μPSD中存儲器系統(tǒng)的配置

背景

如果對ST公司的μPSD器件有一定了解，熟悉MCS-51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理，使用過PSDSOFT EXPRESS和KEIL開發(fā)設(shè)計(jì)，將對理解本文有很大的幫助。

MCS-51單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)存儲器空間與程序存儲器空間互相獨(dú)立。它有16根地址總線，最大尋址能力為64K，這決定程序或數(shù)據(jù)空間不能超過64K。以上兩點(diǎn)是本文所有討論的前提基礎(chǔ)。

μPSD的存儲器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

μPSD由標(biāo)準(zhǔn)8032核和ST公司的PSD（可編程系統(tǒng)器件）構(gòu)成，存儲器系統(tǒng)包含兩個(gè)主要部分，一是8032的內(nèi)部存儲器資源：256B內(nèi)部RAM和128B內(nèi)部特殊功能寄存器SFR；二是PSD中的存儲器模塊：主/次FLASH存儲器，擴(kuò)展的SRAM及控制PSD的CSIOP（Chip-Select I/O Port，類似于8051的SFR）。μPSD的主/次FLASH是完全相同的存儲介質(zhì)（早期的PSD813F1中的次存儲器是EEPROM結(jié)構(gòu)的），是兩個(gè)獨(dú)立的存儲器。主FLASH通常分4～8塊，每塊16～32kb；次FLASH通常分2～4塊，一般每塊為8kb。μPSD中使用譯碼可編程譯碼邏輯陣列（DPLD），頁寄存器PAGE，存儲器控制寄存器VM，聯(lián)合實(shí)現(xiàn)對存儲器系統(tǒng)的配置。

關(guān)于IAP和分頁技術(shù)

為什么μPSD中要有兩個(gè)FLASH？簡單地說，這是為了實(shí)現(xiàn)IAP而設(shè)計(jì)的。IAP就是 “在應(yīng)用中編程或升級代碼”，其原理是：單片機(jī)中裝有一套用戶程序和一套代碼更新程序。正常情況下，單片機(jī)運(yùn)行的是用戶程序；在需要程序升級時(shí)，系統(tǒng)會(huì)切換到代碼更新程序，通過串口或其他通信口下載新的用戶程序代碼，并寫入到原來的用戶程序存儲器中，更新完成后，再切換回至用戶程序?；贛CS-51系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在同一個(gè)存儲器中運(yùn)行主程序和改寫程序是不可能實(shí)現(xiàn)的。所有用MCS-51來實(shí)現(xiàn)IAP功能的系統(tǒng)都必須有兩個(gè)獨(dú)立的存儲器。實(shí)現(xiàn)IAP的難點(diǎn)在于存儲器的切換控制，體現(xiàn)在μPSD中主要就是如何使用VM寄存器以及如何對存儲器的片選控制。

此外，隨著應(yīng)用要求越來越高，代碼長度不斷增加，64K的限制已經(jīng)成為設(shè)計(jì)中的瓶頸。許多軟/硬件供應(yīng)商都竭力推出自己的方案以實(shí)現(xiàn)MCS-51對大于64K的支持，分頁技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

分頁設(shè)計(jì)中最重要的就是公共區(qū)和分頁區(qū)的設(shè)置，所謂公共區(qū)就是在所有的頁面中均為有效的一塊存儲器區(qū)。在程序空間中，64K范圍（1頁）內(nèi)的程序是連續(xù)的，一旦超過此范圍，只保留低16位，最高位將被丟棄，程序會(huì)跳回開始處運(yùn)行。保證程序在頁面切換時(shí)不會(huì)“跑飛”就是通過公共區(qū)實(shí)現(xiàn)的。分頁技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法是：當(dāng)程序在調(diào)用位于分頁區(qū)的程序時(shí)，首先保存返回地址，然后轉(zhuǎn)跳到公共區(qū)執(zhí)行，再修改頁寄存器到新的頁號實(shí)現(xiàn)頁面的切換，調(diào)用程序，返回到公共區(qū)，恢復(fù)原來頁號，最后從保存的返回地址返回。

公共區(qū)的大小由用戶自行設(shè)定，在μPSD中通常使用主/次FLASH中的一塊或多塊作為公共區(qū)，如使用1塊次FLASH即8KB，2塊次FLSAH即16KB，1塊主FLASH則是32KB，若只想使用主FLASH中的20KB作公共區(qū)也是可行的，只要將主FLASH的地址范圍只定義為20K的范圍就可以了。當(dāng)然，公共區(qū)的大小不能超過64K。公共區(qū)必須設(shè)在64K范圍的低端，這是因?yàn)镸CS-51中斷入口地址的原因。公共區(qū)中保存所有的公用子程序，中斷服務(wù)程序，全局常數(shù)表以及系統(tǒng)的初始化部分及頁面切換程序。

μPSD存儲器的空間配置

μPSD中存儲器系統(tǒng)配置主要是對程序空間的設(shè)置，相對而言數(shù)據(jù)空間的配置稍微簡單一點(diǎn)。μPSD中主/次FLASH可設(shè)置為程序或數(shù)據(jù)空間，這是由VM寄存器決定的，VM寄存器的作用如表1所示。VM的內(nèi)容可在運(yùn)行時(shí)由MCU進(jìn)行修改，這是實(shí)現(xiàn)IAP的關(guān)鍵。在PSDSOFT軟件流程中可設(shè)置主/次FLASH為程序、數(shù)據(jù)存儲器或程序/數(shù)據(jù)混合存儲器，實(shí)際上就是對VM寄存器上電時(shí)的默認(rèn)值進(jìn)行設(shè)置，換句話說，就是確定上電時(shí)主/次FLASH分別位于什么空間。

                           表1  VM寄存器各位作用

表中，“#RD可以/不能訪問”是指此存儲器是否位于數(shù)據(jù)空間，“#PSEN可以/不能訪問”是指此存儲器是否位于數(shù)據(jù)空間，因?yàn)樵贛CS-51系統(tǒng)中對外部數(shù)據(jù)/程序空間的訪問就是通過#RD和#PSEN進(jìn)行區(qū)分的。舉例說明：

VM=0CH，表示主FLASH位于程序空間，次FLASH位于數(shù)據(jù)空間；

VM=16H，表示主FLASH位于數(shù)據(jù)和程序空間，次FLASH位于程序間。

位0用來指定SRAM是否位于程序空間，因?yàn)镾RAM只在數(shù)據(jù)空間有效。位7用來指示外設(shè)IO模式的允許與禁止，具體將在后面介紹。圖1可幫助對VM寄存器作用的理解。

圖1 μPSD中存儲器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，VM位0～4與#RD、#PSEN聯(lián)合實(shí)現(xiàn)對主/次FLASH及SRAM的選擇。這里是通過輸出允許#OE信號進(jìn)行控制的，也就是說即使存儲器的地址有效（CS有效），如果#OE無效，也不能訪問到此存儲器的內(nèi)容。主/次FLASH的#OE有兩個(gè)有效輸入項(xiàng)，由VM位3/4控制#RD是否起作用，VM的1/2位來控制#PSEN是否起作用。在VM的各位確定后，可依圖1畫出簡化的配置結(jié)構(gòu)。這里的#OE信號是對主/次FLASH的每一塊同時(shí)有效的。

在實(shí)現(xiàn)IAP時(shí)，通過VM來實(shí)現(xiàn)對主/次FLASH的空間進(jìn)行換，例如，主FLASH作用戶程序，次FLASH用作升級程序；正常工作時(shí)，主FLASH作程序空間，運(yùn)行用戶代碼，在進(jìn)行程序升級時(shí)，將次FLASH切換作程序空間，并運(yùn)行次FLASH中的升級程序，再把主FLASH換到數(shù)據(jù)空間，對主FLASH中的用戶代碼進(jìn)行更新。

μPSD存儲器的地址配置

μPSD中對存儲器地址分配需遵守以下規(guī)則：
規(guī)則1．主/次FLASH塊FS0～FS7，CSBOOT0～CSBOOT3的地址范圍不能大于其物理尺寸；

規(guī)則2．主FLASH塊FS0～FS7之間地址不能重疊；

規(guī)則3．次FLASH塊CSBOOT0～CSBOOT3之間地址不能重疊；

規(guī)則4．SRAM、I/O、外設(shè)I/O地址不能重疊；

規(guī)則5．主FLASH，次FLASH和SRAM，I/O，外設(shè)I/O，若地址重疊，存儲器有效優(yōu)先級為SRAM、I/O、外設(shè)I/O最高，次FLASH次之，主FLASH最低。

在PSDSOFT設(shè)計(jì)中，若違反規(guī)則2、3、4會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，必須修改才能進(jìn)行下一步；而違反規(guī)則1只會(huì)發(fā)出警告，如果忽略一定要小心。規(guī)則5屬于解釋型規(guī)則，不會(huì)提出任何提示，注意地址重疊情況下優(yōu)先級低的存儲器不能被訪問。

μPSD中通過DPLD對每個(gè)存儲器的地址進(jìn)行分配，DPLD的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DPLD的結(jié)構(gòu)

DPLD包括“與”陣列和“或”陣列，“與”陣中有輸入項(xiàng)共57項(xiàng)，“或”陣中有輸出項(xiàng)共16項(xiàng)。輸入項(xiàng)表示可參于地址譯碼的信號，輸出項(xiàng)即每個(gè)存儲器的CS信號。

DPLD的輸入項(xiàng)中最常用的是A0～A15，頁寄存器PGR0～PGR7，#RD、#PSEN、#WR、ALE。PDN是在功率管理時(shí)使用，如果在地址中加入PDN，表示只有在電源有效時(shí)地址譯碼才有效，通常這項(xiàng)是自動(dòng)加入的，使用者可不用管。

DPLD的輸入項(xiàng)和輸出項(xiàng)不是必須全部配置的。在對μPSD的存儲器進(jìn)行地址配置時(shí)，一個(gè)最重要的原則是“不超過64KB就不要分頁，沒有使用到的塊就不必配置”。對于小的項(xiàng)目中沒有使用到所有存儲器，不用去配置，這樣既簡單，減少出錯(cuò)，又方便調(diào)試和檢查。除CSIOP是必須配置的外，其他項(xiàng)均可根據(jù)需要進(jìn)行配置。

PSEL由外設(shè)I/O模式控制，在PIO模式下，PA口的所有I/O被設(shè)置為三態(tài)、雙向MCU數(shù)據(jù)緩沖器方式，與MCU的P0口有些類似。DPLD中必須聲明PSEL0和/或PSEL1的有效地址范圍，在訪問此地址時(shí)，PA口進(jìn)入PIO方式。前面所述的VM寄存器中第7位是PIO模式允許/禁止控制，PIO模式的內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。為避免PSEL0和PSEL1所指定的范圍在程序/數(shù)據(jù)空間都有效，應(yīng)在PSEL0和PSEL1中加入“！#PSEN”信號，以保證PIO模式僅在訪問數(shù)據(jù)空間時(shí)有效。

圖3 PIO模式內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)

使用PSDSOFT對μPSD進(jìn)行配置和編程

μPSD中PAGE是一個(gè)8位寄存器，最多可實(shí)現(xiàn)256個(gè)頁面，PAGE寄存器與地址范圍的配置是同時(shí)起作用的。如果你的系統(tǒng)中不論是程序還是數(shù)據(jù)存儲器的設(shè)計(jì)超出了64k，必須要分頁。   μPSD的PAGE寄存器的8位可以獨(dú)立使用，在PSDSOFT中可定義為兩種方式，即PAGING和LOGIC。PAGING就是作為分頁使用，LOGIC是作為一般邏輯輸入功能，類似于PLD中的節(jié)點(diǎn)NODE，或者CPLD中的宏MACRO。作為PAGING時(shí)，必須從最低位開始，使用N位作為PAGING，可實(shí)現(xiàn)2N個(gè)頁面的分配，即存儲器的地址配置中有2N個(gè)頁面可選擇。使用作為LOGIG時(shí)必須從高位開始使用，可以為之定義一個(gè)名字，可用作DPLD的輸入項(xiàng)。MCU在運(yùn)行時(shí)可以對PAGE的進(jìn)行讀/寫操作，但是不能按位操作，也就是說必須先屏蔽再修改。

在程序和數(shù)據(jù)均不超過64K時(shí)，不必分頁，PGR0～PGR7不參加譯碼?，F(xiàn)在的PSDSOFT軟件中不要求用戶再寫地址方程式，只需要填寫地址范圍可以了。不使用分頁時(shí)，片選的PGAE NUMBER就不能填任何值，如果填“0”則表示位于頁0。在PSDSOFT中對公共區(qū)的設(shè)置方法很簡單，只要不填作為公共區(qū)的存儲器的片選中的“PAGE NUMBE”就可以了。

μPSD存儲器配置實(shí)例

作為本文的結(jié)束，舉一個(gè)典型的 μPSD應(yīng)用實(shí)例，讀者可參考其存儲器的配置方案。

使用μPSD3234A-40U6器件，將FS0～FS7用作程序/數(shù)據(jù)存儲器，地址在8000H～0FFFFH，分別位于頁0至頁7；CSBOOT0～CSBOOT3作為程序存儲器，作為公共區(qū)，地址是0000H～7FFFFH。擴(kuò)展SRAM位于0000H～1FFFH，CSIOP位于7F00H～7FFFH，用戶I/O空間定義為7E00H～7EFFH。

這樣的存儲器配置能夠滿足大多數(shù)分頁項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，使用了μPSD的所有存儲器，不僅最大化了程序空間和數(shù)據(jù)空間，也能實(shí)現(xiàn)IAP功能。此方案中程序空間可達(dá)256K+32K，數(shù)據(jù)空間是256K（FLASH）+8K（SRAM）。用戶可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目對配置進(jìn)行簡單修改，去掉沒有使用的存儲器配置。

如果用戶項(xiàng)目中要求實(shí)現(xiàn)IAP或者對主FLASH數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行擦除/修改，請一定要注意，升級代碼或?qū)LASH進(jìn)行擦除/修改操作的程序必須放于公共區(qū)，即次FLASH中。

參考文獻(xiàn)

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 Compiler and PSDsoft to Handle Multi-Paged
 Memory in μPSD Application Software，2004
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 Design Software Tool for PSD and uPSD
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