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随着电子设计技术的进步和芯片制造工艺水平的提高，16位和32位单片机的使用越来越广泛；但是8位单片机因其制造工艺成熟、价格低廉等特点，仍然在市场上占有相当大的比例，尤其在成本敏感和可靠性要求极高的汽车电子领域，更占有绝对优势。带有外部总线的8位单片机，可以方便地与8位总线设备（如A/D、RAM和CAN总线）相连。随着对传输性能要求的提高，出现了大量的16位总线设备（如网络接口芯片）。8位单片机要与16位总线设备相连接，通常的做法是利用I/O端口来模拟16位总线的读/写时序，数据传输速率较低，且原有的8位设备的传输速率也随之降低，因而限制了8位单片机的使用范围。本文提出一种8位单片机扩展16位外部总线的方法，在不影响原有8位器件的前提下，可实现对16位总线设备的高速存取；最后，介绍了如何利用该方法与IDE硬盘相连接，并应用于车载数据采集系统。
1 8位/16位总线时序分析
1.1 8位单片机总线时序
带有外部总线的8位单片机有很多，如51系列、AVR系列等，本文以W77E58为例。W77E58是Winbond公司推出的增强型51单片机，工作时钟最高为40 MHz。在同样的时钟频率下，W77E58指令速度是传统51单片机的3倍；另外，W77E58对程序存储器和数据存储器的寻址能力都为64 KB。图1中上半部分为读时序，下半部分为写时序。
图1 单片机W77E58的读/写时序 以读数据为例，P0、P2口输出当前地址，ALE的下降沿锁存低8位地址，高8位保持不变；而后，读信号RD使能（低电平），外部设备把数据送到P0口，在RD的上升沿把数据读入单片机。写数据与此类似，不过数据方向相反；同时为保证数据能够正确写入外部设备，单片机在写信号WR使能前把数据送到P0口，WR无效后须保持一定时间。从图1中可以看出，单片机用P0口存取8位数据，P2口仅用于地址输出。 1.2 IDE硬盘总线时序 下面以IDE硬盘为例来分析16位总线时序。图2是IDE硬盘的接口示意图[1]，只标出了与总线有关的信号线： DIOR/DIOW，读/写；DCS0/DCS1，片选；DD0～DD15，16位数据线；DA0～DA2，3位地址线。
图2 IDE硬盘接口 IDE硬盘是典型的16位总线设备。IDE接口有两个片选信号，DCS1用来寻址控制寄存器。默认状态下即可对IDE硬盘进行存取操作，故一般把该信号线直接连到高电平而只使用DCS0。其时序如图3所示。
图3 IDE硬盘读/写时序 读/写周期开始时DIOR和DIOW均处于无效状态，DA0～DA2连接到主机（在这里为单片机）的地址输出。在收到读请求（DIOR使能）后把数据送至数据线上，主机利用DIOR的上升沿锁存该数据；之后，硬盘控制器延时后释放数据线。在收到写请求时（DIOW使能），则让数据线处于三态（tristate），等待主机输出数据；最后在DIOW的上升沿把数据写入硬盘控制器，在DIOW上升沿之前，主机需把数据准备好。 对比图1和图3可知，总线时序基本一致，只是在数据线上传输的数据位数不同。但是，主机一条指令完成一个读/写周期，从外部设备到主机的16位数据在指令完成后不再有效；而从主机到外部设备的数据必须在指令完成前准备好。因而要把8位总线扩展成16位总线，必须要同时考虑读/写时数据的锁存问题。 2 16位总线扩展的实现 根据前面对总线时序的分析，采用如图4所示的方法对8位总线进行扩展，使其满足16位总线读/写。主要由以下两部分组成： 1片GAL16V8（U5），实现片选信号的译码和其他信号的编码；2片74HC573（U3、U4），实现高8位数据锁存。CS1～CS4是A9～A15的译码输出，可连接4个外部设备。地址范围根据具体设备来设定，假设CS2上连接有16位总线设备： CS1： 0000H～7FFFH；CS2： 8000H～83FFH；
CS3： 8400H～85FFH；CS4： 8600H～87FFH；
CS5： 8000H～81FFH，FC00H～FDFFH；
CS6： 8200H～83FFH，FE00H～FFFFH；
LE5 = !RD & !CS5，LE6 = !WR & !CS6； 这里“&”表示“与”，“!”表示“非”，即RD和CS5同时有效时，LE5有效; WR和CS6同时有效时，LE6有效。注意： CS5和CS6有一部分地址空间与CS2重合，即选通CS2的同时，也同时会选通CS5或CS6。另外，通过外部设备地址线的连接，使得8000H～81FFH和8200H～83FFH寻址同一个位置。以图2中的IDE硬盘为例：DA0>A0，DA1>A1，DA2>A2。
图4 具体实现原理 单片机写16位数据时，执行写操作使CS6有效（寻址FE00H～FFFFH），输出高8位数据并锁存到U4；然后执行写操作使CS2有效（寻址8200H～83FFH），P0口上的数据和U4锁存的数据同步输出，形成16位数据D0～D15，从而写入外部设备。 单片机读16位数据时，执行读操作使CS2有效（寻址8000H～81FFH），外部设备的低8位送至P0口，而高8位同时被U3锁存；然后执行读操作使CS5有效（寻址FC00H～FDFFH），U3锁存的数据被送至P0口。 在上面的读/写过程中，虽然对CS2的寻址位置不同（读为8000H～81FFH，写为8200H～83FFH），但由于位置重合，故可对16位外部设备正确读/写。另外，如果单片机寻址连接到CS1、CS3、CS4上的8位设备，则由于U3和U4没有选通，对其操作没有任何影响。 从上面的实现可以看出，扩展后的16位外部总线与外部设备进行数据交互时只增加一条指令。本方法与常规的端口模拟方法的比较结果如表1所列。从表中可以看出，采用本方法后，传输速率是常规方法的3倍。
表1 不同方法16位总线速度对比（fosc=33 MHz）
另外，上述扩展方法还可以进一步引申：① 若有未使用的I/O口（如W77E58的P1口），则可用来直接输出高8位数据，从而可以去掉图4中的U4；② 若对成本不太敏感，则可把图4中的逻辑器件用CPLD实现，从而使设计更为灵活，布线更为方便，结构更为紧凑，基本实现原理仍然如图4所示。 3 在车载数据采集系统中的应用 8位单片机扩展16位外部总线的方法已应用于车载数据采集系统，图5为该系统的原理框图。汽车厂商在开发新车型或者关键零部件升级时，必须经过样品试制、产品鉴定、小批试制和大批生产等必要阶段。在每个阶段中，都伴随着大量的可靠性试验，车载数据采集系统正是为这些试验而设计的。鉴于其特殊的使用条件，必须满足如下基本要求： 能够进行连续、长时间数据采集，时间有可能是几天或者一个月；因为有可能很多台车辆的试验同时进行，因而要求系统成本低且安全可靠；具有CAN总线数据采集接口。在图5中，8位单片机上挂有3个8位总线器件（USB Slave器件、RAM和CAN总线器件）和1个16
图1 单片机W77E58的读/写时序 以读数据为例，P0、P2口输出当前地址，ALE的下降沿锁存低8位地址，高8位保持不变；而后，读信号RD使能（低电平），外部设备把数据送到P0口，在RD的上升沿把数据读入单片机。写数据与此类似，不过数据方向相反；同时为保证数据能够正确写入外部设备，单片机在写信号WR使能前把数据送到P0口，WR无效后须保持一定时间。从图1中可以看出，单片机用P0口存取8位数据，P2口仅用于地址输出。 1.2 IDE硬盘总线时序 下面以IDE硬盘为例来分析16位总线时序。图2是IDE硬盘的接口示意图[1]，只标出了与总线有关的信号线： DIOR/DIOW，读/写；DCS0/DCS1，片选；DD0～DD15，16位数据线；DA0～DA2，3位地址线。
图2 IDE硬盘接口 IDE硬盘是典型的16位总线设备。IDE接口有两个片选信号，DCS1用来寻址控制寄存器。默认状态下即可对IDE硬盘进行存取操作，故一般把该信号线直接连到高电平而只使用DCS0。其时序如图3所示。
图3 IDE硬盘读/写时序 读/写周期开始时DIOR和DIOW均处于无效状态，DA0～DA2连接到主机（在这里为单片机）的地址输出。在收到读请求（DIOR使能）后把数据送至数据线上，主机利用DIOR的上升沿锁存该数据；之后，硬盘控制器延时后释放数据线。在收到写请求时（DIOW使能），则让数据线处于三态（tristate），等待主机输出数据；最后在DIOW的上升沿把数据写入硬盘控制器，在DIOW上升沿之前，主机需把数据准备好。 对比图1和图3可知，总线时序基本一致，只是在数据线上传输的数据位数不同。但是，主机一条指令完成一个读/写周期，从外部设备到主机的16位数据在指令完成后不再有效；而从主机到外部设备的数据必须在指令完成前准备好。因而要把8位总线扩展成16位总线，必须要同时考虑读/写时数据的锁存问题。 2 16位总线扩展的实现 根据前面对总线时序的分析，采用如图4所示的方法对8位总线进行扩展，使其满足16位总线读/写。主要由以下两部分组成： 1片GAL16V8（U5），实现片选信号的译码和其他信号的编码；2片74HC573（U3、U4），实现高8位数据锁存。CS1～CS4是A9～A15的译码输出，可连接4个外部设备。地址范围根据具体设备来设定，假设CS2上连接有16位总线设备： CS1： 0000H～7FFFH；CS2： 8000H～83FFH；
CS3： 8400H～85FFH；CS4： 8600H～87FFH；
CS5： 8000H～81FFH，FC00H～FDFFH；
CS6： 8200H～83FFH，FE00H～FFFFH；
LE5 = !RD & !CS5，LE6 = !WR & !CS6； 这里“&”表示“与”，“!”表示“非”，即RD和CS5同时有效时，LE5有效; WR和CS6同时有效时，LE6有效。注意： CS5和CS6有一部分地址空间与CS2重合，即选通CS2的同时，也同时会选通CS5或CS6。另外，通过外部设备地址线的连接，使得8000H～81FFH和8200H～83FFH寻址同一个位置。以图2中的IDE硬盘为例：DA0>A0，DA1>A1，DA2>A2。
图4 具体实现原理 单片机写16位数据时，执行写操作使CS6有效（寻址FE00H～FFFFH），输出高8位数据并锁存到U4；然后执行写操作使CS2有效（寻址8200H～83FFH），P0口上的数据和U4锁存的数据同步输出，形成16位数据D0～D15，从而写入外部设备。 单片机读16位数据时，执行读操作使CS2有效（寻址8000H～81FFH），外部设备的低8位送至P0口，而高8位同时被U3锁存；然后执行读操作使CS5有效（寻址FC00H～FDFFH），U3锁存的数据被送至P0口。 在上面的读/写过程中，虽然对CS2的寻址位置不同（读为8000H～81FFH，写为8200H～83FFH），但由于位置重合，故可对16位外部设备正确读/写。另外，如果单片机寻址连接到CS1、CS3、CS4上的8位设备，则由于U3和U4没有选通，对其操作没有任何影响。 从上面的实现可以看出，扩展后的16位外部总线与外部设备进行数据交互时只增加一条指令。本方法与常规的端口模拟方法的比较结果如表1所列。从表中可以看出，采用本方法后，传输速率是常规方法的3倍。
表1 不同方法16位总线速度对比（fosc=33 MHz）另外，上述扩展方法还可以进一步引申：① 若有未使用的I/O口（如W77E58的P1口），则可用来直接输出高8位数据，从而可以去掉图4中的U4；② 若对成本不太敏感，则可把图4中的逻辑器件用CPLD实现，从而使设计更为灵活，布线更为方便，结构更为紧凑，基本实现原理仍然如图4所示。 3 在车载数据采集系统中的应用 8位单片机扩展16位外部总线的方法已应用于车载数据采集系统，图5为该系统的原理框图。汽车厂商在开发新车型或者关键零部件升级时，必须经过样品试制、产品鉴定、小批试制和大批生产等必要阶段。在每个阶段中，都伴随着大量的可靠性试验，车载数据采集系统正是为这些试验而设计的。鉴于其特殊的使用条件，必须满足如下基本要求： 能够进行连续、长时间数据采集，时间有可能是几天或者一个月；因为有可能很多台车辆的试验同时进行，因而要求系统成本低且安全可靠；具有CAN总线数据采集接口。在图5中，8位单片机上挂有3个8位总线器件（USB Slave器件、RAM和CAN总线器件）和1个16