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(xiàn)，64K字節(jié)的存儲空間用來存放程序能滿足絕大多數的使用需求（通常用戶的應用程序不到10K字節(jié)），但如果使用其進行數據存儲控制，則會帶來存儲空間上的嚴重不足。通過對實際應用的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在很多情況下，數據的存取僅限于順序的連續(xù)操作。利用這個特點，可以對數據存儲空間進行簡化設計，具體的說就是通過對同一個地址連續(xù)讀或者連續(xù)寫來進行批量數據的存取，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）的存儲空間映射到兩個地址（一個作為讀取的位置，一個作為寫入的位置），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），但這樣的設計同時也帶來了諸多邏輯控制上的困難。隨著可編程邏輯器件（PLD）包括FPGA、EPLD^[4]、CPLD等的迅速發(fā)展，數字邏輯電路的設計得到了大大簡化，從而使這種存儲器擴展想法可以得到實現(xiàn)。
2 存儲器擴展方法的具體實現(xiàn)
?? ?下面以筆者設計的系統(tǒng)為例來詳細說明這種存儲器擴展方法的實現(xiàn)。該系統(tǒng)是一個多功能數據采集設備，能夠以最高40k次/s的速率進行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。技術參數要求如下：①最多可以保存32K字節(jié)的采樣數據；②可以同時存儲4段系統(tǒng)工作配置程序，每段4K字節(jié)，共計16K字節(jié)；③由于Flash ROM自身的特點，在寫入數據后的編程階段不能進行讀寫操作，因此為了保證系統(tǒng)采樣和單片機運行的正常進行，需要額外增加32K字節(jié)的RAM作為數據緩存；④系統(tǒng)程序、中斷服務程序等共占用56K字節(jié)（Flash ROM和RAM各保留28K字節(jié)），總計需要存儲空間136K字節(jié)。這個需求已經超過96系列單片機的64K字節(jié)尋址范圍，為此設計了一個存儲器模塊，其結構如圖2所示。

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??? Flash ROM采用ATMEL公司的AT29C1024，容量為128K字節(jié)，數據線寬度為16位；RAM存儲器由兩片CY7C199組成，數據線寬度為16位，容量為64K字節(jié)。80C196單片機的ALE為地址鎖存" title="鎖存">鎖存信號，/WE為寫有效信號，/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(tǒng)的性能，選擇16位工作模式。96系列單片機地址是按照字節(jié)的方式來計算的，因此在16位工作模式下的A0=0沒有實際意義。在通常的讀寫情況下，取經過鎖存后的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分時的地址數據總線分開，生成獨立的地址和數據總線。在這里定義了兩個特殊的地址：Flash ROM數據塊" title="數據塊">數據塊的讀地址Address_F_R和讀位置指針地址Address_F_RP。首先向Address_F_RP寫入一個16位的二進制數，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(jié)；然后連續(xù)地從Address_F_R進行讀取操作，每讀一次，位置指針會自動加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地址寫入新的位置數據即可。該功能在EPLD器件內部的實現(xiàn)方法見圖3。計數器可同步設置初值、同步計數，在AHDL語言中聲明為lpm_counter^[5]。其中,CNT_EN為計數使能控制，當CNT_EN為高電平時，每當CLOCK上升沿" title="上升沿">上升沿到來時計數器便會自動加一，從而實現(xiàn)了地址自動增加的功能；CLOCK為同步時鐘輸入端，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，在CLOCK上升沿的作用下，計數器的輸出Q[15..0]=D[15..0]，從而實現(xiàn)初始化讀取位置的功能。計數器用AHDL語言描述如下：
??? counter?:?lpm_counter with (lpm_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];

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??? clock信號要保證在寫Address_F_RP地址修改讀取位置時，或讀Address_F_R地址取數據時都能產生上升沿信號?？偩€a0～a15和D0～D15分別是由AD0～AD15分離出來的地址和數據總線。多路選擇器則根據地址譯碼產生的S0～S3選擇輸出地址，輸出地址直接連接到RAM和Flash ROM的地址線上。如果訪問除Address_F_R和Address_F_RP以外的地址，則地址輸出總線A[15..1]=a[15..1]、A16=0，即單片機直接訪問存儲器；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。這樣就可以自動地在不同存儲區(qū)域進行切換，從而大大地增加了內存的擴充能力，并且簡化了程序設計。運用同樣的方法還可以定義Flash ROM中的數據塊寫入地址Address_F_W和寫位置指針地址Address_F_WP，RAM中也有類似的方法定義Address_R_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數據塊寫地址）和Address_R_WP（RAM數據塊的寫位置指針地址）。這樣可以方便地對內存的擴展部分進行讀寫。下面以MCS-96的匯編語言為例來說明程序中是如何操作的。比如需要從IOPORT0口連續(xù)采集數據，然后存放到RAM中指定的數據塊等待處理，則可以寫出如下程序：
??? LD?40H，地址值? ??；地址值為即將寫入的目的地址，16位按字編址。
??? ST?40H，Address_R_WP? ?；設置寫位置指針
??? REPEAT:
??? LDB?40H，IOPORT0
??? LDB?41H，IOPORT0??? ?；40H和41H為內部寄存器，因為按字存儲所以連續(xù)讀兩次
??? ST?40H，Address_R_W? ；寫入指定位置條件判斷退出循環(huán)
??? JMP?REPEAT
??? 從上面這個簡單的例子可以看出，這種存儲器組織方法大大簡化了編程的復雜性，并且可以采用對位置指針賦初值的方法來實現(xiàn)對擴展存儲器中任何一個位置的讀寫操作。
3 地址分配
?? ?有了上面的" title="面的">面的存儲器擴展方法，再結合系統(tǒng)的技術參數和單片機的特點，就可以做出一套合理的內存地址分配方案。下面給出單片機的地址劃分情況：
??? 0000H～01FFH 系統(tǒng)寄存器區(qū)，保留
??? 0200H～1EFFH 用戶區(qū)，直接映射到Flash ROM中的0200H～1EFFH，可以用來存放數據、程序等，該區(qū)域可以由單片機直接進行尋址。
??? 1F00H～1FFFH 用戶區(qū)，實際使用中把Address_R_R、Address_F_WP等地址以及一些特殊設備如A/D轉換器、LCD顯示屏等的訪問地址設置在這個區(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 用戶區(qū)，單片機啟動也是從2080H處開始執(zhí)行程序的，因此把這個地址范圍直接映射到Flash ROM的2080H～8FFFH，該區(qū)域設置系統(tǒng)的引導、初始化等程序。
??? 9000H～FFFFH 用戶區(qū)，將這一段映射到RAM的9000H～FFFFH，作為系統(tǒng)程序的運行區(qū)域。
??? 上面的分配方案可以通過對地址總線進行譯碼生成相應的片選信號 /CS1和 /CS2來實現(xiàn)。這樣分配后，F(xiàn)lash ROM和RAM的使用情況如圖4所示。

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??? 圖4中白色區(qū)域是單片機通過總線直接尋址的區(qū)域，可以由單片機直接進行訪問?；疑珔^(qū)域為內存的擴展區(qū)域,不能被單片機直接訪問，但可以通過前面介紹的方法由EPLD生成地址進行讀寫操作。下面簡要介紹一下各個區(qū)域在實際中的用途：Flash ROM中的0000H～1FFH和1F00H～1FFFH因為容量很小，沒有被利用。系統(tǒng)啟動后從Flash ROM的2080H處開始執(zhí)行程序，將2000H～8FFFH的內容復制到RAM中的9000H～FFFFH，然后跳轉到RAM中執(zhí)行系統(tǒng)程序。由于Flash ROM的速度慢，需要在讀寫過程中插入一定量的等待周期，因此將程序復制到RAM中執(zhí)行可以提高系統(tǒng)的性能；同時系統(tǒng)在對Flash ROM進行寫入操作后，編程階段的10ms內不能對其進行讀取，因此RAM在這個時候也提供了程序運行的位置。這樣分配后，程序的長度被限制在28K字節(jié)，實際中這個數量完全可以滿足系統(tǒng)的需求。Flash ROM中的9000~FFFFH共28K字節(jié)，用來保存4段系統(tǒng)運行配置程序，每段長度可達7K字節(jié)；10000H~1FFFFH共64K字節(jié)，用來作為采集數據的保存區(qū)域。RAM中的0000H~8FFFH共36K字節(jié)，用來作為數據的緩存區(qū)域。從上面的分析可以看出，最終設計的各項指標都已經超過實際的需求，能很好地解決實際應用問題。
4 合理利用READY信號
??? 最后介紹一下單片機就緒信號READY在這個系統(tǒng)中的關鍵作用。從前面的設計中可以看出系統(tǒng)存在著高速RAM和慢速Flash ROM存儲器，開始時，F(xiàn)lash ROM選用了AT29C1024－70JC^[3]，它是該型號中速度最快的，有效數據建立時間僅為70ns。單片機不插入等待周期的讀寫時序，如圖5所示。

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??? 從ALE下降沿地址有效到／RD上升沿的時間是80ns，F(xiàn)lash的響應時間為70ns，再加上EPLD的延時就造成了單片機從Flash ROM讀取數據的不穩(wěn)定，表現(xiàn)在無法對Flash ROM進行在線寫入、經常發(fā)生錯誤的執(zhí)行結果、死機等。為此必須加入等待周期，延長讀、寫時間才能滿足Flash ROM的要求。在這里只需插入一個等待周期（100ns）便可以滿足要求，因此設置芯片配置字節(jié)CCR.5＝0，CCR.4＝0^[1]。這樣，當READY信號為低電平時便自動插入且僅插入一個等待周期。一個簡單的做法就是把Flash ROM的片選信號 /CS2連接到READY，這樣，當選中Flash ROM芯片時READY信號就跟隨 /CS2同時變?yōu)榈碗娖?。按照這樣的設想可在EPLD內部重新設置READY信號，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)
??? 可是實際故障依舊，通過測試得到的時序信號如圖6所示。

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??? READY信號的產生落后ALE下降沿5ns，造成READY信號產生無效，解決這個問題的唯一方法是提前生成READY信號。實際中有效地址是在ALE下降沿鎖存后產生的，這也是READY信號產生表達式中最后一項的來源，但是考慮到地址的產生應該發(fā)生在ALE下降沿之前，以保證鎖存到正確的地址。因此大膽設想讓READY信號的產生不再受ALE的控制，只要總線上產生地址就可以作出判斷，從而提前生成READY信號。但這樣的做法破壞了同步時序，而且異步生成READY信號容易產生冒險現(xiàn)象。通過分析，可以發(fā)現(xiàn)異步生成READY信號并不會帶來任何不穩(wěn)定因素，因此修改READY信號如下：
??? 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)
??? 即去掉了對地址有效信號ALE的判斷。修改后系統(tǒng)工作穩(wěn)定、正常。修改后對Flash ROM的讀寫時序如圖7所示，而對RAM讀寫的時序依舊是圖6，目的達到。考慮到插入一個等待周期后大大增加了讀寫時間，因此將AT29C1024-70JC換成廉價的AT29C1024-12JC（有效數據建立時間為120ns）^[3]，系統(tǒng)依然能夠穩(wěn)定工作。通過使用，證明這種存儲器設計方案是可行的。

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