Ю. В. Новиков, О. А. Калашников, С. Э. Гуляев

РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ СОПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА ТИПА IBM PC

Издательство «ЭКОМ»

Москва, 1998

Оглавление

Введение

Глава 1. Методы подключения устройств сопряжения

1.1 Сравнение методов подключения устройств сопряжения

1.2 Порядок обмена по системной магистрали ISA

1.2.1 Особенности магистрали ISA

1.2.2 Сигналы магистрали ISA

1.2.3 Циклы магистрали ISA

1.2.4 Электрические характеристики линий ISA

1.3 Порядок обмена по интерфейсу Centronics

1.4 Порядок обмена по интерфейсу RS-232C

Глава 2. Разработка устройств сопряжения для ISA

2.1 Проектирование аппаратуры для сопряжения с ISA

2.1.1 Буферирование сигналов магистрали

2.1.2 Построение селекторов адреса

2.1.3 Выработка внутренних стробирующих сигналов

2.1.4 Асинхронный обмен по ISA

2.1.5 Особенности использования прерываний

2.1.6 Применение прямого доступа

2.1.7 Буферные ОЗУ устройств сопряжения

2.1.8 Микропрограммные автоматы

2.1.9 Универсальный контроллер параллельного обмена

2.1.10 Одноплатный логический анализатор

2.1.11 Генератор сигналов произвольной формы

2.1.12 Измеритель частоты следования импульсов

2.1.13 Узлы контроллера локальной сети

2.2 Разработка программного обеспечения устройств сопряжения для ISA

2.2.1 Особенности проектирования программного обеспечения для устройств сопряжения

2.2.2 Программирование универсального контроллера параллельного обмена

2.2.3 Программирование логического анализатора

2.2.4 К вопросу о программировании сетевого контроллера

2.3 Особенности отладки устройств сопряжения для ISA

2.3.1 Комплекс средств статической отладки

2.3.2 Отладка в динамическом режиме

Глава 3. Разработка устройств сопряжения для Centronics

3.1 Основные принципы проектирования аппаратуры для сопряжения с Centronics

3.1.1 Чем удобен и чем неудобен интерфейс Centronics

3.1.2 Подключение простейших нестандартных устройств

3.1.3 Подключение модулей памяти

3.1.4 Универсальный параллельный адаптер

3.2 Проектирование программного обеспечения для обмена через Centronics

3.2.1 Программирование на нижнем уровне

3.2.2 Программирование на верхнем уровне

3.3 Примеры программирования

3.3.1 Драйверы устройства "набор лампочек и кнопочек"

3.3.2 Драйверы модуля ОЗУ

3.3.3 Драйверы универсального параллельного адаптера

Глава 4. Разработка устройств сопряжения для RS-232C

4.1 Постановка задачи сопряжения

4.2 Схемотехника преобразователей уровня

4.3 Схемотехника преобразователей кода

4.4 Проектирование устройств сопряжения для RS-232C

4.5 Разработка программного обеспечения для RS-232C

4.6 Отладка контроллеров на базе однокристальной микроЭВМ

Приложение 1. Габаритные размеры платы ISA

Приложение 2. Другие интерфейсы компьютера типа IBM PC

Приложение 3. Микросхемы серий КР1533 и КР1554 и их аналоги

Приложение 4. Форматы обмена с приемопередатчиком RS-232C

Литература

Введение

Первый вопрос, который может возникнуть у читателей этой книги: "А зачем все это нужно?". Действительно, ведь если возникает задача сопряжения персонального компьютера с каким-то внешним устройством, то можно воспользоваться огромным количеством имеющихся на рынке стандартных устройств сопряжения (УС). При этом экономится время (но не всегда деньги), и есть гарантия (правда, не стопроцентная) того, что купленная плата не выведет ваш компьютер из строя. А здесь предлагается долгий, трудный путь проектирования, изготовления и отладки своего УС, который еще неизвестно к чему приведет. Тем не менее существует ряд соображений в пользу того, чтобы самому разработать оригинальное УС, несмотря на все трудности такого пути. Перечислим некоторые из этих соображений.

Во-первых, если стоит задача сопряжения компьютера с уникальным внешним устройством, то вполне вероятно, что на рынке может просто не оказаться подходящих модулей. Ведь всего предусмотреть невозможно. Во-вторых, стандартные УС очень часто проектируются исходя из их максимальной универсальности (а следовательно, большого объема выпуска), что нередко приводит к их довольно высокой стоимости по сравнению со специализированными УС. Наконец, в-третьих, кто-то ведь должен разрабатывать новые, более совершенные УС, продающиеся затем на рынке, и получать за это деньги, а не платить свои за покупные УС. Поэтому будем считать, что разработка оригинальных УС все-таки имеет определенный смысл.

Несмотря на важность этой проблемы, в литературе она не получила достаточного освещения. Отчасти это связано с тем, что за рубежом разработкой УС занимается довольно ограниченное число фирм, и информация по данной тематике считается там не предназначенной для широкого пользователя. Отечественная же литература очень часто ориентируется именно на перевод зарубежных источников. И хотя до недавнего времени в нашей стране было огромное количество разработчиков (в том числе и очень талантливых), которые имели опыт проектирования УС, сейчас многие из них занялись другими проблемами, что привело к утрате накопленного потенциала. Но продавая и перепродавая пусть даже самые лучшие зарубежные изделия, нельзя решить всех проблем. А проектирование УС стало сейчас доступным практически всем желающим, так как появился доступ к самым различным электронным компонентам, о которых раньше не приходилось и мечтать.

Всю литературу, имеющую отношение к разработке УС, можно разделить на две большие группы. В первую из них входят книги, описывающие устройство процессоров персональных компьютеров и всевозможных микросхем контроллеров, входящих в них. В некоторых из них приводится и описание устройства компьютера в целом, его ремонта и модернизации. Однако очень редко в таких книгах можно встретить даже краткое описание особенностей системных магистралей компьютеров.

Вторая группа книг касается в основном проблем организации программного обеспечения для обмена информацией с внешними устройствами. То есть в этих книгах описываются только начальный и конечный этапы решения задачи сопряжения. Однако внутреннее устройство компьютера — это далеко не самое важное из того, что нужно знать разработчику УС. Для него компьютер — "черный ящик", имеющий несколько внешних разъемов, к которым собственно и подключаются УС. И гораздо важнее для разработчика детальное знание особенностей сигналов на этих разъемах, соглашений об обмене информацией по интерфейсам, правил электрического и временного согласования и т.д.

Очень важно для разработчика также знать типичные примеры конкретной схемотехнической реализации узлов УС, особенно некоторых наиболее ответственных, чтобы не делать грубых ошибок. Это сильно облегчает процесс проектирования. Конечно же, разработчик должен уметь составить программу обмена информацией со своим УС, которая бы в наибольшей степени была ориентирована на учет всех особенностей аппаратуры и которая в ряде случаев очень эффективно может взять на себя многие функции этой аппаратуры, снизив стоимость УС.

И еще одна важная часть проблемы разработки УС. Любое новое УС, особенно УС, ориентированное на сопряжение с системной магистралью, может нарушить работу компьютера вплоть до полного выхода его из строя. Поэтому крайне желательно в процессе разработки использовать эффективные средства отладки УС, особенно если данная разработка — не единичный случай, и вы собираетесь заниматься этим делом впредь.

Все эти вопросы должны решаться в комплексе. Только в этом случае можно надеяться на успешное решение задачи разработки оригинальных и эффективных УС самого различного назначения.

И несколько слов об этой книге. Она написана сотрудниками Московского инженерно-физического института к.т.н. Ю.В. Новиковым (гл. 1 и 2), к.т.н. О.А. Калашниковым (п. 2.2 и гл. 3) и С.Э. Гуляевым (гл. 4) на основе определенного опыта авторов по проектированию устройств сопряжения самого различного назначения и материалов учебных курсов, преподаваемых в течение ряда лет студентам кафедры Электроники МИФИ.

Практически все схемы, приведенные в книге, разработаны, собраны, отлажены и испытаны в различных режимах самр -ми авторами. Некоторые из описанных устройств успешно работают как в МИФИ, так и в других организациях.

Методы подключения устройств сопряжения

В чем состоит особенность проектирования любого устройства сопряжения (УС) по сравнению с другими электронными устройствами? УС, как следует из его названия, подключается к уже готовой системе (в нашем случае — к персональному компьютеру). То есть разработчик УС должен всегда учитывать возможность того, что его устройство может нарушить работу системы в целом, причем не исключено, что только в одном, редко используемом режиме. Поэтому от разработчика УС требуется повышенное внимание при проектировании, а также аккуратная и тщательная отладка УС. При этом свобода разработчика ограничена особенностями внешних интерфейсов компьютера, которые надо знать и максимально использовать.

При разработке УС особенно полезно помнить одно важнейшее правило. Любая работа обычно может быть выполнена двумя путями: медленно и хорошо или быстро и плохо (две другие ситуации: быстро и хорошо, медленно и плохо мы не рассматриваем в силу их очевидности). Так вот, если вы сделаете работу медленно и хорошо, то все очень скоро забудут, что она сделана медленно (хотя могут и побить), но очень долго будут помнить, что она выполнена хорошо. И наоборот, если вы сделаете работу быстро и плохо, то очень скоро все забудут, что она сделана быстро (хотя сначала будут хвалить), но никогда не забудут, что она выполнена плохо. Под словом "все" и в том, и в другом случае понимаются не только ваше начальство, коллеги, заказчики, покупатели, но и вы сами.

Прежде чем перейти непосредственно к теме данной главы, вспомним несколько громоздкое, наукообразное, но имеющее, тем не менее, глубокий смысл определение. Интерфейс — это совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в системах при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов. Мы не будем его комментировать, но советуем обратить внимание на все термины, использованные здесь. Невыполнение даже одного требования из перечисленных не позволит вам создать нечто действительно работоспособное, полезное и удобное.

1.1. Сравнение методов подключения устройств сопряжения

К персональному компьютеру типа IBM PC (как, впрочем, и к компьютерам других типов) УС могут быть подключены тремя путями, соответствующими трем типам стандартных внешних интерфейсов, средства которых входят в базовую конфигурацию компьютера:

- через системную магистраль или шину, канал — эти термины равнозначны (в нашем случае это ISA — Industrial Standard Architecture);

- через параллельный интерфейс Centronics; - через последовательный интерфейс RS-232C.

Отметим, что в данной книге мы не будем подробно рассматривать особенности проектирования УС для других типов интерфейсов, встречающихся в персональных компьютерах рассматриваемого типа, например, EISA (Extended ISA), PCI (Peripheral Component Interconnect), VLB (Video Local Bus) или VESA (Video Electronics Standards Association), PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). В частности, это связано с ограниченным объемом книги. Некоторые сведения об этих интерфейсах приведены в приложениях. Выбор же ISA в качестве основной системной магистрали объясняется тем, что она является наиболее распространенной. Разъемы (слоты) ISA имеются как в допотопных IBM PC XT, так и в новейших Pentium-компьютерах. Конечно же, более новые 32-разрядные интерфейсы обеспечивают большую скорость обмена и более высокую гибкость, но, научившись проектировать УС для ISA, разработчик легко сможет освоить как упомянутые магистрали, так и все те, которые появятся в будущем.

Каждый из трех указанных методов подключения имеет свои преимущества и недостатки. Выбор одного из них — важнейший шаг в самом начале процесса проектирования УС. Конечно же, здесь не рассматривается задача подключения к персональному компьютеру внешних устройств, имеющих стандартные интерфейсы Centronics и RS-232C (в этом случае УС представляет собой самый обычный соответствующим образом распаянный кабель, и никакого проектирования не требуется).

Табл. 1.1. Сравнение методов подключения УС.