基于PLD的嵌入式系統(tǒng)外存模塊設(shè)計(jì)

摘要：以MCS-96系列單片機(jī)為例，介紹了一種采用可編程邏輯器件(PLD)的存儲(chǔ)器模塊的設(shè)計(jì)方案，該模塊包含了Flash閃存和RAM。提出了一種方便的存儲(chǔ)器擴(kuò)展方法，該方法有效地解決了嵌入式系統(tǒng)尤其是數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)等系統(tǒng)中存在的存儲(chǔ)空間不足問題。該方案具有通用性強(qiáng)、讀寫控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

在嵌入式系統(tǒng)中，由于設(shè)計(jì)成本和體積等因素的限制，往往會(huì)使CPU(包括DSP、單片機(jī)等)存在地址空間不足的問題。很多文獻(xiàn)(如參考文獻(xiàn)［1］都有相關(guān)的存儲(chǔ)器擴(kuò)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(chǎn)生片選或者高位地址信號(hào)，利用這些信號(hào)將內(nèi)存分頁(yè)，但當(dāng)頁(yè)間跳轉(zhuǎn)時(shí)將給程序設(shè)計(jì)帶來不便。對(duì)于沒有內(nèi)部存儲(chǔ)器并且采用統(tǒng)一編址的CPU，如80C196KC20［1］，這種頁(yè)間切換將造成CPU無法繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前程序而產(chǎn)生錯(cuò)誤(見圖1)。在CPU執(zhí)行頁(yè)面切換操作后，本應(yīng)該繼續(xù)執(zhí)行頁(yè)面1的指令，可是卻錯(cuò)誤地執(zhí)行了頁(yè)面2中的相應(yīng)指令，這種結(jié)果不是所需要的。因此尋找一個(gè)有效的存儲(chǔ)器擴(kuò)展方法是實(shí)際應(yīng)用中亟待解決的問題。

1 存儲(chǔ)器擴(kuò)展方法解決方案

在對(duì)MCS-96系列單片機(jī)的使用中發(fā)現(xiàn)，64K字節(jié)的存儲(chǔ)空間用來存放程序能滿足絕大多數(shù)的使用需求(通常用戶的應(yīng)用程序不到10K字節(jié))，但如果使用其進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制，則會(huì)帶來存儲(chǔ)空間上的嚴(yán)重不足。通過對(duì)實(shí)際應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在很多情況下，數(shù)據(jù)的

存取僅限于順序的連續(xù)操作。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，具體的說就是通過對(duì)同一個(gè)地址連續(xù)讀或者連續(xù)寫來進(jìn)行批量數(shù)據(jù)的存取，從而節(jié)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(chǔ)空間映射到兩個(gè)地址(一個(gè)作為讀取的位置，一個(gè)作為寫入的位置)，采用這樣的映射方法可以將內(nèi)存最大擴(kuò)展到2G字(2的31次方)，但這樣的設(shè)計(jì)同時(shí)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(fā)展，數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)得到了大大簡(jiǎn)化，從而使這種存儲(chǔ)器擴(kuò)展想法可以得到實(shí)現(xiàn)。

2 存儲(chǔ)器擴(kuò)展方法的具體實(shí)現(xiàn)

下面以筆者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為例來詳細(xì)說明這種存儲(chǔ)器擴(kuò)展方法的實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)是一個(gè)多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備，能夠以最高40k次／s的速率進(jìn)行12位A／D轉(zhuǎn)換，并且可以將采集到的數(shù)據(jù)保存至Flash ROM中，以防止掉電丟失。技術(shù)參數(shù)要求如下：①最多可以保存32K字節(jié)的采樣數(shù)據(jù)；②可以同時(shí)存儲(chǔ)4段系統(tǒng)工作配置程序，每段4K字節(jié)，共計(jì)16K字節(jié)；③由于Flash ROM自身的特點(diǎn)，在寫人數(shù)據(jù)后的編程階段不能進(jìn)行讀寫操作，因此為了保證系統(tǒng)采樣和單片機(jī)運(yùn)行的正常進(jìn)行，需要額外增加32K字節(jié)的RAM作為數(shù)據(jù)緩存；④系統(tǒng)程序、中斷服務(wù)程序等共占用56K字節(jié)(Flash ROM和RAM各保留28K字節(jié))，總計(jì)需要存儲(chǔ)空間136K字節(jié)。這個(gè)需求已經(jīng)超過96系列單片機(jī)的64K字節(jié)尋址范圍，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)存儲(chǔ)器模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2

Flash ROM采用ATMEL公司的AT29C1024，容量為128K字節(jié)，數(shù)據(jù)線寬度為16位；RAM存儲(chǔ)器由兩片CY7C199組成，數(shù)據(jù)線寬度為16位，容量為64K字節(jié)。80C196單片機(jī)的ALE為地址鎖存信號(hào)，／WE為寫有效信號(hào)，／RD為讀有效信號(hào)，READY為準(zhǔn)備就緒信號(hào)。MCS-96系列單片機(jī)支持8位和16位兩種工作模式，為了提高系統(tǒng)的性能，選擇16位工作模式。96系列單片機(jī)地址是按照字節(jié)的方式來計(jì)算的，因此在16位工作模式下的A0=0沒有實(shí)際意義。在通常的讀寫情況下，取經(jīng)過鎖存后的AD1～AD15地址作為A1~A15而A16=0。 clock信號(hào)要保證在寫Address_F_RP地址修改讀取位置時(shí)，或讀Address_F_R地址取數(shù)據(jù)時(shí)都能產(chǎn)生上升沿信號(hào)。總線a0-a15和D0~D15分別是由AD0-AD15分離出來的地址和數(shù)據(jù)總線。多路選擇器則根據(jù)地址譯碼產(chǎn)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(jī)直接訪問存儲(chǔ)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(dòng)地在不同存儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行切換，從而大大地增加了內(nèi)存的擴(kuò)充能力，并且簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)。運(yùn)用同樣的方法還可以定義FlashROM中的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)塊讀地址)、Address_R_RP(RAM數(shù)據(jù)塊的讀位置指針地址)、Address_R_W(RAM數(shù)據(jù)塊寫地址)和Address_R_WP(RAM數(shù)據(jù)塊的寫位置指針地址)。這樣可以方便地對(duì)內(nèi)存的擴(kuò)展部分進(jìn)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(xù)采集數(shù)據(jù)，然后存放到RAM中指定的數(shù)據(jù)塊等待處理，則可以寫出如下程序： 從上面這個(gè)簡(jiǎn)單的例子可以看出，這種存儲(chǔ)器組織方法大大簡(jiǎn)化了編程的的復(fù)雜性，并且可以采用對(duì)位置指針賦初值的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)展存儲(chǔ)器中任何一個(gè)位置的讀寫操作。 上面的分配方案可以通過對(duì)地址總線進(jìn)行譯碼生成相應(yīng)的片選信號(hào)／CSl和／CS2來實(shí)現(xiàn)。這樣分配后，F(xiàn)lash ROM 和 RAM 的使用情況如圖4所示。 可是實(shí)際故障依舊，通過測(cè)試得到的時(shí)序信號(hào)如圖6所示。 前面詳細(xì)地介紹了一種實(shí)用的存儲(chǔ)器擴(kuò)展方法，該方法是基于PLD器件實(shí)現(xiàn)的，有效地解決了嵌入式系統(tǒng)，尤其是數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)系統(tǒng)中內(nèi)存擴(kuò)展的問題。該方法能夠簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，并且不需要隨CPU型號(hào)的變化而修改設(shè)計(jì)，具有很好的可移植性。同時(shí)還給出了一種較為復(fù)雜的單片機(jī)外部存儲(chǔ)器的組織方案，包括了Flash ROM和RAM構(gòu)成的存儲(chǔ)系統(tǒng)。最后提出了將READY信號(hào)由同步產(chǎn)生改為異步產(chǎn)生的方式，解決了CPU在高速RAM與低速Flash ROM之間切換產(chǎn)生的問題，最終設(shè)計(jì)成了一套較為完善的CPU外部存儲(chǔ)器系統(tǒng)。

下面以讀Flash ROM為例介紹地址擴(kuò)展方法。對(duì)于可以直接尋址的地址，EPLD作為鎖存器，將AD0~AD15分時(shí)的地址數(shù)據(jù)總線分開，生成獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)總線。在這里定義了兩個(gè)特殊的地址：Flash ROM數(shù)據(jù)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(gè)16位的二進(jìn)制數(shù)，該數(shù)代表了將要讀取的數(shù)據(jù)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(jié)；然后連續(xù)地從Address_F_R進(jìn)行讀取操作，每讀一次，位置指針會(huì)自動(dòng)加1而不需要重新設(shè)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(shù)據(jù)即可。該功能在EPLD器件內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)方法見圖3。計(jì)數(shù)器可同步設(shè)置初值、同步計(jì)數(shù)，在AHDL語言中聲明為1pm_counter［5］。其中，CNT_EN為計(jì)數(shù)使能控制，當(dāng)CNT_EN為高電平時(shí)，每當(dāng)CLOCK上升沿到來時(shí)計(jì)數(shù)器便會(huì)自動(dòng)加一，從而實(shí)現(xiàn)了地址自動(dòng)增加的功能；CLOCK為同步時(shí)鐘輸入端，上升沿有效；SLOAD為計(jì)數(shù)器同步設(shè)置初值信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)為高電平時(shí)，在CLOCK上升沿的作用下，計(jì)數(shù)器的輸出Q［15．．0]=D［15．．0]，從而實(shí)現(xiàn)初始化讀取位置的功能。計(jì)數(shù)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]；

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(shè)置寫位置指針

REPEAT：

LDB 40H，IOPORT0

LDB 41H，IOPORTO；40H和41H為內(nèi)部寄存器，因?yàn)榘醋执鎯?chǔ)所以連續(xù)讀兩次

ST 40H，Address_R_W ；寫入指定位置條件判斷退出循環(huán)

JMP REPEAT