80C51原始IP核內(nèi)部RAM的擴(kuò)展方案

　　引 言

　　80C51系列單片機(jī)是一類經(jīng)典的8位微處理器，其設(shè)計(jì)方法和體系結(jié)構(gòu)一直是其他各類單片機(jī)設(shè)計(jì)的參考典范，自從20世紀(jì)80年代面世以后，得到了極大的發(fā)展與應(yīng)用。直到今天，市場(chǎng)上還有一大部分單片機(jī)應(yīng)用成品將其作為處理核心。基于80C51系列單片機(jī)無知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、市場(chǎng)應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行功能拓展，既有利于經(jīng)濟(jì)上節(jié)約成本，也有利于成果的推廣使用。而隨著單片機(jī)應(yīng)用日趨復(fù)雜化，傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)在設(shè)計(jì)上的不足逐漸顯現(xiàn)出來。如在現(xiàn)有128字節(jié)內(nèi)部RAM基礎(chǔ)上，處理一些比較復(fù)雜的算法就顯不足。鑒于此，本文在Oreg-ano公司設(shè)計(jì)的8051 IP核(即下述MC8051)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了對(duì)其內(nèi)部RAM高128字節(jié)擴(kuò)展。給出一種新的擴(kuò)展設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)與一般RAM區(qū)地址空間相連的高128字節(jié)的間接尋址操作，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)內(nèi)部RAM進(jìn)行了可達(dá)64 KB的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，通過了相應(yīng)的軟硬件仿真測(cè)試。

　　1 對(duì)MC8051高位128字節(jié)的擴(kuò)展設(shè)計(jì)

　　對(duì)MC8051高位128字節(jié)的擴(kuò)展設(shè)計(jì)主要分3個(gè)方面加以說明：一是傳統(tǒng)80C51系列的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)；二是高128字節(jié)的尋址方式；三是對(duì)IP核內(nèi)部的RAM地址選擇控制。

　　1.1 傳統(tǒng)80C51系列的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)

　　80C51是經(jīng)典的單片機(jī)系列，具有典型的單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)，由CPU系統(tǒng)、ROM、RAM、I／O口以及特殊功能寄存器SFR、2個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器、5個(gè)中斷源和1個(gè)串口組成。針對(duì)本文所要討論的內(nèi)容，這里介紹一下80C51存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和尋址方式：80C51系列單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)采用哈佛型結(jié)構(gòu)，物理上共分片內(nèi)外程序存儲(chǔ)器、片內(nèi)外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器4個(gè)存儲(chǔ)空間。對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，片內(nèi)外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址彼此獨(dú)立，指令尋址各自不同，這里主要關(guān)注片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)。

　　8051單片機(jī)共有7種尋址方式，這里只對(duì)其中3種作一下簡(jiǎn)要介紹：立即尋址，操作碼后的一個(gè)字節(jié)就是實(shí)際操作數(shù)本身；寄存器尋址，操作碼后為某一寄存器編號(hào)，寄存器的內(nèi)容為操作數(shù)；寄存器間接尋址，其與寄存器尋址的區(qū)別在于前者寄存器中的內(nèi)容就是操作數(shù)，而后者寄存器中的內(nèi)容為操作數(shù)地址，此地址指向的寄存器中存入的數(shù)據(jù)才是實(shí)際操作數(shù)本身。

　　1.2 高128字節(jié)的尋址方式

　　由前面介紹內(nèi)容可知，MC8051內(nèi)部RAM分為地址相連、功能不同的兩部分：低128字節(jié)的內(nèi)部用戶RAM區(qū)和高128字節(jié)的特殊功能寄存器區(qū)(SFR)。這兩部分均可用寄存器直接、間接尋址方式進(jìn)行尋址操作。經(jīng)過設(shè)計(jì)修改的8051，低128字節(jié)的功能和操作方式完全不變，對(duì)其高128字節(jié)，分為地址重疊和功能不同的兩部分，以不同的尋址方式加以區(qū)別，控制操作。高128字節(jié)如果作為內(nèi)部用戶RAM使用，只可以通過寄存器R0、R1進(jìn)行尋址，以地址為85H的寄存器單元為例，若此時(shí)85H作為SFR，則用命令“MOV 85H，#33H”；若此時(shí)作為一般內(nèi)部用戶RAM單元，則用命令：

　　MOV R0，#85H

　　MOV @R0，#33H

　　在MC8051中，寄存器R0、R1只應(yīng)用于寄存器間接尋址使用，即R0、R1中存儲(chǔ)的內(nèi)容為間接尋址中操作數(shù)的地址。對(duì)高128地址空間，如果作為一般的RAM寄存區(qū)使用，只采用間接尋址；如果作為特殊功能寄存器區(qū)(SFR)，則采取除間接尋址外的其他尋址方式。這樣就可以通過只對(duì)．R0、R1中內(nèi)容進(jìn)行條件判定，確定是否觸發(fā)對(duì)高128地址空間進(jìn)行一般RAM數(shù)據(jù)操作。

　　1.3 IP核內(nèi)部的RAM地址選擇控制

　　在MC8051中，對(duì)低128字節(jié)用戶RAM區(qū)的讀寫有專門的地址輸出ram_address_out。由于1個(gè)字節(jié)的尋址長(zhǎng)度為256，所以ram_addreSS_out只取內(nèi)部地址s_adr低7位，即ram_address_out<=s_adr(6 downto 0)，輔以RAM寫使能控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)低128字節(jié)的讀寫。這里由于要對(duì)RAM區(qū)擴(kuò)展成為256字節(jié)，所以用戶RAM區(qū)的地址應(yīng)該可以尋址256字節(jié)長(zhǎng)度。這就要求對(duì)IP核中對(duì)RAM區(qū)的地址傳遞有相應(yīng)的修改，修改后地址的具體傳遞過程如圖1所示。

　　一個(gè)完整的執(zhí)行過程如下所述：首先CPU從ROM讀取指令，然后到內(nèi)部狀態(tài)機(jī)進(jìn)行指令解釋，送入譯碼器執(zhí)行具體的數(shù)據(jù)和地址的存取操作(譯碼器中通過地址多路選擇器adr__mux和數(shù)據(jù)多路選擇器data_mux來實(shí)現(xiàn)對(duì)地址和數(shù)據(jù)的控制)。如果此時(shí)命令不涉及寄存器間接尋址，由圖1可知，取到的RAM地址就是一般8051的執(zhí)行結(jié)果。如果此時(shí)進(jìn)行寄存器間接尋址，則可分為兩種情況：一是對(duì)高128字節(jié)的間接尋址，此時(shí)的操作目的，是要對(duì)高128字節(jié)進(jìn)行一般RAM的數(shù)據(jù)操作；二是除第一種情況外的一般寄存器間接尋址操作。由于SFR不能使用寄存器間接尋址，所以這兩種情況可以根據(jù)R0、R1中存儲(chǔ)的地址的最高位進(jìn)行判別。

　　第一種情況：最高位為“1”時(shí)，說明高128字節(jié)(80H～FFH)作為一般RAM來使用，此時(shí)把R0、R1中的地址賦給RAM地址，同時(shí)置RAM使能控制ram_write_en為“1”，實(shí)現(xiàn)對(duì)某一高位地址的寫操作。還以85H為例，執(zhí)行指令“MOVR0，#85H”，R0中內(nèi)容變?yōu)?5H，然后執(zhí)行“MOV @R0，#33H”，此時(shí)R0用作間接寄存器，進(jìn)行間接尋址，且寄存器中的字節(jié)最高位為“1”，對(duì)RAM區(qū)操作的地址就是間接寄存器中寄存的地址85H，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)85H的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

　　第二種情況：最高位為“0”時(shí)，說明只是對(duì)低128字節(jié)進(jìn)行間接尋址操作，執(zhí)行過程如一般8051。

　　2 64 KB內(nèi)部RAM的擴(kuò)展設(shè)計(jì)

　　通過對(duì)一個(gè)特殊移存器(選取84H，記為SRAM0)的軟件配置，在高128字節(jié)內(nèi)部RAM擴(kuò)展設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部64 KB RAM的擴(kuò)展。在對(duì)高128字節(jié)內(nèi)部RAM的擴(kuò)展設(shè)計(jì)中，通過對(duì)s_address_ram最高位進(jìn)行判斷，確定地址信號(hào)s_address1，進(jìn)而作為內(nèi)部RAM地址ram_address_out輸出。以這個(gè)方法為基礎(chǔ)，將ram_address_out改為16位長(zhǎng)，SRAM0中內(nèi)容與s_address1的值并置作為ram_address_out輸出，即ram_address_out<=SRAM0&s_address1，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部RAM 64 KB的擴(kuò)展。此時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取時(shí)，每次對(duì)84H賦值后，CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，對(duì)64 KB內(nèi)部RAM的尋址，就相當(dāng)于以SRAM0為頁(yè)地址指針，以256字節(jié)為頁(yè)深度進(jìn)行頁(yè)面尋址操作。相比較于以XRAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，本設(shè)計(jì)有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：其一，除SRAM0中為全0的情況，其余地址空間均可直接尋址，而XRAM地址空間只能間接尋址，在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)反復(fù)存儲(chǔ)調(diào)用時(shí)，可以縮短代碼長(zhǎng)度，有效提高執(zhí)行速度；其二，由于內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸指令MOV大多為單指令周期指令，而外部數(shù)據(jù)傳輸指令MOVX全部是雙指令周期指令，所以在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)存取時(shí)，執(zhí)行速度會(huì)有較大提高。

　　3 軟硬件仿真測(cè)試

　　采用由Model技術(shù)公司開發(fā)的ModelSim SE 6.0進(jìn)行功能仿真，利用Keil公司的Keil uVision2編寫51匯編測(cè)試程序，編譯產(chǎn)生可執(zhí)行文件載入ROM進(jìn)行功能測(cè)試，最終的仿真結(jié)果與Keil uVision2中編譯執(zhí)行結(jié)果相對(duì)照，驗(yàn)證設(shè)計(jì)功能的正確性。對(duì)設(shè)計(jì)的測(cè)試采取黑盒測(cè)試法，測(cè)試程序是已有的一些比較復(fù)雜的算法，如DES、AES。以DES為例，明密文存取、密鑰生成、中間值暫存和結(jié)果都放在高128字節(jié)來處理，僅用到低128字節(jié)區(qū)的可位尋址區(qū)，密文地址空間為90H～97H，明文地址空間為98H～9FH，明文數(shù)據(jù)為38H、33H、32H、37H、31H、34H、32H、33H，密鑰地址空間為80H～87H，密鑰數(shù)據(jù)為00H、31H、31H、33H、34H、35H、36H、07H，最后將80H～87H和90H～97H地址空間中的數(shù)據(jù)結(jié)果送入地址空間48H～5FH中，如圖2所示。

　　將二進(jìn)制.dua可執(zhí)行文件載入ROM，使用ModelSim對(duì)其進(jìn)行功能仿真，結(jié)果如圖3所示。

　　兩方結(jié)果對(duì)照：128～135這8個(gè)高位寄存數(shù)為：00H、00H、7EH、E1H、CCH、F0H、00H、8EH，144～159這16個(gè)高位寄存數(shù)為：26H、33H、21H、3DH、31H、0FH、1DH、 4DH、00H、88H、1EH、5FH、E6H、E7H、21H、F1H，圖中的160～163位，是用于暫存32位圈子密鑰的，這里不作詳細(xì)介紹，通過對(duì)照可知結(jié)果正確。硬件實(shí)現(xiàn)采用Altera公司的CycloneII系列的EP2C35F672C6器件作為設(shè)計(jì)載體，在QuartusII 5.0下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編譯綜合下載，使用RS232串口，在每次復(fù)位時(shí)，對(duì)RAM的明文和初始密鑰進(jìn)行重新配置，利用串口輸出驗(yàn)證結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果均正確。

　　結(jié) 語(yǔ)

　　針對(duì)8051現(xiàn)有的RAM內(nèi)部數(shù)據(jù)緩存不能滿足實(shí)際應(yīng)用要求的現(xiàn)況，本文給出了一種新的對(duì)內(nèi)部RAM高128字節(jié)的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)方案，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)內(nèi)部RAM進(jìn)行了64 KB的擴(kuò)展設(shè)計(jì)；通過了相應(yīng)的軟、硬件仿真測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。