单片机系统标准总线(MPS BUS)的研究及模板设计

1 、引言

随着科学技术的发展，单片机系统在生产、生活、工作等各个方面得以广泛应用。而研制各种单片机系统，总要进行一些重复的软硬设计，从而导致系统开发周期长，造成人、财、物的浪费。采用标准总线是一种提高开发效率、实现产业化的重要途径。如果设计一种单片机系统标准总线，依照标准总线的接口设计出相应的 CPU板、人机接口板、输入输出板等，同时提供相应的软件模块。当设计一个单片机系统时，按照要求选取相应的模板即可组成相应的硬件系统。在软件设计中，各模板的软件设计可以调用各模板的软件模块。从而可将开发者的精力用于应用系统功能的开发上。为此，本文介绍了基于MCS51系列单片机系统标准总线的设计。

2、单片机系统标准总线（MPS BUS）的制定原则及依据

在单片机的应用中，80%是采用8位单片机。而在8位单片机中，MCS51系列单片机是使用最多的单片机。因此，本单片机系统标准总线是基于MCS51系列单片机及其兼容产品而设计的。
总线就是各种信号线的集合，是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通路。单片机系统总线则是单片机系统中各种功能模板之间的总线。单片机系统标准总线（MPS BUS - Macro Processer System stantand BUS）应规定模板尺寸、总线连接器、总线各引脚安排、信号定义、电气标准、读写时序和持续时间等参数。定时规范规定其读写时序，电气规范则规定其电平标准。并且，定时规范和电气规范应符合单片机标准。
2．1 逻辑规范的制定
单片机系统标准总线是单片机系统各部件之间的信息通路。应包括数据总线、地址总线、控制总线、电源总线。单片机系统标准总线的制定要充分发挥51系列单片机的性能。51系列单片机共有40条线，P0口为数据和地址低8位复用口。系统总线应将数据线和地址线分开，简化各模板的线路设计。因此,CPU板应将 P0口通过数据锁存器和地址锁存器分为数据线和低8位地址线，并与单片机系统的数据线和低8位地址线对应。P2口为高8位地址线，与单片机系统地址线高8 位对应。因此，系统总线有8条数据线，16条地址线。
单片机的控制线含P3口及PSEN、ALE、RST。P3口包含了两位通讯线，两个中断输入，两个定时输入和两个读写控制端。RXD表示串行输入口；TXD表示串行输出口；INT0表示外部中断0；INT1表示外部中断1；T0表示定时器0外部输入；T1表示定时器1外部输入；RD表示读存储器或输入装置，三态，低电平有效。RD信号由执行任务的现行主发出，表示从存储器或输入端口读取数据。被选通的输入装置或存储器，用这个信号将数据送到数据总线上。当RD由低向高电平跳变时，微处理器将获取数据。WR表示写存储器或输出装置，三态，低电平有效。WR信号由现行主发出，表示总线上有或将有数据要写入指定的存储器或输出装置。当WR由低向高电平跳变时，则完成数据的写入操作。系统模板都应具备 P3口的功能，系统总线包含P3口全部8条线。PSEN是外部程序存储器的读选通信号，当需扩展外部程序存储器模板时用此信号。当访问外部存储器时，ALE(允许地址锁存)的输出用于锁存地址的低8位字节。因为，系统总线已将数据和地址分开，ALE除在CPU板使用外，不再其它模板使用。但是，ALE端是以不变的频率周期性的出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。它可用作对外输出的时钟，或用于定时。因此，应在系统总线中加以保留。 RST表示复位，EA为使用内部存储器控制端，系统总线不必保留。
单片机的P1口用于I/O控制，同时，兼做地址空间超过64K时的地线线。一般情况下，用于I/O控制，因此，系统总线有8条控制线与之对应。
标准总线中的电源总线应包含各模板中常用的电源。CPU及其它数字电路需要5V电源，接口中的模拟电路一般为+12V及-12V电源。因此，在系统总线中，含+5V及数字地GND两条线，+12V、-12V及模拟地AGND共4条线。
引脚的排列原则按电源、数据、地址、控制顺序进行，并与单片机的引脚顺序相呼应。
2．2 模板尺寸
一般的单片机系统应用中，具有小型化、嵌入式、功能集中等特点。单片机系统的模板尺寸即要满足应用系统性能要求，又要满足体积小、结构紧凑的要求。单片机系统标准总线模板采用小板结构，它比STD总线模板尺寸还要小，与PC104模板相当。与大板结构相比，这种小板结构在机械强度、抗震动、抗老化和抗干扰方面优越得多。小板结构功能单一，组合灵活、硬件冗余小，减小了系统硬件开销。
2．3 总线连接器
为了使系统的整体结构紧凑，模板之间采用叠层方式，总线连接器采用50针插头及插座方式。

3、MPS BUS标准制定的基本方案

3．1 标准总线逻辑规范
单片机系统标准总线分为电源总线、数据总线、地址总线、输入输出总线和控制总线五部分。数据总线对应MCS51的PO口；地址总线低8位由MCS51的 PO口扩展而得，高8位与MCS51的P2口相对应；控制总线对应MCS51单片机的P3口及PSEN，ALT。总线引脚的定义如表1所示：
表1 单片机系统标准总线的定义及引脚分配

电源总线（引脚1~8）适应逻辑及模拟电源的配电，逻辑电源为+5V，用于给CPU及数字集成芯片供电，对应的地为数字地GND；模拟电源为+12V和-12V，用于给模拟器件供电，对应的地为AGND。