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基于PLD的嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)尤其是數(shù)據(jù)采集、存儲等系統(tǒng)中存在的存儲空間不足問題。該方案具有通用性強、讀寫控制簡單等特點，具有很強的實用性。在嵌入式系統(tǒng)中，由于設計成本和體積等因素的限制，往往會使CPU(包括DSP、單片機等)存在地址空間不足的問題。很多文獻(如參考文獻［1］都有相關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接口產生片選或者高位地址信號，
利用這些信號將內存分頁，但當頁間跳轉時將給程序設計帶來不便。對于沒有內部存儲器并且采用統(tǒng)一編址的CPU，如80C196KC20［1］，這種頁間切換將造成CPU無法繼續(xù)執(zhí)行當前程序而產生錯誤(見圖1)。在CPU執(zhí)行頁面切換操作后，本應該繼續(xù)執(zhí)行頁面1的指令，可是卻錯誤地執(zhí)行了頁面2中的相應指令，這種結果不是所需要的。因此尋找一個有效的存儲器擴展方法是實際應用中亟待解決的問題。
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(xiàn)，64K字節(jié)的存儲空間用來存放程序能滿足絕大多數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的
存取僅限于順序的連續(xù)操作。利用這個特點，可以對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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、EPLDE4［4］、CPLD等的迅速發(fā)展，數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)保存至Flash ROM中，以防止掉電丟失。技術參數(shù)要求如下：①最多可以保存32K字節(jié)的采樣數(shù)據(jù)；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，在寫人數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jīng)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。
圖2
Flash ROM采用ATMEL公司的AT29C1024，容量為128K字節(jié)，數(shù)據(jù)線寬度為16位；RAM存儲器由兩片CY7C199組成，數(shù)據(jù)線寬度為16位，容量為64K字節(jié)。80C196單片機的ALE為地址鎖存信號，／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(jīng)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(shù)據(jù)總線分開，生成獨立的地址和數(shù)據(jù)總線。在這里定義了兩個特殊的地址：Flash ROM數(shù)據(jù)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寫入一個16位的二進制數(shù)，該數(shù)代表了將要讀取的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)即可。該功能在EPLD器件內部的實現(xiàn)方法見圖3。計數(shù)器可同步設置初值、同步計數(shù)，在AHDL語言中聲明為1pm_counter［5］。其中，CNT_EN為計數(shù)使能控制，當CNT_EN為高電平時，每當CLOCK上升沿到來時計數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)器用AHDL語言描述如下：
counter ： lPm_counter with(1pm_width=16)；
counter.clock=／rd
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