构建网络使陈旧的电脑外设重焕生机

摘要：通过互联网可以使陈旧的计算机设备重焕生机。本篇应用笔记阐述了如何采用TINI®，并通过网络使只有一个并行端口的旧式点阵打印机重新发挥作用。采用相同的协议转换技术，可将许多设备连接至互联网。

引言

妻子将只有两个破洞的袜子以及略沾草迹的衬衫都扔掉了，这没什么。但当她将目标转向那台旧式点阵打印机时，我表示了抗议。她不屑地说：“这东西很久没用了，而且也不能连接到任何电脑上。”就像科学怪人一样，我不能容忍任何丢弃旧计算机设备的念头。目的非常明确：使打印机变废为宝，或者干脆将其丢弃。我决定通过网络使其重新焕发生机，幸运地是用一个TINI (微型网络接口)可完成这项工作。

连接网络

TINI是Maxim提供的嵌入式网络平台，它是基于该公司的DS80C390、DS80C400、DS80C410和DS80C411微控制器而构建的。这些器件都是增强型8051控制器，具有24位地址、硬件网络控制器、多个数据指针、专用硬件堆栈和高速工作模式等特性。

TINI平台支持TCP/IP网络栈(IPv4和IPv6)、存储器管理、进程调度以及诸如I²C、SPI和CAN等通信协议。通过常见的编程接口，可用8051汇编语言、C或Java对TINI进行编程。C runtime可提供一个Berkeley套接字(socket interface)，Java运行环境支持Java 1.1.8 API内核。

TINI具有丰富的IO、简单的网络接口以及多种编程方法，是一套功能强大的协议转换器。这正是挽救那台旧式打印机所需要的：TINI提供网络接口，我来决定如何让TINI与打印机通信。

硬件配置

系统的核心部分采用TINI评估(EV)板。该评估板基于DS80C400微控制器，包括1MB闪存、1MB RAM，以及用于RS-232和以太网通信的连接器。虽然其存储器配置与TINI Java运行环境兼容，但是仍可采用C和汇编语言进行编程。这给打印机接口原型设计和应用实现提供了多种选择。

所讨论的打印机型号为Epson LX-800。从碳定年检测和厚厚的灰尘来看，它是邻近真空管和呼拉圈年代的产物。LX-800是9针打印机，这里的9针是指打印头的针数，而不是驱动打印机的并行信号个数。实际上驱动打印机需要17个信号(不包括地)。PC打印机并行接口的常用信号及其在25芯打印机连接器中的排列如图1所示。


图1. 并行打印机接口的25芯信号定义

采用传统的25芯Centronics打印机电缆连接TINI与打印机，首先需要与图1所示的连接方式相匹配。然而，还存在一个问题：TINI板的IO不适合用作较宽的并行总线。仅有8个或9个通用IO (GPIO)信号，约为所需信号数的一半。这些GPIO信号分布于多个不同的寄存器中。由于需要对多个寄存器进行写操作来设置8个输出位，这种GPIO信号的限制使得对打印机的8位数据总线进行简单的写操作变得不太方便。幸好，TINI插座板为添加CPLD (复杂可编程逻辑器件)预留了焊盘和走线，可大大增强TINI的IO性能。一旦安装了CPLD后，只需要一个用于编程CPLD的插头(通过JTAG接口)和一个能访问某些TINI引脚的插头。

CPLD配置

CPLD可被看作是可编程硬件。CPLD具有非常灵活的内部架构，能实现许多逻辑功能和状态机。TINI插座板为100引脚VQFP封装的XILINX® CoolRunner®-II XC2C64 CPLD预留了空间；也支持封装和引脚配置相同的其它CoolRunner-II。本项目采用具有相同引脚配置的大容量器件XC2C128。

CPLD通过DS80C400微控制器的外部存储器总线连接至TINI系统。微控制器仅需读/写特定地址就能访问CPLD:

  read_from_cpld:
       mov  dptr, #0C00000h       ; CPLD address
       movx a, @dptr              ; read from the device

CPLD的任务较复杂。一方面，CPLD需要正确响应TINI的外部存储器总线信号：当TINI写CPLD时，CPLD必须读取总线数值；当TINI读CPLD时，CPLD必须提供总线数值。另一方面，对于打印机，CPLD需要读取指示打印机工作情况的状态信号(如BSY)，并提供输出信号(如8位数据总线和写选通STR)以控制打印机。图2所示为CPLD需要实现的功能框图。


图2. CPLD自身IO引脚和微控制器地址总线之间必须具有一个接口。

CPLD内有四个8位寄存器，对应CPLD的32个I/O引脚。寄存器位设为0时，对应输出引脚被驱动为低电平；寄存器位设为1时，输出引脚悬空。因此，CPLD通过I/O引脚读数据时，应将对应寄存器位设为1，这样就不会将该引脚驱动至任何数值。

图2中的所有输入信号都来自于TINI的外部存储器总线。当TINI写CPLD时，数据总线上是TINI将要写入的8位数值。当TINI进行读操作时，CPLD根据检测到的输入值来驱动数据总线。然而，由于其它器件可能共享总线，因此，CPLD不能在每次TINI请求读操作(即每次nPSEN信号有效)时，都去驱动数据总线。如果CPLD总是响应读操作，则TINI会读取错误的指令或数据，并产生无法预料的系统操作(即“产生错误”)。同样，并非所有写操作都是针对CPLD的，因此，CPLD也不能总是响应TINI的每一次写操作(即每次nWr信号有效)。因此，图2中的读、写信号是否有效都是由地址线决定的。

只要地址线AH0和AH1 (TINI的第16、17条地址线)为0，并且所选的芯片使能有效(本例中使用芯片使能6)，则CPLD被激活。由于TINI的每个芯片使能对应2MB空间，因此访问CPLD的基址为0xC00000 (2,097,152 × 6 = 12,582,912 = 0xC00000)。需要注意，本设计中TINI和CPLD接口时，TINI的大多数地址线并未指定。例如，TINI的地址线A2至A15为任意值时，仍可激活CPLD。然而为了方便起见，源代码始终采用地址0xC00000至0xC00003访问四个8位寄存器。

用HDL (硬件描述语言)编写CPLD程序。这里采用Xilinx WebPACK™开发，用Verilog™硬件描述语言编写，模块定义如图2所示，包括独立的8位寄存器模块、多路复用器以及译码器。在顶层模块中实现模块和地址译码。

CPLD安装并编程完毕后，在与打印机连接之前，我还想检查确认具体用到了哪些信号。于是搭建了一个小型电路板，将4组LED与4个逻辑寄存器(IO7:0、IO15:8、IO23:16和IO31:24)相连，如图3所示。用C编写了一个小程序，使4组LED的数值增加，中间插入暂停，以便通过视觉验证程序的操作过程。确信CPLD编程及连接正确后，可接入打印机。图3所示为TINI板与25芯打印机连接器之间的飞线连接。


图3. TINIs400插座板与Epson打印机连接

与打印机通信

最终目标是：无需任何专门驱动或客户应用程序，就能使打印机正常工作。简单地说，就是尝试用内置打印驱动并通过Windows®打印对话框，使旧式打印机发挥作用。本应用的最后测试步骤是打印MS Word文档；如果出现问题，Word会透露一些信息。尽管打印出MS Word文档是最终目标，仍希望用更简洁的方案来实现这一目标。

第一步，先尝试简单的应用，在不联网的情况下向打印机发送一些ASCII字符。这种方法只能起到调试作用。从理论上讲，只要发送的不是指令编码和其它非ASCII字符，打印机会将每个字符直接打印出来。希望这个项目能像所有好的工程项目一样，能够流畅快速地打印，从而能尽快确定网络接口。实际上我完全错了。

利用Keil Software® µVision® 2工具套件，并采用C语言编写了第一个打印机应用程序。根据Indispensable PC Hardware Book的说明，似乎需要对打印机进行初始化，并开始写字符¹。写字符的算法比较简单：

1. 等待BSY变为无效。
2. 设置数据总线上的输出值。
3. 设置写选通STR为有效。
4. 等待ACK信号，确认已收到数据。
5. 设置写选通STR为无效。
6. 可根据需要进行清除或重复操作。

进行第一步测试时，在算法中设置了许多延迟，这样一来，若有一个状态信号发生错误时(极性错误，引脚错误等等)，应该可以看到一些写操作的信息。因此，第一个程序1秒钟大约写一个字符。本设计中仅写一个递增计数器，即：

012345678901234567890123456789...

将程序下载至TINI上并运行。我立刻知道打印机初始化程序已正常工作了，因为在关机并再次开机时，能听到打印头移动的声音。然而，几秒钟后没打印出任何东西。将程序复位，仔细检查连接是否正确。遗憾的是，没有留出时间监视打印机的状态信号。一切都很正常，于是重新到计算机硬件指南中寻找答案。经过一番研读，辨别出某些信号的极性出现了混淆。例如，就传统的PC接口而言，当BSY为0时该信号有效，然而从硬件方面来说它实际上为高电平有效。反复修改C程序，并改变不同信号的极性，但打印机初始化后仍不能工作。又检查了一遍程序，使逻辑电平与我想象的打印机信号电平相匹配。修改程序并运行后，打印机依然没有反应。

离开片刻，听到点阵打印机打印完一行文本时发出的刺耳声音。近前一看，已打印出一行漂亮的字符，但随后打印机又不动了。一个原理突然浮现在脑海中：无论是否达到80个字符的极限或是否将行结束序列插入数据流，打印机都是直到行末才进行缓冲。几次打印操作的工作过程证明了这一原理。现在可以打印几行文本了。

实现LPD监控程序

第二天，决定将网络与打印机接口连接。简单说，就是创建一个用户应用程序，直接从网络上接收数据，并输出给打印机。这种方法存在的问题是：若要打印机与MS Word一起工作，还需要编写一个Windows打印机驱动程序，这一步工作可以实现，但这并不是我的乐趣所在。编写驱动程序这一做法老早就有，用不着再多此一举，我开始考虑其它选择，希望不用了解打印机驱动的全部细节就可实现目标。

理想设计应该是一个虚拟并行端口。也就是说，虚拟并行端口提供与标准并行端口一样的接口，但就驱动而言，实际上是通过网络向TINI发送和接收数据。类似于这样的虚拟端口和协议转换器是TINI的一般应用，按照这一设计思想，我曾有过一些实现虚拟串行端口的经验。似乎很多应用都是直接写PC的并行寄存器，因此很难确定如何实现这种设计思想。下一步就是查看现有协议。根据同事建议，查阅了RFC 1179，行式打印机监控程序LPD)协议²。

LPD正好可以满足需要。UNIX通常都支持这种网络协议，但经过简单的配置后也可在Windows中使用该协议。安装驱动时，通知Windows安装与计算机相连的新本地打印机，而不是通知它使用哪一个现有端口，这样就创建了一个新的LPR端口。这里可以定义运行LPD服务器的机器名称(本例中为TINI的IP地址)，并提供打印队列的名称。(这里只有一个名为‘crusty’的打印队列，我想这个名字非常适合我的打印机。) 最后，告诉Windows打印机型号(笔者的打印机为Epson LX-800)。

这一设置具有一个好处，Windows打印机驱动能自动处理所有数据的格式，以采用打印机的原始语句(Epson ESC/P)进行打印。这样就不必了解ESC/P语言，也不必解析PC传送给TINI的任何数据。此外，非常容易实现基本的LPD服务器；调用少量Java本地方法实现对存储器映射CPLD的访问。最后的实际代码约有400行，准备用于TINI的Java类文件仅有4kB。需要注意的是，我并没有实现整个LPD协议，只是实现了每次打印一个文件所需的部分协议。

实施打印

最后再做3件事即可宣告设计圆满完成：打印Notepad文件，打印MS Word文件，如果意犹未尽，还可以打印小的GIF或JPG文件。在对LPD服务器进行一些调试之后，顺利地打印出了Notepad文件。比较奇怪的是，打印2行文本约向TINI发送了5,000个字节。其实这是因为Windows驱动将整个文件转换为ESC/P指令，从而发送一个位图图像，而不是简单地发送ASCII字符。打印完Notepad文档后，转而打印MS Word文档。

打印MS Word文档时出现了一点小问题。为使测试文件变得更有趣，每隔两、三个字就变换不同的字体，这样便有机会看到一些以前从未见过的字体。打印时，出现了许多无用的字符图形：打印机会跳过几行，随即打印出一些奇怪的ASCII图形字符(0x80至0xFF范围内的一些字符)，并不断发出嘟嘟声。最后，终于打印出一些正确的文字，但随后又是一堆乱码。经过多轮调试，并跟踪发送至TINI的ESC/P指令，决定试着为转义字符增加延迟。这样就能正确地运行打印程序，但是非常慢。经过多次试验后，发现只需在打印时碰到行结束字符时增加延迟即可。这种情况很少出现，因此实际打印时感觉不到延迟。

由于打印MS Word文档时碰到了一定的困难，因此一度断定打印GIF文件几乎是不可能的，但事实并非如此。打印时仅碰到一个问题：GIF文件转换为ESC/P指令后尺寸大于64k，而64k正是所用TINI版本支持的最大动态缓冲区大小。然而，TINI支持无此限制的文件系统，因此可以将接收的数据存储在文件中，而不是存储在动态存储器缓冲区中。一旦改用上述方法，就可以顺利地打印图形文件了，并且仅受TINI中RAM大小的限制。

挽救其它(过时)设备

本文介绍的方法使旧的点阵式打印机获得了新生。其中TINI起到了关键作用。其易于编程的堆栈为通过网络重新启用老旧设备提供了极好的选择。TINI的好处并不局限于将并行接口设备连接至网络；它还支持CAN、SPI、I²C、RS-232、1-Wire及许多其它通信总线，因此TINI是实现各种陈旧设备桥接网络的绝佳选择。软件支持DHCP、HTTP、FTP、Telnet、DNS等网络协议，提供多种访问旧设备的方法(如webpage方式)。当需要更加方便地访问昂贵、陈旧的设备时，TINI是理想之选。(买台新型点阵式打印机目前需要花费约$400！)因此，不要丢弃旧物。TINI能派上大用场。