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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。
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
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