段式管理的大容量數(shù)據(jù)存儲器擴展技術(shù)解析方案

MCS96系列單片機是一種16位字長，比MCS51系列單片機功能更全、性能更高的單片機，在儀器儀表、過程控制等領(lǐng)域應用極為廣泛。在采用MCS96系列單片機的應用開發(fā)中，我們碰到一個難題：當需要大容量的數(shù)據(jù)存儲時，數(shù)據(jù)存儲器的擴展如采用與MCS51系列單片機同樣的方法則無法工作。因為其內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)采用程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址的普林斯頓結(jié)構(gòu)，程序存儲器的地址與數(shù)據(jù)存儲器的地址不能相同;而MCS51系列單片機采用程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開編址的哈佛結(jié)構(gòu)，程序存儲器的地址與數(shù)據(jù)存儲器的地址不沖突，可以相同，因而其數(shù)據(jù)存儲器擴展容易，而且整個數(shù)據(jù)存儲器地址空間連續(xù)。MCS96系列單片機的普林斯頓內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)決定了不能簡單采用與MCS51系列單片機相同的數(shù)據(jù)存儲器擴展技術(shù)。本文針對MCS96系列單片機的內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)特點給出一種段式管理的大容量的數(shù)據(jù)存儲器擴展技術(shù)。

1 段式管理的大容量數(shù)據(jù)存儲器擴展技術(shù)

設計思想概述：針對MCS96系列單片機的存儲結(jié)構(gòu)特點，可看出擴展的數(shù)據(jù)存儲器的低16位地址不能與程序存儲器的地址相同，因此，必須從MCS96系列單片機的內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)中找出一個專門的區(qū)域。本文將此區(qū)域定義為段，對其進行擴展，通過各段的高地址來區(qū)分不同段。由于各段的實際物理地址是不相連的，從用戶角度看，直接使用物理地址編程很麻煩，因此設計一個邏輯段表來管理，并且設計一個簡單的子程序來完成邏輯地址與物理地址的轉(zhuǎn)換，從而便于用戶編程。具體過程如下。

1.1 段的設置區(qū)域

MCS96系列單片機的內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)，0100H～1FFDH，4000H～0FFFFH兩個區(qū)域可以給外部存儲器及I/O口使用。0100H～1FFDH的區(qū)域較小，考慮到一般應用系統(tǒng)的程序較短，只有同KB，I/O口地址更少，因而可以將此區(qū)域分析給外部程序存儲器與I/O 口。4000H～0FFFFH區(qū)域分配給外部數(shù)據(jù)存儲器。由于一般數(shù)據(jù)存儲順芯片的存儲地址容量為2NKB(N為大于零的整數(shù))，因此，這48KB的區(qū)域可以劃分為32KB與16KB的兩個區(qū)間。如果要求大容量存儲地址空間，則可以把以上48KB的區(qū)域整個看成一個段，或者將區(qū)域的一部分看成一個段，多設置幾個這樣的段就可以解決。

1.2 段的存儲空間的最佳設置

由于段的空間的設置區(qū)域在4000H～0FFFFH的48KB的存儲地址空間，因而有三種段的存儲地址空間大小的設置方案。

①每段設為起始地址相同的32KB;

②每段都設為48KB;

③一些段設為48KB;一些段設為32KB。

由于方案2與3采用32KB的存儲區(qū)間與16KB的存儲區(qū)間組成段，因而在硬件設計方面使地址譯碼器與存儲器的連接復雜，更不便于對各段存取管理，尤其對于數(shù)據(jù)存儲器采用單個大容量的EEPROM或FLASH RAM時，硬件設計更是困難;而方案1則只采用32KB的芯片組成段，而且起始地址相同，對于數(shù)據(jù)存儲器采用多個32KB的RAM芯片，或者數(shù)據(jù)存儲器采用單個大容量的EEPROM或FLASH RAM芯片中(可在其內(nèi)部劃分為多個32KB段)，在硬件設計方面非常簡單，也便于用邏輯段表進行存取管理。因而要用方案1，即段的存儲空間大小的最佳設置為32KB。

1.3 段的存取控制

1.3.1 存儲器邏輯段與物理段的關(guān)系

由于段的存儲地址空間大小的最佳設置為32KB，各段的實際物理地址為物理段號加上物理段內(nèi)地址，因此，可設物理段號的存儲單元為8bit。這樣，整個擴展數(shù)據(jù)存儲器容量為256×32KB，即8MB，對于一般的單片機應用系統(tǒng)已經(jīng)遠遠滿足了。由于各物理段之間地址不連續(xù)，用戶直接使用物理地址編程不方便，因而要采用連續(xù)的邏輯地址供用戶使用，來對各物理段訪問。邏輯地址分為邏輯段號與邏輯偏移地址兩部分，邏輯段號的存儲單元也為8bit，但由于邏輯偏移地址為16bit，因而一個邏輯段的大小為64KB，地址從0000H～0FFFFH，即1個邏輯段與2個物理段相對應，所以邏輯段的個數(shù)為實際物理段的個數(shù)的一半。對物理段與邏輯段進行編號，設邏輯段的個數(shù)為N個，編號為0，1，2，…，N-1。

1.3.2 邏輯段表設計與段的存取管理

為了便于對段的存取管理控制，設計一個邏輯段表，表的內(nèi)容為邏輯段號。因為1個邏輯段為64KB，它與2個物理段(每段32KB)相對應，因而邏輯段表示的長度為實際物理段總數(shù)的一半。設有N個段。例如：有8個32KB的物理段，邏輯段表的長度為4B，邏輯段表的內(nèi)容為：0，1，2， 3。實際的物理段號為：0，1，2，3，4，5，6，7。每個邏輯段號與2個物理段號相對應。

另外，為了便于存取控制，設計一個將邏輯地址自動轉(zhuǎn)換成物理地址的子程序，子程序必須簡單。經(jīng)過分析，把每個32KB的物理段的起始地址都設為8000H，即每個32KB的物理段的段內(nèi)地址都是從8000H～0FFFFH。根據(jù)邏輯地址與物理地址的對應關(guān)系。子程序的入口參數(shù)為邏輯段號與邏輯偏移地址，返回結(jié)果為物理段號與物理段內(nèi)地址。這樣，對段的存取訪問可先查邏輯段表查出邏輯段號，再調(diào)用該子程序?qū)崿F(xiàn)。

2 設計舉例：8096擴展128KB的RAM

分析：由于地址空間為128KB，因此可以設置4個大小同為32KB的段，每段選用1個62256芯片。電路原理分析：8096的P3口輸出直接作為數(shù)據(jù)總線使用，同時外接74LS373的輸出，作為低地址總線A0～A7;P4口的P4.0～P4.6作為高地址總線A8～A14使用，P4.7經(jīng)過一反相器連接74LS139(雙2～4譯碼器)的1G(使能器);P1.1、P1.0分別與74LS139譯碼器的兩個輸入端1A1、1A0相接。P1.1、 P1.0、P4.7分別作為高地址總線A17、A16、A15使用。譯碼器的輸出1Y3、1Y2、1Y1、1Y0分別與4個寄存器62256的片選信號 CS相接。這樣可以得出：段0存儲器的物理地址為08000H～0FFFFH，段1存儲器的物理地址為18000H～1FFFFH，段2存儲器的物理地址為28000H～2FFFFH，段3存儲器的物理地址為38000H～3FFFFH;而邏輯地址為00000H～1FFFFH。邏輯段表的內(nèi)容為0、1。

3 總結(jié)

這種段式管理的數(shù)據(jù)存儲器擴展技術(shù)簡單方便，具有很大的優(yōu)越性，具體體現(xiàn)在以下幾方面：從應用角度看，此技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)存儲器的擴展，數(shù)據(jù)存儲器可采用RAM、EEPROM、FLASH RAM等;最大的擴展容量為8MB，遠遠超出了一般應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器擴展需求。從用戶角度看，用戶在編程時不必考慮實際物理數(shù)據(jù)存儲器的地址空間是否連續(xù)，通過段式管理，使用連續(xù)的邏輯地址來編程，克服了不連續(xù)物理地址空間的缺陷，而且，對各段存儲的數(shù)據(jù)提供了保護;在一般的大數(shù)據(jù)量的單路信號檢測與處理系統(tǒng)中，此技術(shù)使得用戶對連接采集數(shù)據(jù)的存取是透明的，不受硬件的局限，便于用各種高級語言開發(fā)設計。從硬件角度看，對于數(shù)據(jù)存儲器采用多個32KB 的RAM芯片，各存儲段相互獨立，互不影響，各段的存儲器芯片的故障也不會對整個系統(tǒng)造成很大影響;在一般的多數(shù)大數(shù)據(jù)量的信號檢測與處理系統(tǒng)以及由單片機組成的集散式控制系統(tǒng)中，可以為每路采集的數(shù)據(jù)分酌情不同的段來存儲，這樣對各段存儲的數(shù)據(jù)提供了保護，提高了整個系統(tǒng)的可靠性，應用效果是非常理想的。對于數(shù)據(jù)存儲器采用單個大容量的EEROM或FLASH RAM芯片時，硬件電路更為簡單，不需要譯碼器等電路。