摘要：GPIB 控制器芯片是組建自動測試系統(tǒng)的核心，在測試領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文擬討論用
ALTERA 公司的低成本 CPLD 來實(shí)現(xiàn) GPIB 控制器的功能。GPIB 控制器芯片的硬件設(shè)計(jì)主 要分為狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)通道和微處理接口的設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)介紹了各個模塊的實(shí)現(xiàn)原理。
關(guān)鍵詞：GPIB，CPLD，三線掛鉤，三態(tài)總線，VHDL。

1. 引言：

1.1 用 CPLD 實(shí)現(xiàn) GPIB 控制芯片的意義

綜觀現(xiàn)今市場上的測試儀器，不難發(fā)現(xiàn) GPIB 總線有重要的作用，在研制臺式測試儀器 的時候，客戶幾乎均要求具備 GPIB 接口?？墒窃趯?shí)際研發(fā)過程中，卻發(fā)現(xiàn) GPIB 控制芯片很難購買，而且價(jià)格昂貴。而且作為測試儀器具備 GPIB 的接口，一般只需要具有聽、講、串查功能，而不需要控、并查功能，這樣又會造成資源與功能的浪費(fèi)。所以我們嘗試用 CPLD來實(shí)現(xiàn) GPIB 接口的聽、講、串查功能，不僅可擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，節(jié)省了產(chǎn)品的成本，而 且具有很大的靈活性。

1.2 GPIB 控制芯片簡介：

GPIB 也叫 HPIB，是一個數(shù)字化的 24 腳并行總線，由 16 條信號線和 8 條地線組成。這16 條信號線分為 8 條數(shù)據(jù)線、5 條控制線和 3 條握手線。8 條數(shù)據(jù)線：從 DIO1 到 DIO8，用 來傳送命令、地址和數(shù)據(jù)；5 條控制線：分別為 ATN 線、IFC 線、REN 線、SRQ 線和 EOI 線，用來管理通過接口的有序信息流；3 條握手線：DAV 線、NRFD 線和 NDAC 線，用于控制設(shè)備之間消息字節(jié)的傳送。發(fā)送消息方（源方）和接收消息方（受方）利用這 3 條握手線進(jìn)行三線掛鉤，以保證數(shù)據(jù)線上的消息（命令或數(shù)據(jù)）能準(zhǔn)確無誤地傳送。

在 GPIB 系統(tǒng)中，把器件與 GPIB 總線的一種交互作用定義成一種接口功能。GPIB 標(biāo)準(zhǔn) 接口共定義了 10 種接口功能。

1.3 設(shè)計(jì)軟件及設(shè)計(jì)芯片的選擇

開發(fā)工具采用 ALTERA 公司的 MAXplusⅡ10.0。MAXplusⅡ開發(fā)工具是美國 Altera 公司 自行設(shè)計(jì)的一種 EDA 軟件工具，它具有原理圖輸入和文本輸入(采用硬件描述語言)兩種輸入手段，配備有編輯、編譯、仿真、綜合、芯片編程等功能。

Altera 公司是世界上從事可編程邏輯芯片生產(chǎn)的幾家主要廠商之一，其 MAX3000A 系列 可編程邏輯芯片速度快，容量大，性價(jià)比高。我們選用的 EPM3256ATC144-10，擁有 256個宏單元，144 個管腳，可自定義使用的管腳達(dá) 116 個，4.5ns 的傳輸延時完全能滿足要求。

2. GPIB 控制器各個模塊的設(shè)計(jì) 我們可以把整個系統(tǒng)劃分為幾個子系統(tǒng)。其中包括和微處理器接口的讀寫電路，與 GPIB母線通信的接口功能，以及內(nèi)部寄存器。對每個子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也可以采用向下分解為模塊級

設(shè)計(jì)，這樣在調(diào)試和組件系統(tǒng)時，不僅具有很強(qiáng)的靈活性，而且方便代碼的調(diào)試以及利于代 碼的重利用。與微處理器接口的讀寫電路設(shè)計(jì)可以利用組合邏輯電路設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)，其基本 模塊，如：譯碼電路，讀寫電路，相對比較成熟，在設(shè)計(jì)的時候只要對其基本功能深刻理解的基礎(chǔ)上容易實(shí)現(xiàn)。與 GPIB 母線通信的子系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本課題設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，它不僅 需要對 IEEE488 協(xié)議有深刻的認(rèn)識，而且在接口功能子集的選擇上也有一定的要求。

2.1 微處理器（MCU）接口電路 微處理器（MCU）接口包括提供正確的寄存器訪問地址的譯碼電路，以及連同 WE 和DBIN 一起構(gòu)成的訪問 GPIB 控制器的讀寫電路，NCS 用來選通地址譯碼。地址譯碼電路以 及數(shù)據(jù)讀寫電路在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中是最為成熟的電路，在此不作更多深入的闡述。值得注意

的是 GPIB 控制器的讀寫信號并不是通常意義上的 RD 和 WR 信號，而是由 DBIN 和 WE 信 號完成。而且，對 13 個寄存器的譯碼也用的僅僅是 RS[0:2]，這就需要和 DBIN 信號的配合來完成譯碼功能。

2.2 內(nèi)部寄存器

GPIB 控制器（參考 NAT9914）的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)有 13 個寄存器，其中 7 個可寫寄存器，6 個只讀寄存器。它們都是八位的，其中可讀寄存器有中斷狀態(tài)寄存器 0（ISR0）、中斷狀態(tài) 寄存器 1（ISR1）、地址狀態(tài)寄存器（ASR）、總線狀態(tài)寄存器（BSR）、命令通過寄存器（CPR）、 數(shù)據(jù)輸入寄存器（DIR）；可寫寄存器有中斷屏蔽寄存器 0（IMR0）、中斷屏蔽寄存器 1（IMR1）、地址寄存器（ADR）、輔助命令寄存器（AUXCR）、串行查詢寄存器（SPR）、并行查找寄存器（PPR）、數(shù)據(jù)輸出寄存器（CDOR）。在 GPIB 控制芯片的設(shè)計(jì)中對這十三個寄存器進(jìn)行 詳細(xì)的描述。本模塊的設(shè)計(jì)采用圖形方式，利用參數(shù)化模塊庫實(shí)現(xiàn)各個寄存器。

2.3 接口功能

GPIB 標(biāo)準(zhǔn)接口共定義了 10 種接口功能。每一個接口功能由一組或多組相互聯(lián)系而又相 互排斥的狀態(tài)來定義。在一個時刻，一組互聯(lián)又互斥的狀態(tài)中必須有一個而且也僅又一個狀態(tài)在起作用。在 IEEE488 協(xié)議中對接口功能的每一個狀態(tài)還做了兩方面的規(guī)定：

1．當(dāng)某個狀態(tài)在起作用時，在接口上可以或必須發(fā)送的消息；

2．在什么條件下接口功能必須脫離某一狀態(tài)而進(jìn)入同一組狀態(tài)的另一個狀態(tài)； 這些因素決定了狀態(tài)的處理能力。接口功能狀態(tài)圖給出了全部狀態(tài)以及從一個狀態(tài)變遷到另一個狀態(tài)一切可能的途徑。由于篇幅的限制，下面以受方掛鉤接口功能 AH 功能為例， 來介紹功能模塊的實(shí)現(xiàn)過程及原理。受方掛鉤功能賦予器件保證正確地接收遠(yuǎn)地多線消息地能力。一個源方掛鉤功能與一個或多個受方掛鉤功能（分別含于各個器件中）的鏈鎖掛鉤序

列保證每個消息拜特的異步傳遞。受方掛鉤功能可以延遲多線消息傳遞的開始或結(jié)束，直到 器件準(zhǔn)備好繼續(xù)參與傳遞過程為止。狀態(tài)圖如圖 1：