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(wèn)題。該方案具有通用性強(qiáng)、讀寫(xiě)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(wèn)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(lái)不便。對(duì)于沒(méi)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(wú)法繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前程序而產(chǎn)生錯(cuò)誤(見(jiàn)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(wèn)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(lái)存放程序能滿(mǎn)足絕大多數(shù)的使用需求(通常用戶(hù)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(lái)存儲(chǔ)空間上的嚴(yán)重不足。通過(guò)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(shuō)就是通過(guò)對(duì)同一個(gè)地址連續(xù)讀或者連續(xù)寫(xiě)來(lái)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(xiě)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(lái)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(lái)詳細(xì)說(shuō)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(xiě)人數(shù)據(jù)后的編程階段不能進(jìn)行讀寫(xiě)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(guò)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(xiàn)寬度為16位；RAM存儲(chǔ)器由兩片CY7C199組成，數(shù)據(jù)線(xiàn)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(xiě)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(lái)計(jì)算的，因此在16位工作模式下的A0=0沒(méi)有實(shí)際意義。在通常的讀寫(xiě)情況下，取經(jīng)過(guò)鎖存后的AD1～AD15地址作為A1~A15而A16=0。

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(xiàn)分開(kāi)，生成獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)總線(xiàn)。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(xiě)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(xiě)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(jiàn)圖3。計(jì)數(shù)器可同步設(shè)置初值、同步計(jì)數(shù)，在AHDL語(yǔ)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(lái)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(yǔ)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]；

    clock信號(hào)要保證在寫(xiě)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)?？偩€(xiàn)a0-a15和D0~D15分別是由AD0-AD15分離出來(lái)的地址和數(shù)據(jù)總線(xiàn)。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(xiàn)上。如果訪(fǎng)問(wèn)除Address_F_RP和Address_F_RP以外的地址，則地址輸出總線(xiàn)A115．．1)=a［15．．1］、A16=0，即單片機(jī)直接訪(fǎng)問(wèn)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(xiě)入地址Address_F_W和寫(xiě)位置指針地址Address_F_WP，RAM中也有類(lèi)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(xiě)地址)和Address_R_WP(RAM數(shù)據(jù)塊的寫(xiě)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(xiě)。下面以MCS-96的匯編語(yǔ)言為例來(lái)說(shuō)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(xiě)出如下程序：

LD 40H，地址值；地址值為即將寫(xiě)入的目的地址，16位按字編址。

ST 40H，Address_R_WP；設(shè)置寫(xiě)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(xiě)入指定位置條件判斷退出循環(huán)

JMP REPEAT

    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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)展存儲(chǔ)器中任何一個(gè)位置的讀寫(xiě)操作。

3 地址分配

有了上面的存儲(chǔ)器擴(kuò)展方法，再結(jié)合系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)和單片機(jī)的特點(diǎn)，就可以做出一套合理的內(nèi)存地址分配方案。下面給出單片機(jī)的地址劃分情況：

0000H~01FFH 系統(tǒng)寄存器區(qū)，保留0200H~1EFFH用戶(hù)區(qū)，直接映射到Flash ROM中的

0200H~1EFFH 可以用來(lái)存放數(shù)據(jù)、程序等，該區(qū)域可以由單片機(jī)直接進(jìn)行尋址。

1FOOH~1FFFH 用戶(hù)區(qū)，實(shí)際使用中把Address—1lR、Address_F_WP等地址以及一些特殊設(shè)備如A／D轉(zhuǎn)換器、LCD顯示屏等的訪(fǎng)問(wèn)地址設(shè)置在這個(gè)區(qū)域。

2000H~207FH 該區(qū)域是中斷向量區(qū)、芯片配置字節(jié)區(qū)、保留字區(qū)等，直接映射到Flash ROM中的2000H-207FH。

2080H～8FFFH 用戶(hù)區(qū)，單片機(jī)啟動(dòng)也是從 2080H 處開(kāi)始執(zhí)行程序的，因此把這個(gè)地址范圍直接映射到 Flash ROM 的2080H～8FFFH,該區(qū)域設(shè)置系統(tǒng)的引導(dǎo)、初始化等程序。

9000H～FFFFH 用戶(hù)區(qū)，將這一段映射到 RAM 的9000H～FFFFH，作為系統(tǒng)程序的運(yùn)行區(qū)域。

    上面的分配方案可以通過(guò)對(duì)地址總線(xiàn)進(jìn)行譯碼生成相應(yīng)的片選信號(hào)／CSl和／CS2來(lái)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。

圖4中白色區(qū)域是單片機(jī)通過(guò)總線(xiàn)直接尋址的區(qū)域，可以由單片機(jī)直接進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。灰色區(qū)域?yàn)閮?nèi)存的擴(kuò)展區(qū)域，不能被單片機(jī)直接訪(fǎng)問(wèn)，但可以通過(guò)前面介紹的方法由EPLD生成地址進(jìn)行讀寫(xiě)操作。下面簡(jiǎn)要介紹一下各個(gè)區(qū)域在實(shí)際中的用途：Flash ROM中的0000H~1FFH和1F00H～1FFFH因?yàn)槿萘亢苄?，沒(méi)有被利用。系統(tǒng)啟動(dòng)后從Flash ROM的2080H處開(kāi)始執(zhí)行程序，將2000H~8FFFH的內(nèi)容復(fù)制到RAM中的9000H~FFFFH，然后跳轉(zhuǎn)到RAM中執(zhí)行系統(tǒng)程序。由于Hash ROM的速度慢，需要在讀寫(xiě)過(guò)程中插入一定量的等待周期，因此將程序復(fù)制到RAM中執(zhí)行可以提高系統(tǒng)的性能；同時(shí)系統(tǒng)在對(duì)Flash ROM進(jìn)行寫(xiě)入操作后，編程階段的10ms內(nèi)不能對(duì)其進(jìn)行讀取，因此RAM在這個(gè)時(shí)候也提供了程序運(yùn)行的位置。這樣分配后，程序的長(zhǎng)度被限制在28K字節(jié)，實(shí)際中這個(gè)數(shù)量完全可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的需求。Hash ROM中的9000~FFFFH共28K字節(jié)，用來(lái)保存4段系統(tǒng)運(yùn)行配置程序，每段長(zhǎng)度可達(dá)7K字節(jié)；10000H-

1FFFFH共64K字節(jié)，用來(lái)作為采集數(shù)據(jù)的保存區(qū)域。RAM中的0000H~8FFFH共36K字節(jié)，用來(lái)作為數(shù)據(jù)的緩存區(qū)域。從上面的分析可以看出，最終設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)都已經(jīng)超過(guò)實(shí)際的需求，能很好地解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。

4 合理利用日EADY信號(hào)

最后介紹一下單片機(jī)就緒信號(hào)READY在這個(gè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用。從前面的設(shè)計(jì)中可以看出系統(tǒng)存在著高速RAM和慢速Hash ROM存儲(chǔ)器，開(kāi)始時(shí)，Hash ROM選用了AT29C1024-70JCt31，它是該型號(hào)中速度最快的，有效數(shù)據(jù)建立時(shí)間僅為70ns。單片機(jī)不插入等待周期的讀寫(xiě)時(shí)序，如圖5所示。

從ALE下降沿地址有效到／RD上升沿的時(shí)間是80ns，Hash的響應(yīng)時(shí)間為70ns，再加上EPLD的延時(shí)就造成了單片機(jī)從Hash ROM讀取數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定，表現(xiàn)在無(wú)法對(duì)Flash ROM進(jìn)行在線(xiàn)寫(xiě)入、經(jīng)常發(fā)生錯(cuò)誤的執(zhí)行結(jié)果、死機(jī)等。為此必須加入等待周期，延長(zhǎng)讀、寫(xiě)時(shí)間才能滿(mǎn)足Hash ROM的要求。在這里只需插入一個(gè)等待周期(100ns)便可以滿(mǎn)足要求，因此設(shè)置芯片配置字節(jié)CCR．5=0，CCR．4；0[1]。這樣，當(dāng)READY信號(hào)為低電平時(shí)便自動(dòng)插入且僅插入一個(gè)等待周期。一個(gè)簡(jiǎn)單的做法就是把Flash ROM的片選信號(hào)／CS2連接到READY，這樣，當(dāng)選中Flash ROM芯片時(shí)READY信號(hào)就跟隨／CS2同時(shí)變?yōu)榈碗娖?。按照這樣的設(shè)想可在EPLD內(nèi)部重新設(shè)置READY信號(hào)，描述如下：

ready=!(((a[15．．0]>=H"0200")&(a [15．．0]<：=H"1EFF"))

#((a[15．．0]>=H"2000")&(a[15．．0]<=H"8FFF"))#(a[15．．0]= =Address_F_R)

#(a[15．．0]= =Address_F_W)&! ALE)

    可是實(shí)際故障依舊，通過(guò)測(cè)試得到的時(shí)序信號(hào)如圖6所示。

READY信號(hào)的產(chǎn)生落后ALE下降沿5ns，造成READY信號(hào)產(chǎn)生無(wú)效，解決這個(gè)問(wèn)題的唯一方法是提前生成READY信號(hào)。實(shí)際中有效地址是在ALE下降沿鎖存后產(chǎn)生的，這也是READY信號(hào)產(chǎn)生表達(dá)式中最后一項(xiàng)的來(lái)源，但是考慮到地址的產(chǎn)生應(yīng)該發(fā)生在ALE下降沿之前，以保證鎖存到正確的地址。因此大膽設(shè)想讓READY信號(hào)的產(chǎn)生不再受ALE的控制，只要總線(xiàn)上產(chǎn)生地址就可以作出判斷，從而提前生成READY信號(hào)。但這樣的做法破壞了同步時(shí)序，而且異步生成READY信號(hào)容易產(chǎn)生冒險(xiǎn)現(xiàn)象。通過(guò)分析，可以發(fā)現(xiàn)異步生成

READY信號(hào)并不會(huì)帶來(lái)任何不穩(wěn)定因素，因此修改READY信號(hào)如下：

ready=!(((a[15..0]>=H"0200")&(a[15．．0]<=H"1EFF"))

#((a[15．．0]>=H"2000")&(a[15．．0]<=H"8FFF"))

#(a[15．．0)= =Address_F_R)

#(a[15．．0]= =Address_F_W)

即去掉了對(duì)地址有效信號(hào)ALE的判斷。修改后系統(tǒng)工作穩(wěn)定、正常。修改后對(duì)Hash ROM的讀寫(xiě)時(shí)序如圖7所示，而對(duì)RAM讀寫(xiě)的時(shí)序依舊是圖6，目的達(dá)到。考慮到插入一個(gè)等待周期后大大增加了讀寫(xiě)時(shí)間，因此將AT29C1024-70JC換成廉價(jià)的AT29C1024-12JC(有效數(shù)據(jù)建立時(shí)間為120ns)[3]，系統(tǒng)依然能夠穩(wěn)定工作。通過(guò)使用，證明這種存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)方案是可行的。

    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(wèn)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(wèn)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)。