基于PLD的嵌入式系統外存模塊設計

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尤其是數據采集、存儲等系統中存在的存儲空間不足問(wèn)題。該方案具有通用性強、讀寫(xiě)控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，具有很強的實(shí)用性。

在嵌入式系統中，由于設計成本和體積等因素的限制，往往會(huì )使CPU(包括DSP、單片機等)存在地址空間不足的問(wèn)題。很多文獻(如參考文獻［1］都有相關(guān)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，利用這些信號將內存分頁(yè)，但當頁(yè)間跳轉時(shí)將給程序設計帶來(lái)不便。對于沒(méi)有內部存儲器并且采用統一編址的CPU，如80C196KC20［1］，這種頁(yè)間切換將造成CPU無(wú)法繼續執行當前程序而產(chǎn)生錯誤(見(jiàn)圖1)。在CPU執行頁(yè)面切換操作后，本應該繼續執行頁(yè)面1的指令，可是卻錯誤地執行了頁(yè)面2中的相應指令，這種結果不是所需要的。因此尋找一個(gè)有效的存儲器擴展方法是實(shí)際應用中亟待解決的問(wèn)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，64K字節的存儲空間用來(lái)存放程序能滿(mǎn)足絕大多數的使用需求(通常用戶(hù)的應用程序不到10K字節)，但如果使用其進(jìn)行數據存儲控制，則會(huì )帶來(lái)存儲空間上的嚴重不足。通過(guò)對實(shí)際應用的統計分析發(fā)現，在很多情況下，數據的

存取僅限于順序的連續操作。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以對數據存儲空間進(jìn)行簡(jiǎn)化設計，具體的說(shuō)就是通過(guò)對同一個(gè)地址連續讀或者連續寫(xiě)來(lái)進(jìn)行批量數據的存取，從而節省地址空間。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(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存最大擴展到2G字(2的31次方)，但這樣的設計同時(shí)也帶來(lái)了諸多邏輯控制上的困難。隨著(zhù)可編程邏輯器件(PLD)包括FPGA、EPLDE4［4］、CPLD等的迅速發(fā)展，數字邏輯電路的設計得到了大大簡(jiǎn)化，從而使這種存儲器擴展想法可以得到實(shí)現。

2 存儲器擴展方法的具體實(shí)現

下面以筆者設計的系統為例來(lái)詳細說(shuō)明這種存儲器擴展方法的實(shí)現。該系統是一個(gè)多功能數據采集設備，能夠以最高40k次／s的速率進(jìn)行12位A／D轉換，并且可以將采集到的數據保存至Flash ROM中，以防止掉電丟失。技術(shù)參數要求如下：①最多可以保存32K字節的采樣數據；②可以同時(shí)存儲4段系統工作配置程序，每段4K字節，共計16K字節；③由于Flash ROM自身的特點(diǎn)，在寫(xiě)人數據后的編程階段不能進(jìn)行讀寫(xiě)操作，因此為了保證系統采樣和單片機運行的正常進(jìn)行，需要額外增加32K字節的RAM作為數據緩存；④系統程序、中斷服務(wù)程序等共占用56K字節(Flash ROM和RAM各保留28K字節)，總計需要存儲空間136K字節。這個(gè)需求已經(jīng)超過(guò)96系列單片機的64K字節尋址范圍，為此設計了一個(gè)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，數據線(xiàn)寬度為16位；RAM存儲器由兩片CY7C199組成，數據線(xiàn)寬度為16位，容量為64K字節。80C196單片機的ALE為地址鎖存信號，／WE為寫(xiě)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，為了提高系統的性能，選擇16位工作模式。96系列單片機地址是按照字節的方式來(lái)計算的，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。 clock信號要保證在寫(xiě)Address_F_RP地址修改讀取位置時(shí)，或讀Address_F_R地址取數據時(shí)都能產(chǎn)生上升沿信號?？偩€(xiàn)a0-a15和D0~D15分別是由AD0-AD15分離出來(lái)的地址和數據總線(xiàn)。多路選擇器則根據地址譯碼產(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，即單片機直接訪(fǎng)問(wèn)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(dòng)地在不同存儲區域進(jìn)行切換，從而大大地增加了內存的擴充能力，并且簡(jiǎn)化了程序設計。運用同樣的方法還可以定義FlashROM中的數據塊寫(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數據塊讀地址)、Address_R_RP(RAM數據塊的讀位置指針地址)、Address_R_W(RAM數據塊寫(xiě)地址)和Address_R_WP(RAM數據塊的寫(xiě)位置指針地址)。這樣可以方便地對內存的擴展部分進(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口連續采集數據，然后存放到RAM中指定的數據塊等待處理，則可以寫(xiě)出如下程序： 從上面這個(gè)簡(jiǎn)單的例子可以看出，這種存儲器組織方法大大簡(jiǎn)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(lái)實(shí)現對擴展存儲器中任何一個(gè)位置的讀寫(xiě)操作。 上面的分配方案可以通過(guò)對地址總線(xiàn)進(jìn)行譯碼生成相應的片選信號／CSl和／CS2來(lái)實(shí)現。這樣分配后，Flash ROM 和 RAM 的使用情況如圖4所示。 可是實(shí)際故障依舊，通過(guò)測試得到的時(shí)序信號如圖6所示。 前面詳細地介紹了一種實(shí)用的存儲器擴展方法，該方法是基于PLD器件實(shí)現的，有效地解決了嵌入式系統，尤其是數據采集、存儲系統中內存擴展的問(wèn)題。該方法能夠簡(jiǎn)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(shí)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。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(wèn)題，最終設計成了一套較為完善的CPU外部存儲器系統。

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(shí)的地址數據總線(xiàn)分開(kāi)，生成獨立的地址和數據總線(xiàn)。在這里定義了兩個(gè)特殊的地址：Flash ROM數據塊的讀地址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，該數代表了將要讀取的數據塊的首地址，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；然后連續地從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)入新的位置數據即可。該功能在EPLD器件內部的實(shí)現方法見(jiàn)圖3。計數器可同步設置初值、同步計數，在A(yíng)HDL語(yǔ)言中聲明為1pm_counter［5］。其中，CNT_EN為計數使能控制，當CNT_EN為高電平時(shí)，每當CLOCK上升沿到來(lái)時(shí)計數器便會(huì )自動(dòng)加一，從而實(shí)現了地址自動(dòng)增加的功能；CLOCK為同步時(shí)鐘輸入端，上升沿有效；SLOAD為計數器同步設置初值信號，當該信號為高電平時(shí)，在CLOCK上升沿的作用下，計數器的輸出Q［15．．0]=D［15．．0]，從而實(shí)現初始化讀取位置的功能。計數器用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]；

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；設置寫(xiě)位置指針

REPEAT：

LDB 40H，IOPORT0

LDB 41H，IOPORTO；40H和41H為內部寄存器，因為按字存儲所以連續讀兩次

ST 40H，Address_R_W ；寫(xiě)入指定位置條件判斷退出循環(huán)

JMP REPEAT