＳＡ卡進行讀寫操作了。作者本人做出的系統對單一的地址進行操作時，寫操作的速度可以達到１０００～１２００ ＫＢ／ｓ，最高可以達到１３１０ＫＢ／ｓ，讀操作的速度可達８００～１１００ＫＢ／ｓ，完全能滿足數據采集和控制的要求。如果是對多個地址進行操作，由于設置地址要占用一個或者兩個ＥＰＰ地址周期，所以數據傳輸速度會有所損失。

６ 與其它通訊方案的比較

??? （１）ＲＳ２３２串口：最通用的一種連接方法。但是它支持數據傳輸速率最大為１０～２０ＫＢ／ｓ，對于一般的數據采集和控制系統而言顯得有些慢。

??? （２）ＳＰＰ：數據通訊速度比串口快，可以達到１５０ ＫＢ／ｓ。但是ＳＰＰ用做數據輸入時很麻煩，用多次ＩＯ才能完成一次完整的數據讀取，速度要犧牲很多，況且外設的設計并不比ＥＰＰ簡單。所以，如果選擇了并口方案，就不能選擇ＳＰＰ模式，除非用戶僅僅是做數據輸出并且對速度沒有很高的要求。

??? （３）ＥＣＰ：與ＥＰＰ相比ＥＣＰ最大的優勢是它支持ＤＭＡ操作，如果系統工作時有大批量的數據要傳輸，用ＥＣＰ模式可以大大減輕計算機ＣＰＵ的負擔，提高系統的整體性能。但是獲得ＥＣＰ的高性能的代價是必須重新設計比ＥＰＰ復雜得多的接口軟件（指ＣＰＬＤ的控制軟件），同時計算機軟件方面還必須要編寫硬件驅動程序，這對于一般的計算機應用系統開發者而言還是一個不小的困難。

??? （４）ＰＣＭＣＩＡ（ｔｈｅ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃａｒｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）：發展了信用卡大小的外設與ＰＣ機連接的標準。最初，ＰＣＭＣＩＡ標準僅對于內存卡，現在已擴展到Ｉ／Ｏ設備。數據能以最大５ＭＢ／ｓ的速率傳輸。但ＰＣＭＣＩＡ卡不支持ＤＭＡ，這就增加了數據采集和ＣＰＵ處理之間的時間。因而，目前的ＰＣＭＣＩＡ Ｉ／Ｏ卡需大容量緩存。ＰＣＭＣＩＡ設備的另一缺點是尺寸太小（最大尺寸８６ｍｍ×５４ｍｍ×１０ｍｍ），不能用于控制數據采集系統中的一些模擬電路部分。

??? （５）ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）：支持１２Ｍｂｐｓ的數據傳輸速度，支持１２７個外圍設備，支持ＰＮＰ（Ｐｌｕｇ ａｎｄ Ｐｌａｙ），支持熱插拔，并且總線本身可以提供用戶系統電源。信號傳輸采用差分方式，可以抑制比較強的共模干擾。ＵＳＢ具有很大的發展前途。在未來的計算機上，可能不再提供ＲＳ２３２串口，可能不再提供并口，但絕對不可能沒有ＵＳＢ接口。ＵＳＢ的使用不象并口那樣簡潔，它必須要有專用的接口芯片的支持才能用在系統中。不少芯片商已經提供了ＵＳＢ的產品，如ＵＳＢ ＨＵＢ、ＵＳＢ接口、ＵＳＢ單片機等等。當然用戶自己也可以把ＵＳＢ協議寫到ＰＬＤ芯片中去，使接口和系統融為一體。

??? 綜上所述，采用ＥＰＰ擴展計算機的ＩＳＡ接口是一種新穎的計算機外設設計方案，它具有非常高的性能價格比，能夠達到絕大多數基于ＩＳＡ接口的數據采集和控制系統的通訊速度要求。這種方案大大擴展了筆記本電腦對于ＩＳＡ接口設備的適應能力，省去了用戶對擴展箱的需求。僅僅改寫該系統的ＣＰＬＤ程序和計算機的控制程序就可以提供新的功能，如做成雙ＩＳＡ接口系統，或者改造成ＳＴＤ、ＳＴＥ總線系統等等，而系統的硬件不需做任何的改動。ＥＰＰ的確是一種有前景的實用接口技術，值得微機外設設計者和使用者采用。