基于PLD的嵌入式系統外存模塊設計
在嵌入式系統中，由于設計成本和體積等因素的限制，往往會使CPU(包括DSP、單片機等)存在地址空間不足的問題。很多文獻(如參考文獻［1］都有相關的存儲器擴展方法的介紹， 目前已有的方法通常是借助于CPU的I／0接口
產生片選或者高位地址信號，利用這些信號將內存分頁，但當頁間跳轉時將給程序設計帶來不便。對于沒有內部存儲器并且采用統一編址的CPU，如80C196KC20［1］，這種頁間切換將造成CPU無法繼續執行當前程序而產生錯誤(見圖1)。在CPU執行頁面切換操作后，本應該繼續執行頁面1的指令，可是卻錯誤地執行了頁面2中的相應指令，這種結果不是所需要的。因此尋找一個有效的存儲器擴展方法是實際應用中亟待解決的問題。
1 存儲器擴展方法解決方案
在對MCS-96系列單片機的使用中發現，64K字節的存儲空間用來存放程序能滿足絕大多數的使用需求(通常用戶的應用程序不到10K字節)，但如果使用其進行數據存儲控制，則會帶來存儲空間上的嚴重不足。通過對實際應用的統計分析發現，在很多情況下，數據的
存取僅限于順序的連續操作。利用這個特點，可以對數據存儲空間進行簡化設計，具體的說就是通過對同一個地址連續讀或者連續寫來進行批量數據的存取，從而節省地址空間。在16位CPU中，可以將任何一段64K字(2的16次方)的存儲空間映射到兩個地址(一個作為讀取的位置，一個作為寫入的位置)，采用這樣的映射方法可以將內存最大擴展到2G字(2的31次方)，但這樣的設計同時也帶來了諸多邏輯控制上的困難。隨著可編程邏輯器件(PLD)包括FPGA、EPLDE4［4］、CPLD等的迅速發展，數字邏輯電路的設計得到了大大簡化，從而使這種存儲器擴展想法可以得到實現。
2 存儲器擴展方法的具體實現
下面以筆者設計的系統為例來詳細說明這種存儲器擴展方法的實現。該系統是一個多功能數據采集設備，能夠以最高40k次／s的速率進行12位A／D轉換，并且可以將采集到的數據保存至Flash ROM中，以防止掉電丟失。技術參數要求如下：①最多可以保存32K字節的采樣數據；②可以同時存儲4段系統工作配置程序，每段4K字節，共計16K字節；③由于Flash ROM自身的特點，在寫人數據后的編程階段不能進行讀寫操作，因此為了保證系統采樣和單片機運行的正常進行，需要額外增加32K字節的RAM作為數據緩存；④系統程序、中斷服務程序等共占用56K字節(Flash ROM和RAM各保留28K字節)，總計需要存儲空間136K字節。這個需求已經超過96系列單片機的64K字節尋址范圍，為此設計了一個存儲器模塊，其結構如圖2所示。
圖2
Flash ROM采用ATMEL公司的AT29C1024，容量為128K字節，數據線寬度為16位；RAM存儲器由兩片CY7C199組成，數據線寬度為16位，容量為64K字節。80C196單片機的ALE為地址鎖存信號，／WE為寫有效信號，／RD為讀有效信號，READY為準備就緒信號。MCS-96系列單片機支持8位和16位兩種工作模式，為了提高系統的性能，選擇16位工作模式。96系列單片機地址是按照字節的方式來計算的，因此在16位工作模式下的A0=0沒有實際意義。在通常的讀寫情況下，取經過鎖存后的AD1～AD15地址作為A1~A15而A16=0。
下面以讀Flash ROM為例介紹地址擴展方法。對于可以直接尋址的地址，EPLD作為鎖存器，將AD0~AD15分時的地址數據總線分開，生成獨立的地址和數據總線。在這里定義了兩個特殊的地址：Flash ROM數據塊的讀地址Address_F_R和讀位置指針地址Address_F_RP。首先向Ad-dress_F_RP寫入一個16位的二進制數，該數代表了將要讀取的數據塊的首地址，16位表示范圍是0～65535，因此可以指定的首地址范圍是64K字即128K字節；然后連續地從Address_F_R進行讀取操作，每讀一次，位置指針會自動加1而不需要重新設置。如果需要讀取新的位置，只需要向Address_F_RP地址寫入新的位置數據即可。該功能在EPLD器件內部的實現方法見圖3。計數器可同步設置初值、同步計數，在AHDL語言中聲明為1pm_counter［5］。其中，CNT_EN為計數使能控制，當CNT_EN為高電平時，每當CLOCK上升沿到來時計數器便會自動加一，從而實現了地址自動增加的功能；CLOCK為同步時鐘輸入端，上升沿有效；SLOAD為計數器同步設置初值信號，當該信號為高電平時，在CLOCK上升沿的作用下，計數器的輸出Q［15．．0]=D［15．．0]，從而實現初始化讀取位置的功能。計數器用AHDL語言描述如下：
counter ： lPm_counter with(1pm_width=16)；
counter.clock=／rd&(／we#(a[15．．0]!=Address_F_RP)；
counter.sload=(a[15．．0］==Address_F_RP)；
counter.cnt_en=(a[15．．0］=Address_F_R)；
counter．data[15．．0]=D[15．．0]；
clock信號要保證在寫Address_F_RP地址修改讀取位置時，或讀Address_F_R地址取數據時都能產生上升沿信號。總線a0-a15和D0~D15分別是由AD0-AD15分離出來的地址和數據總線。多路選擇器則根據地址譯碼產生的S0-S3選擇輸出地址，輸出地址直接連接到RAM和Flash ROM的地址線上。如果訪問除Address_F_RP和Address_F_RP以外的地址，則地址輸出總線A115．．1)=a［15．．1］、A16=0，即單片機直接訪問存儲器；如果讀取Address_F_R，則片選／CS2有效并且A[16..1)Q(15．．0]作為輸出地址。這樣就可以自動地在不同存儲區域進行切換，從而大大地增加了內存的擴充能力，并且簡化了程序設計。運用同樣的方法還可以定義FlashROM中的數據塊寫入地址Address_F_W和寫位置指針地址Address_F_WP，RAM中也有類似的方法定義Address_R_(RAM數據塊讀地址)、Address_R_RP(RAM數據塊的讀位置指針地址)、Address_R_W(RAM數據塊寫地址)和Address_R_WP(RAM數據塊的寫位置指針地址)。這樣可以方便地對內存的擴展部分進行讀寫。下面以MCS-96的匯編語言為例來說明程序中是如何操作的。比如需要從IOPORT0口連續采集數據，然后存放到RAM中指定的數據塊等待處理，則可以寫出如下程序：
LD 40H，地址值；地址值為即將寫入的目的地址，16位按字編址。
ST 40H，Address_R_WP；設置寫位置指針
REPEAT：
LDB 40H，IOPORT0
LDB 41H，IOPORTO；40H和41H為內部寄存器，因為按字存儲所以連續讀兩次
ST 40H，Address_R_W ；寫入指定位置條件判斷退出循環
JMP REPEAT
從上面這個簡單的例子可以看出，這種存儲器組織方法大大簡化了編程的的復雜性，并且可以采用對位置指針賦初值的方法來實現對擴展存儲器中任何一個位置的讀寫操作。
3 地址分配
有了上面的存儲器擴展方法，再結合系統的技術參數和單片機的特點，就可以做出一套合理的內存地址分配方案。下面給出單片機的地址劃分情況：
0000H~01FFH 系統寄存器區，保留0200H~1EFFH用戶區，直接映射到Flash ROM中的
0200H~1EFFH 可以用來存放數據、程序等，該區域可以由單片機直接進行尋址。
1FOOH~1FFFH 用戶區，實際使用中把Address—1lR、Address_F_WP等地址以及一些特殊設備如A／D轉換器、LCD顯示屏等的訪問地址設置在這個區域。
2000H~207FH 該區域是中斷向量區、芯片配置字節區、保留字區等，直接映射到Flash ROM中的2000H-207FH。
2080H～8FFFH 用戶區，單片機啟動也是從 2080H 處開始執行程序的，因此把這個地址范圍直接映射到 Flash ROM 的2080H～8FFFH,該區域設置系統的引導、初始化等程序。
9000H～FFFFH 用戶區，將這一段映射到 RAM 的9000H～FFFFH，作為系統程序的運行區域。
上面的分配方案可以通過對地址總線進行譯碼生成相應的片選信號／CSl和／CS2來實現。這樣分配后，Flash ROM 和 RAM 的使用情況如圖4所示。
圖4中白色區域是單片機通過總線直接尋址的區域，可以由單片機直接進行訪問。灰色區域為內存的擴展區域，不能被單片機直接訪問，但可以通過前面介紹的方法由EPLD生成地址進行讀寫操作。下面簡要介紹一下各個區域在實際中的用途：Flash ROM中的0000H~1FFH和1F00H～1FFFH因為容量很小，沒有被利用。系統啟動后從Flash ROM的2080H處開始執行程序，將2000H~8FFFH的內容復制到RAM中的9000H~FFFFH，然后跳轉到RAM中執行系統程序。由于Hash ROM的速度慢，需要在讀寫過程中插入一定量的等待周期，因此將程序復制到RAM中執行可以提高系統的性能；同時系統在對Flash ROM進行寫入操作后，編程階段的10ms內不能對其進行讀取，因此RAM在這個時候也提供了程序運行的位置。這樣分配后，程序的長度被限制在28K字節，實際中這個數量完全可以滿足系統的需求。Hash ROM中的9000~FFFFH共28K字節，用來保存4段系統運行配置程序，每段長度可達7K字節；10000H-
產生片選或者高位地址信號，利用這些信號將內存分頁，但當頁間跳轉時將給程序設計帶來不便。對于沒有內部存儲器并且采用統一編址的CPU，如80C196KC20［1］，這種頁間切換將造成CPU無法繼續執行當前程序而產生錯誤(見圖1)。在CPU執行頁面切換操作后，本應該繼續執行頁面1的指令，可是卻錯誤地執行了頁面2中的相應指令，這種結果不是所需要的。因此尋找一個有效的存儲器擴展方法是實際應用中亟待解決的問題。
1 存儲器擴展方法解決方案
在對MCS-96系列單片機的使用中發現，64K字節的存儲空間用來存放程序能滿足絕大多數的使用需求(通常用戶的應用程序不到10K字節)，但如果使用其進行數據存儲控制，則會帶來存儲空間上的嚴重不足。通過對實際應用的統計分析發現，在很多情況下，數據的
存取僅限于順序的連續操作。利用這個特點，可以對數據存儲空間進行簡化設計，具體的說就是通過對同一個地址連續讀或者連續寫來進行批量數據的存取，從而節省地址空間。在16位CPU中，可以將任何一段64K字(2的16次方)的存儲空間映射到兩個地址(一個作為讀取的位置，一個作為寫入的位置)，采用這樣的映射方法可以將內存最大擴展到2G字(2的31次方)，但這樣的設計同時也帶來了諸多邏輯控制上的困難。隨著可編程邏輯器件(PLD)包括FPGA、EPLDE4［4］、CPLD等的迅速發展，數字邏輯電路的設計得到了大大簡化，從而使這種存儲器擴展想法可以得到實現。
2 存儲器擴展方法的具體實現
下面以筆者設計的系統為例來詳細說明這種存儲器擴展方法的實現。該系統是一個多功能數據采集設備，能夠以最高40k次／s的速率進行12位A／D轉換，并且可以將采集到的數據保存至Flash ROM中，以防止掉電丟失。技術參數要求如下：①最多可以保存32K字節的采樣數據；②可以同時存儲4段系統工作配置程序，每段4K字節，共計16K字節；③由于Flash ROM自身的特點，在寫人數據后的編程階段不能進行讀寫操作，因此為了保證系統采樣和單片機運行的正常進行，需要額外增加32K字節的RAM作為數據緩存；④系統程序、中斷服務程序等共占用56K字節(Flash ROM和RAM各保留28K字節)，總計需要存儲空間136K字節。這個需求已經超過96系列單片機的64K字節尋址范圍，為此設計了一個存儲器模塊，其結構如圖2所示。
圖2
Flash ROM采用ATMEL公司的AT29C1024，容量為128K字節，數據線寬度為16位；RAM存儲器由兩片CY7C199組成，數據線寬度為16位，容量為64K字節。80C196單片機的ALE為地址鎖存信號，／WE為寫有效信號，／RD為讀有效信號，READY為準備就緒信號。MCS-96系列單片機支持8位和16位兩種工作模式，為了提高系統的性能，選擇16位工作模式。96系列單片機地址是按照字節的方式來計算的，因此在16位工作模式下的A0=0沒有實際意義。在通常的讀寫情況下，取經過鎖存后的AD1～AD15地址作為A1~A15而A16=0。
下面以讀Flash ROM為例介紹地址擴展方法。對于可以直接尋址的地址，EPLD作為鎖存器，將AD0~AD15分時的地址數據總線分開，生成獨立的地址和數據總線。在這里定義了兩個特殊的地址：Flash ROM數據塊的讀地址Address_F_R和讀位置指針地址Address_F_RP。首先向Ad-dress_F_RP寫入一個16位的二進制數，該數代表了將要讀取的數據塊的首地址，16位表示范圍是0～65535，因此可以指定的首地址范圍是64K字即128K字節；然后連續地從Address_F_R進行讀取操作，每讀一次，位置指針會自動加1而不需要重新設置。如果需要讀取新的位置，只需要向Address_F_RP地址寫入新的位置數據即可。該功能在EPLD器件內部的實現方法見圖3。計數器可同步設置初值、同步計數，在AHDL語言中聲明為1pm_counter［5］。其中，CNT_EN為計數使能控制，當CNT_EN為高電平時，每當CLOCK上升沿到來時計數器便會自動加一，從而實現了地址自動增加的功能；CLOCK為同步時鐘輸入端，上升沿有效；SLOAD為計數器同步設置初值信號，當該信號為高電平時，在CLOCK上升沿的作用下，計數器的輸出Q［15．．0]=D［15．．0]，從而實現初始化讀取位置的功能。計數器用AHDL語言描述如下：
counter ： lPm_counter with(1pm_width=16)；
counter.clock=／rd&(／we#(a[15．．0]!=Address_F_RP)；
counter.sload=(a[15．．0］==Address_F_RP)；
counter.cnt_en=(a[15．．0］=Address_F_R)；
counter．data[15．．0]=D[15．．0]；
clock信號要保證在寫Address_F_RP地址修改讀取位置時，或讀Address_F_R地址取數據時都能產生上升沿信號。總線a0-a15和D0~D15分別是由AD0-AD15分離出來的地址和數據總線。多路選擇器則根據地址譯碼產生的S0-S3選擇輸出地址，輸出地址直接連接到RAM和Flash ROM的地址線上。如果訪問除Address_F_RP和Address_F_RP以外的地址，則地址輸出總線A115．．1)=a［15．．1］、A16=0，即單片機直接訪問存儲器；如果讀取Address_F_R，則片選／CS2有效并且A[16..1)Q(15．．0]作為輸出地址。這樣就可以自動地在不同存儲區域進行切換，從而大大地增加了內存的擴充能力，并且簡化了程序設計。運用同樣的方法還可以定義FlashROM中的數據塊寫入地址Address_F_W和寫位置指針地址Address_F_WP，RAM中也有類似的方法定義Address_R_(RAM數據塊讀地址)、Address_R_RP(RAM數據塊的讀位置指針地址)、Address_R_W(RAM數據塊寫地址)和Address_R_WP(RAM數據塊的寫位置指針地址)。這樣可以方便地對內存的擴展部分進行讀寫。下面以MCS-96的匯編語言為例來說明程序中是如何操作的。比如需要從IOPORT0口連續采集數據，然后存放到RAM中指定的數據塊等待處理，則可以寫出如下程序：
LD 40H，地址值；地址值為即將寫入的目的地址，16位按字編址。
ST 40H，Address_R_WP；設置寫位置指針
REPEAT：
LDB 40H，IOPORT0
LDB 41H，IOPORTO；40H和41H為內部寄存器，因為按字存儲所以連續讀兩次
ST 40H，Address_R_W ；寫入指定位置條件判斷退出循環
JMP REPEAT
從上面這個簡單的例子可以看出，這種存儲器組織方法大大簡化了編程的的復雜性，并且可以采用對位置指針賦初值的方法來實現對擴展存儲器中任何一個位置的讀寫操作。
3 地址分配
有了上面的存儲器擴展方法，再結合系統的技術參數和單片機的特點，就可以做出一套合理的內存地址分配方案。下面給出單片機的地址劃分情況：
0000H~01FFH 系統寄存器區，保留0200H~1EFFH用戶區，直接映射到Flash ROM中的
0200H~1EFFH 可以用來存放數據、程序等，該區域可以由單片機直接進行尋址。
1FOOH~1FFFH 用戶區，實際使用中把Address—1lR、Address_F_WP等地址以及一些特殊設備如A／D轉換器、LCD顯示屏等的訪問地址設置在這個區域。
2000H~207FH 該區域是中斷向量區、芯片配置字節區、保留字區等，直接映射到Flash ROM中的2000H-207FH。
2080H～8FFFH 用戶區，單片機啟動也是從 2080H 處開始執行程序的，因此把這個地址范圍直接映射到 Flash ROM 的2080H～8FFFH,該區域設置系統的引導、初始化等程序。
9000H～FFFFH 用戶區，將這一段映射到 RAM 的9000H～FFFFH，作為系統程序的運行區域。
上面的分配方案可以通過對地址總線進行譯碼生成相應的片選信號／CSl和／CS2來實現。這樣分配后，Flash ROM 和 RAM 的使用情況如圖4所示。
圖4中白色區域是單片機通過總線直接尋址的區域，可以由單片機直接進行訪問。灰色區域為內存的擴展區域，不能被單片機直接訪問，但可以通過前面介紹的方法由EPLD生成地址進行讀寫操作。下面簡要介紹一下各個區域在實際中的用途：Flash ROM中的0000H~1FFH和1F00H～1FFFH因為容量很小，沒有被利用。系統啟動后從Flash ROM的2080H處開始執行程序，將2000H~8FFFH的內容復制到RAM中的9000H~FFFFH，然后跳轉到RAM中執行系統程序。由于Hash ROM的速度慢，需要在讀寫過程中插入一定量的等待周期，因此將程序復制到RAM中執行可以提高系統的性能；同時系統在對Flash ROM進行寫入操作后，編程階段的10ms內不能對其進行讀取，因此RAM在這個時候也提供了程序運行的位置。這樣分配后，程序的長度被限制在28K字節，實際中這個數量完全可以滿足系統的需求。Hash ROM中的9000~FFFFH共28K字節，用來保存4段系統運行配置程序，每段長度可達7K字節；10000H-
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