80C51原始IP核內部RAM的擴展方案

　　引 言

　　80C51系列單片機是一類(lèi)經(jīng)典的8位微處理器，其設計方法和體系結構一直是其他各類(lèi)單片機設計的參考典范，自從20世紀80年代面世以后，得到了極大的發(fā)展與應用。直到今天，市場(chǎng)上還有一大部分單片機應用成品將其作為處理核心?；?0C51系列單片機無(wú)知識產(chǎn)權保護、市場(chǎng)應用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，對其進(jìn)行功能拓展，既有利于經(jīng)濟上節約成本，也有利于成果的推廣使用。而隨著(zhù)單片機應用日趨復雜化，傳統的51系列單片機在設計上的不足逐漸顯現出來(lái)。如在現有128字節內部RAM基礎上，處理一些比較復雜的算法就顯不足。鑒于此，本文在Oreg-ano公司設計的8051 IP核(即下述MC8051)基礎上，進(jìn)行了對其內部RAM高128字節擴展。給出一種新的擴展設計方法，實(shí)現了對與一般RAM區地址空間相連的高128字節的間接尋址操作，并以此為基礎，對內部RAM進(jìn)行了可達64 KB的擴展實(shí)現，通過(guò)了相應的軟硬件仿真測試。

　　1 對MC8051高位128字節的擴展設計

　　對MC8051高位128字節的擴展設計主要分3個(gè)方面加以說(shuō)明：一是傳統80C51系列的內部基本結構；二是高128字節的尋址方式；三是對IP核內部的RAM地址選擇控制。

　　1.1 傳統80C51系列的內部基本結構

　　80C51是經(jīng)典的單片機系列，具有典型的單片機體系結構，由CPU系統、ROM、RAM、I／O口以及特殊功能寄存器SFR、2個(gè)16位定時(shí)／計數器、5個(gè)中斷源和1個(gè)串口組成。針對本文所要討論的內容，這里介紹一下80C51存儲結構和尋址方式：80C51系列單片機存儲器結構采用哈佛型結構，物理上共分片內外程序存儲器、片內外數據存儲器4個(gè)存儲空間。對于數據存儲器，片內外數據存儲器地址彼此獨立，指令尋址各自不同，這里主要關(guān)注片內數據存儲單元的結構。

　　8051單片機共有7種尋址方式，這里只對其中3種作一下簡(jiǎn)要介紹：立即尋址，操作碼后的一個(gè)字節就是實(shí)際操作數本身；寄存器尋址，操作碼后為某一寄存器編號，寄存器的內容為操作數；寄存器間接尋址，其與寄存器尋址的區別在于前者寄存器中的內容就是操作數，而后者寄存器中的內容為操作數地址，此地址指向的寄存器中存入的數據才是實(shí)際操作數本身。

　　1.2 高128字節的尋址方式

　　由前面介紹內容可知，MC8051內部RAM分為地址相連、功能不同的兩部分：低128字節的內部用戶(hù)RAM區和高128字節的特殊功能寄存器區(SFR)。這兩部分均可用寄存器直接、間接尋址方式進(jìn)行尋址操作。經(jīng)過(guò)設計修改的8051，低128字節的功能和操作方式完全不變，對其高128字節，分為地址重疊和功能不同的兩部分，以不同的尋址方式加以區別，控制操作。高128字節如果作為內部用戶(hù)RAM使用，只可以通過(guò)寄存器R0、R1進(jìn)行尋址，以地址為85H的寄存器單元為例，若此時(shí)85H作為SFR，則用命令“MOV 85H，#33H”；若此時(shí)作為一般內部用戶(hù)RAM單元，則用命令：

　　MOV R0，#85H

　　MOV @R0，#33H

　　在MC8051中，寄存器R0、R1只應用于寄存器間接尋址使用，即R0、R1中存儲的內容為間接尋址中操作數的地址。對高128地址空間，如果作為一般的RAM寄存區使用，只采用間接尋址；如果作為特殊功能寄存器區(SFR)，則采取除間接尋址外的其他尋址方式。這樣就可以通過(guò)只對．R0、R1中內容進(jìn)行條件判定，確定是否觸發(fā)對高128地址空間進(jìn)行一般RAM數據操作。

　　1.3 IP核內部的RAM地址選擇控制

　　在MC8051中，對低128字節用戶(hù)RAM區的讀寫(xiě)有專(zhuān)門(mén)的地址輸出ram_address_out。由于1個(gè)字節的尋址長(cháng)度為256，所以ram_addreSS_out只取內部地址s_adr低7位，即ram_address_out<=s_adr(6 downto 0)，輔以RAM寫(xiě)使能控制，實(shí)現對低128字節的讀寫(xiě)。這里由于要對RAM區擴展成為256字節，所以用戶(hù)RAM區的地址應該可以尋址256字節長(cháng)度。這就要求對IP核中對RAM區的地址傳遞有相應的修改，修改后地址的具體傳遞過(guò)程如圖1所示。

　　一個(gè)完整的執行過(guò)程如下所述：首先CPU從ROM讀取指令，然后到內部狀態(tài)機進(jìn)行指令解釋?zhuān)腿胱g碼器執行具體的數據和地址的存取操作(譯碼器中通過(guò)地址多路選擇器adr__mux和數據多路選擇器data_mux來(lái)實(shí)現對地址和數據的控制)。如果此時(shí)命令不涉及寄存器間接尋址，由圖1可知，取到的RAM地址就是一般8051的執行結果。如果此時(shí)進(jìn)行寄存器間接尋址，則可分為兩種情況：一是對高128字節的間接尋址，此時(shí)的操作目的，是要對高128字節進(jìn)行一般RAM的數據操作；二是除第一種情況外的一般寄存器間接尋址操作。由于SFR不能使用寄存器間接尋址，所以這兩種情況可以根據R0、R1中存儲的地址的最高位進(jìn)行判別。

　　第一種情況：最高位為“1”時(shí)，說(shuō)明高128字節(80H～FFH)作為一般RAM來(lái)使用，此時(shí)把R0、R1中的地址賦給RAM地址，同時(shí)置RAM使能控制ram_write_en為“1”，實(shí)現對某一高位地址的寫(xiě)操作。還以85H為例，執行指令“MOVR0，#85H”，R0中內容變?yōu)?5H，然后執行“MOV @R0，#33H”，此時(shí)R0用作間接寄存器，進(jìn)行間接尋址，且寄存器中的字節最高位為“1”，對RAM區操作的地址就是間接寄存器中寄存的地址85H，從而實(shí)現對85H的數據存儲。

　　第二種情況：最高位為“0”時(shí)，說(shuō)明只是對低128字節進(jìn)行間接尋址操作，執行過(guò)程如一般8051。

　　2 64 KB內部RAM的擴展設計

　　通過(guò)對一個(gè)特殊移存器(選取84H，記為SRAM0)的軟件配置，在高128字節內部RAM擴展設計的基礎上，可以實(shí)現內部64 KB RAM的擴展。在對高128字節內部RAM的擴展設計中，通過(guò)對s_address_ram最高位進(jìn)行判斷，確定地址信號s_address1，進(jìn)而作為內部RAM地址ram_address_out輸出。以這個(gè)方法為基礎，將ram_address_out改為16位長(cháng)，SRAM0中內容與s_address1的值并置作為ram_address_out輸出，即ram_address_out<=SRAM0&s_address1，可以實(shí)現對內部RAM 64 KB的擴展。此時(shí)對數據進(jìn)行存取時(shí)，每次對84H賦值后，CPU對數據進(jìn)行存取，對64 KB內部RAM的尋址，就相當于以SRAM0為頁(yè)地址指針，以256字節為頁(yè)深度進(jìn)行頁(yè)面尋址操作。相比較于以XRAM作為數據存儲區，本設計有兩個(gè)優(yōu)勢：其一，除SRAM0中為全0的情況，其余地址空間均可直接尋址，而XRAM地址空間只能間接尋址，在進(jìn)行大量數據反復存儲調用時(shí)，可以縮短代碼長(cháng)度，有效提高執行速度；其二，由于內部數據傳輸指令MOV大多為單指令周期指令，而外部數據傳輸指令MOVX全部是雙指令周期指令，所以在進(jìn)行大量數據存取時(shí)，執行速度會(huì )有較大提高。

　　3 軟硬件仿真測試

　　采用由Model技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的ModelSim SE 6.0進(jìn)行功能仿真，利用Keil公司的Keil uVision2編寫(xiě)51匯編測試程序，編譯產(chǎn)生可執行文件載入ROM進(jìn)行功能測試，最終的仿真結果與Keil uVision2中編譯執行結果相對照，驗證設計功能的正確性。對設計的測試采取黑盒測試法，測試程序是已有的一些比較復雜的算法，如DES、AES。以DES為例，明密文存取、密鑰生成、中間值暫存和結果都放在高128字節來(lái)處理，僅用到低128字節區的可位尋址區，密文地址空間為90H～97H，明文地址空間為98H～9FH，明文數據為38H、33H、32H、37H、31H、34H、32H、33H，密鑰地址空間為80H～87H，密鑰數據為00H、31H、31H、33H、34H、35H、36H、07H，最后將80H～87H和90H～97H地址空間中的數據結果送入地址空間48H～5FH中，如圖2所示。

　　將二進(jìn)制.dua可執行文件載入ROM，使用ModelSim對其進(jìn)行功能仿真，結果如圖3所示。

　　兩方結果對照：128～135這8個(gè)高位寄存數為：00H、00H、7EH、E1H、CCH、F0H、00H、8EH，144～159這16個(gè)高位寄存數為：26H、33H、21H、3DH、31H、0FH、1DH、 4DH、00H、88H、1EH、5FH、E6H、E7H、21H、F1H，圖中的160～163位，是用于暫存32位圈子密鑰的，這里不作詳細介紹，通過(guò)對照可知結果正確。硬件實(shí)現采用Altera公司的CycloneII系列的EP2C35F672C6器件作為設計載體，在QuartusII 5.0下對系統進(jìn)行編譯綜合下載，使用RS232串口，在每次復位時(shí)，對RAM的明文和初始密鑰進(jìn)行重新配置，利用串口輸出驗證結果。實(shí)驗結果均正確。

　　結 語(yǔ)

　　針對8051現有的RAM內部數據緩存不能滿(mǎn)足實(shí)際應用要求的現況，本文給出了一種新的對內部RAM高128字節的擴展實(shí)現方案，并以此為基礎，對內部RAM進(jìn)行了64 KB的擴展設計；通過(guò)了相應的軟、硬件仿真測試，驗證了設計的正確性。