32位微机原理与接口技术”实验系统——CPLD电路设计与制作

摘  要
   "微机原理与接口技术"是一门实践性较强的课程，要学好该课程必须与配套的教学实验相结合，这样才能巩固和加强对书本知识的认识和理解。目前，32位微机原理与接口技术配套的实验系统功能不强，与微机的快速发展不配套。因此，急需研制开发一套操作简便、功能齐全、结构简单的"32位微机原理与接口技术"实验系统。本文首先对CPLD进行研究与分析，在此基础上将原有的中小规模器件集成到CPLD中，达到了简化电路，减小成本的目的。经过研制开发，已经成功应用于ISA总线的接口电路中。

关键词：芯片解密, ADD-ON总线,逻辑电路设计，时序分析

ABSTRACT
   "Microcomputer principle and interface technology" is a course which needs practices.to learn the course well,it must integrate with the experiment going with the course.In this way,it can strengthen the understanding of the knowledge in book.Presently,the function of the experiment system going with the32-bit microcomputer principle and interface technology is not strong enough,and not fits the fast development of the microcomputer.So ,it is necessary to develop a experiment system which provides easy operation,full functions and brief  structure for the 32-bit microcomputer principle and interface technology.Firstly ,the paper analyze the CPLD.Then ,it integrate the mid-mini scale circuit into the CPLD.Thereby,it predigests the circuit and reduces the cost.through the design ,it has already been successfully applied in the interface circuit of ISA bus.

KEY WORDS:  Chip-Decoding,ADD-ON-bus,Logic-Circuit Designing
               Scheduling Analysis

绪  论
1.1  背  景
　　科学技术的发展,将微机的应用带入各个领域,于是掌握微机系统知识及微机接口技术就显得尤为重要。纵观微机的发展,无论是微处理器、微机接口还是微机操作平台,都发生了巨大的变化。
　　PC 微机的发展过程中,无论是微处理器还是微机的系统机构始终都保持着向上兼容性。从[1]PC/XT总线结构开始,系统总线不断升级,相继出现了ISA总线、EISA总线、MCA(微通道结构)总线、VESA 局部总线、PCI 局部总线和AGP接口,微机的整体处理速度和可靠性得到了提高的。本节将简要介绍微机发展中几种主要的微机系统结构。但我们设计的这套系统使用了ADD－ON总线来实现PCI总线的转换，其中使用了AMCC S5933的总线控制芯片。本章首先对微机的发展变化及微机系统结构变化作一简要介绍。
　1.1.1  微机系统结构的发展变化
　　微机的发展变化主要体现在两个方面:第一方面属于微处理器的发展变化,第二方面属于微机体系结构及微机操作平台的发展变化。微处理器作为微机中的核心部件,从早期的8088,发展到16位的8086,32位的80386,及奔腾系列,已经历了6代的变化(现在INTEL公司还推出了64位的Itanium)。从80386开始的32位80X86系列CPU提出了实模式、保护模式及虚拟86模式三种工作模式的概念:在实模式下,CPU相当于一个可以进行32位处理的快速8086; 在保护模式下,CPU的工作原理和机制与16位处理器的工作原理及机制产生了本质的不同:它采用了新的应用数据结构、虚拟存储管理方案、新的中断/异常处理机制并从硬件上支持了多任务,目前微机主流操作系统(如Windows 9x)都是基于CPU的保护模式来工作的。而虚拟86模式,是保护模式下一个可以仿真8086的任务。我们现在做的这个系统：使用ISA总线的低级接口部分是实模式下的;使用ADD－ON总线的高级接口部分是保护模式下的。在微处理器发展的同时,微机体系机构也从早期CPU总线直接与外设相连发展到现在采用的多级总线结构,PC 微机的外围总线也由低速总线发展到以PCI总线为主的高速总线,于是外围高速设备得到越来越广泛的使用,社会对接口应用开发人员掌握的软硬件知识及具备的软硬件开发能力提出了更高的要求。而微机操作平台方面,Windows 9x操作系统已经成为PC微机操作系统的主流,由于Windows是基于CPU保护模式工作的,它与在16位操作系统时代的DOS、Windows 3.1有所不同。如,在以往的操作系统上,用户程序可以通过直接调用BIOS或者DOS功能调用实现对硬件的访问操作。而32位操作系统Windows9x,在CPU保护模式的支持下,对系统核心程序及系统硬件操作采取了屏蔽的策略,若要实现对硬件中断、DMA、I/O或者是绝对存储访问,都必须通过设备驱动程序。这使得系统变得更安全,也使得在Windows上从事核心软件开发及硬件控制对一般程序员变得非常困难。而我们现在做的这个系统不仅有基本的对于硬件系统的操作和访问（如调用BIOS功能），也有通过扩展硬件设备来模拟实模式下的对基本硬件设备的访问（如实现对硬件中断、DMA、I/O和存储器的访问）。
　1.1.2  基于PCI/XT总线的微机结构
　　在采用8088作为处理器的第一代通用微型计算机中,系统中的所有其他部件直接与处理器相连,处理器作为系统核心,通过PC总线对系统中的其他部件进行控制及数据交换。这种PC总线称为XT总线[2],它采用了8位数据总线和20位地址总线,以CPU时钟作为总线时钟,可支持4通道DMA和8级硬件中断。
　1.1.3  基于PC AT/ISA总线的微机结构
　　1984年IBM公司公布了PC/AT系统总线结构,系统中采用了80286 微处理器和80287协处理器。PC/AT支持与PC/XT兼容的结构,且性能比PC/XT增强了许多。后来Intel公司联合其他几家微处理器生产厂家推出了一个公开的总线标准称为ISA总线规范,它支持了24为地址线、16位数据线、15级硬件中断和 7个 DMA通道。其结构示意如图1-2-2示。其中 PC AT/ISA核心逻辑芯片组中可以实现7个DMA通道、15级中断、时间/计数器、总线缓冲器、扩展总线控制等。
　1.1.4  基于南北桥结构/中心结构的微机系统
　　随着微处理器和操作系统的变化,用户对微机处理的高速性提出新的要求,为了提高处理器与各部件及部件与部件间传输信息的整体效率,微机系统中采用了十分明确的总线分级结构,即CPU总线、局部总线(PCI总线[3])、系统总线结构。连接各级总线的是一些高集成度的多功能桥路芯片,它们可以起到信号速度、电平转换和控制协议转换的作用。按照芯片组功能和连接方法的划分,该结构可以分成南北桥结构和中心结构。
　　在南北桥结构中,各级总线主要通过两片桥芯片进行连接。一片称作北桥的用于连接CPU总线和PCI总线,另一片称作南桥,用于连接PCI总线和系统总线。常用的芯片组有Intel公司的440系列,如 440BX,其南桥芯片为 82371EB,集成了 PCI-ISA连接器、IDE控制器、USB控制器、2个增强型DMA控制器、2个8259中断控制器、8253/8254定时时数器、电源管理逻辑和可选的I/O APIC等。这种总线结构可以使高速外围设备通过 PCI插槽直接与 PCI相连,适应当前高速外设与微处理器连接的需求。
　　在中心机构的微机中,芯片组由3个芯片组成:存储控制中心MCH、I/O控制中心ICH和固件中心FWH。MCH用于提供高速AGP接口、动态显示管理、电源管理和内存管理功能。ICH提供了音频编码和调制解调器编码接口、IDE控制器、USB接口、局域网络接口,并与PCI总线及其插槽连接在一起。ICH还和 SuperI/O控制器相连,而 SuperI/O主要为系统中的慢速设备如串口、并口、键盘、鼠标等,提供与系统通信的数据交换接口。固件中心包含了主板BIOS.显示BIOS和可用于数字加密、安全认证等领域的硬件随机数产生器。
1.2 开发32位微机实验系统的目的
　　随着微机在各个领域，特别是计算机在与外部设备的通信中的广泛使用，微机接口技术便成为了非常重要的课题之一。通过设计各种接口，就可以实现CPU与外部扩展存储器，I/O设备，控制，测量，通信等设备的信息交互，学习微机接口技术对微机在这些工业领域中的广泛运用便显得尤为重要。与之相适应的高校的微机接口教学实验对于能给学生提供良好实验功能的实验设备的需求变的日益迫切。为此我们开发了这套实验系统，以满足高校进行教学实验的要求。
　1.2.1  基本接口原理及常用接口芯片
　　针对PC微机的结构，我们将系统设计为低级接口部分和高级接口部分。低级接口围绕8253/8254定时/计数控制器、8259中断控制器、DMA直接存储器访问控制器,8250/16550串行接口芯片、8255并行接口芯片等芯片的编程和操作；高级接口主要围绕着PCI总线技术及其应用,包括硬件接口设计和软件设计，其中使用AMCCS5933来实现总线转换。随着芯片制作工艺的飞速发展，芯片组已经高度集成化。低速的外围设备需要通过桥芯片或专用控制器才能连接到更高一级的速度的总线上，而8254定时/计数器、8259控制器、DMA控制器等控制芯片也都已经集成到桥芯片当中,而且这种硬件连接都已经固定,大部分硬件资源被系统分配给特定应用,操作系统本身还要对硬件进行直接的管理。而一些常用的芯片例如 A/D D/A转换、存储器等微机内并没有提供接口, 更没有办法进行实验。这对我们的教学和实验无疑带来了很大的局限。
　　为了解决基于PC 微机进行实验教学带来的各种局限和不便,利用总线扩展的方法将微机内部部分硬件资源引出,并通过一定的控制逻辑提供可以在PC 机外部连接使用常用接口芯片的信号,让学生实践接口连接和芯片编程,就是一种可行的方法。这也是我们现在所采用的方式。由于ISA总线已经被淘汰,PC微机提供的总线接口主要是PCI扩展插槽,所以需要从PCI总线扩展出仿真ISA接口,提供部分仿真ISA总线信号,将各种常用接口芯片及典型应用挂接在该接口上。但由于PCI总线支持了总线主控方式、其中断功能也区别于ISA,在PCI总线上不推荐使用8237DMA控制器和 8259中断控制器。有关 8237 DMA控制器和 8259中断控制器的学习,只能基于PC微机本身实现一些特定操作。
　　综上所述,32位微机接口技术的基本教学可以从两个方面来实现,一方面是以PC微机为平台,操作PC微机内部资源,包括对系统8259、8237、键盘、鼠标等的操作应用。另一方面是以PC微机为平台,通过PCI总线扩展出低速总线接口信号,挂接一些常用接口芯片及典型应用,学习其基本编程与应用,包括8254、8255、8250/16550、A/D、D/A和微机控制应用等。
　
　
第二章  32位微机实验系统的结构分析与研究
　　系统为32位微机原理和微机接口技术应用分别提供了实验于台。32位微机原理部分实验平台由一组支持在80386、奔腾及其以上PC 微机上的编程及调试工具组成。微机接口应用部分,系统提供了硬件实验平台,并将实验分为基本接口和高级接口应用两部分。对于基本接口应用学习，系统经PCI总线扩展卡及转接逻辑为用户提供了一个仿真ISA接口,用户可以基于该接口学习常用接口芯片的编程及应用; 对高级按口部分的学习,实验系统提供了全开放的简化PCI总线接口-ADD-ON总线接口及CPLD实验单元,使用户可以直接对PCI总线完成特定应用需要的接口设计，和PCI总线应用扩展实例。32微机实验系统使用了三种总线：PCI BUS（见附录1），ADD－ON BUS（见附录3）以及ISA BUS的部分信号。通过AMCC S5933实现PCI到ADD－ON的转换并通过逻辑组合提供ISA的部分信号。
2.1  32微机实验系统的功能
　1.  完善的基本微机接口技术实验教学平台
　　系统以PC 微机为主机,通过PCI总线扩展卡将PCI总线信号经扩展卡上的PCI总线控制芯片进行转换,转换成ADD-ON总线信号引入接口实验平台,再经过逻辑转换而形成仿真ISA总线接口,供作基本接口实验使用。在接口实验单元中,系统提供了各种常用外围接口及其控制应用部件,如定时/计数器8254、并口 8255、串口 16550、静态存贮器 6264、闪存 29256、AD574、DA0832、键盘输入及 LED显示、二进制开关输入及发光管显示、电机及温度控制单元电路。
　2.  可支持PCI总线扩展开发的高级接口技术实验平台
　系统以PC 微机为主机,通过PCI总线扩展卡将PCI总线信号经扩展卡上的PCI总线控制芯片进行转换,转换成ADD-ON总线信号引入接口实验平台,并提供CPLD应用开发单元,使用户可以进行各种硬件接口逻辑的设计,由此进行PCI总线扩展应用实验及PCI总线的扩展应用开发。
　3.  系统提供了FLASH闪存,体现先进存贮技术。

目  录
第一章 绪论.................................................................................1
1.1 背景.....................................................................................1
　　　　1.1.1  微机系统结构的发展变化................................................1
　　　　1.1.2  基于PCI/XT总线的微机结构...........................................2
1.1.3  基于PC AT/ISA总线的微机结构.......................................2
1.1.4 基于南北桥结构/中心结构的微机系统.................................2
　　1.2 开发32位微机实验系统的目的...................................................3
　　    1.2.1  基本接口原理及常用接口芯片...........................................3
　　    1.2.2  PCI总线的应用与扩展....................................................4
　　1.3 论文的内容结构......................................................................4
第二章  32位微机实验系统的研究.................................................5
　　2.1  32微机实验系统的功能...........................................................5
　　2.2  32微机实验系统的结构...........................................................5
　　     2.2.1  实验箱单元结构及其功能...............................................5
　　     2.2.2  PCI总线扩展卡单元结构及其功能....................................7
     2.3  32位微机实验系统的三种总线.................................................7
　　     2.3.1  PCI总线接口信号概述...................................................7
　　     2.3.2  ADD-ON总线接口信号概述............................................9
　　     2.3.3  ISA部分仿真信号概述.................................................11
第三章  AMCC S5933芯片的应用................................................13
     3.1  PCI配置空间和基地址寄存器的使用.......................................13
     3.2  AMCC S5933总线控制器......................................................14
     3. 3  AMCC S5933各接口描述.....................................................15
第四章  ATF1504芯片的研究.......................................................19
　　4.1   ATF1504芯片的接口和功能研究................................. ............19
         4.1.1  芯片概述..................................................................19
         4.1.2  ATF1504各功能模块的描述..........................................19
　　4.2   ATF1504逻辑块的分析及引脚分布..........................................21
第五章  ATF1504芯片的解密与电路逻辑编程实现...................... 23
    5.1   ATF1504解密的前期准备工作................................................23
    5.2   Pass-Thru区域访问的深入研究...............................................25
    5.3   ATF1504输入输出引脚的类型鉴定..........................................27
    5.4   使用MAX+PLUS II软件和VHDL语言编程实现电路逻辑..........29
　　5.5   VHDL源程序.......................................................................29
第六章 结论与展望.....................................................................34
     6.1   结论...............................................................................34
     6.2   下一步的工作...................................................................34
参考文献.......................................................................................35
致     谢.....................................................................................36
附     录.....................................................................................37