基于PLD的嵌入式系統(tǒng)外存模塊設計

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

在嵌入式系統(tǒng)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(chǎn)生片選或者高位地址信號，利用這些信號將內(nèi)存分頁，但當頁間跳轉(zhuǎn)時將給程序設計帶來不便。對于沒有內(nèi)部存儲器并且采用統(tǒng)一編址的CPU，如80C196KC20［1］，這種頁間切換將造成CPU無法繼續(xù)執(zhí)行當前程序而產(chǎn)生錯誤(見圖1)。在CPU執(zhí)行頁面切換操作后，本應該繼續(xù)執(zhí)行頁面1的指令，可是卻錯誤地執(zhí)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(fā)現(xiàn)，64K字節(jié)的存儲空間用來存放程序能滿足絕大多數(shù)的使用需求(通常用戶的應用程序不到10K字節(jié))，但如果使用其進行數(shù)據(jù)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(tǒng)計分析發(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。利用這個特點，可以對數(shù)據(jù)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(xù)讀或者連續(xù)寫來進行批量數(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(nèi)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(fā)展，數(shù)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(xiàn)。

2 存儲器擴展方法的具體實現(xiàn)

下面以筆者設計的系統(tǒng)為例來詳細說明這種存儲器擴展方法的實現(xiàn)。該系統(tǒng)是一個多功能數(shù)據(jù)采集設備，能夠以最高40k次／s的速率進行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可以同時存儲4段系統(tǒng)工作配置程序，每段4K字節(jié)，共計16K字節(jié)；③由于Flash ROM自身的特點，在寫人數(shù)據(jù)后的編程階段不能進行讀寫操作，因此為了保證系統(tǒng)采樣和單片機運行的正常進行，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、中斷服務程序等共占用56K字節(jié)(Flash ROM和RAM各保留28K字節(jié))，總計需要存儲空間136K字節(jié)。這個需求已經(jīng)超過96系列單片機的64K字節(jié)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(jié)，數(shù)據(jù)線寬度為16位；RAM存儲器由兩片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(tǒng)的性能，選擇16位工作模式。96系列單片機地址是按照字節(jié)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(jīng)過鎖存后的AD1～AD15地址作為A1~A15而A16=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(shù)據(jù)時都能產(chǎn)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(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(qū)域進行切換，從而大大地增加了內(nèi)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(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)。這樣可以方便地對內(nèi)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(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(xiàn)對擴展存儲器中任何一個位置的讀寫操作。 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(xiàn)。這樣分配后，F(xiàn)lash ROM 和 RAM 的使用情況如圖4所示。 可是實際故障依舊，通過測試得到的時序信號如圖6所示。 前面詳細地介紹了一種實用的存儲器擴展方法，該方法是基于PLD器件實現(xiàn)的，有效地解決了嵌入式系統(tǒng)，尤其是數(shù)據(jù)采集、存儲系統(tǒng)中內(nèi)存擴展的問題。該方法能夠簡化程序設計，并且不需要隨CPU型號的變化而修改設計，具有很好的可移植性。同時還給出了一種較為復雜的單片機外部存儲器的組織方案，包括了Flash ROM和RAM構成的存儲系統(tǒng)。最后提出了將READY信號由同步產(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，最終設計成了一套較為完善的CPU外部存儲器系統(tǒng)。

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(shù)據(jù)總線分開，生成獨立的地址和數(shù)據(jù)總線。在這里定義了兩個特殊的地址：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16位的二進制數(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(shù)據(jù)即可。該功能在EPLD器件內(nèi)部的實現(xiàn)方法見圖3。計數(shù)器可同步設置初值、同步計數(shù)，在AHDL語言中聲明為1pm_counter［5］。其中，CNT_EN為計數(shù)使能控制，當CNT_EN為高電平時，每當CLOCK上升沿到來時計數(shù)器便會自動加一，從而實現(xiàn)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(shù)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(shù)器的輸出Q［15．．0]=D［15．．0]，從而實現(xiàn)初始化讀取位置的功能。計數(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；設置寫位置指針

REPEAT：

LDB 40H，IOPORT0

LDB 41H，IOPORTO；40H和41H為內(nèi)部寄存器，因為按字存儲所以連續(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