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?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/80C51">80C51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Oregano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。

圖1 RAM地址傳遞控制

　　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,送入譯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。