计算机并口EPP模式及基于XC95144芯片实现它的通信设计
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。
图2 win2000的驱动体系结构
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
下面就可以用类kiorange的成员函数来访问epp的寄存器：
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？s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。
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：
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*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。
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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；
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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。
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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。
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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。
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