采用段式管理的大容量外部RAM擴(kuò)展技術(shù)

MCS96系列單片機(jī)是一種16位字長，比MCS51系列單片機(jī)功能更全、性能更高的單片機(jī)，在儀器儀表、過程控制等領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。在采用MCS96系列單片機(jī)的應(yīng)用開發(fā)中，我們碰到一個難題：當(dāng)需要大容量的數(shù)據(jù)存儲時，數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展如采用與MCS51系列單片機(jī)同樣的方法則無法工作。因?yàn)槠鋬?nèi)存體系結(jié)構(gòu)采用程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址的普林斯頓結(jié)構(gòu)，程序存儲器的地址與數(shù)據(jù)存儲器的地址不能相同；而MCS51系列單片機(jī)采用程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開編址的哈佛結(jié)構(gòu)，程序存儲器的地址與數(shù)據(jù)存儲器的地址不沖突，可以相同，因而其數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展容易，而且整個數(shù)據(jù)存儲器地址空間連續(xù)。MCS96系列單片機(jī)的普林斯頓內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)決定了不能簡單采用與MCS51系列單片機(jī)相同的數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展技術(shù)。本文針對MCS96系列單片機(jī)的內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給出一種段式管理的大容量的數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展技術(shù)。

1 段式管理的大容量數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展技術(shù)

設(shè)計(jì)思想概述：針對MCS96系列單片機(jī)的存儲結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可看出擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器的低16位地址不能與程序存儲器的地址相同，因此，必須從MCS96系列單片機(jī)的內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)中找出一個專門的區(qū)域。本文將此區(qū)域定義為段，對其進(jìn)行擴(kuò)展，通過各段的高地址來區(qū)分不同段。由于各段的實(shí)際物理地址是不相連的，從用戶角度看，直接使用物理地址編程很麻煩，因此設(shè)計(jì)一個邏輯段表來管理，并且設(shè)計(jì)一個簡單的子程序來完成邏輯地址與物理地址的轉(zhuǎn)換，從而便于用戶編程。具體過程如下。

1.1 段的設(shè)置區(qū)域

根據(jù)圖1所示MCS96系列單片機(jī)的內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)分配圖可以看出，0100H～1FFDH，4000H～0FFFFH兩個區(qū)域可以給外部存儲器及I/O口使用。0100H～1FFDH的區(qū)域較小，考慮到一般應(yīng)用系統(tǒng)的程序較短，只有同KB，I/O口地址更少，因而可以將此區(qū)域分析給外部程序存儲器與I/O 口。4000H～0FFFFH區(qū)域分配給外部數(shù)據(jù)存儲器。由于一般數(shù)據(jù)存儲順芯片的存儲地址容量為2NKB（N為大于零的整數(shù)），因此，這48KB的區(qū)域可以劃分為32KB與16KB的兩個區(qū)間。如果要求大容量存儲地址空間，則可以把以上48KB的區(qū)域整個看成一個段，或者將區(qū)域的一部分看成一個段，多設(shè)置幾個這樣的段就可以解決。

1.2 段的存儲空間的最佳設(shè)置

由于段的空間的設(shè)置區(qū)域在4000H～0FFFFH的48KB的存儲地址空間，因而有三種段的存儲地址空間大小的設(shè)置方案。
①每段設(shè)為起始地址相同的32KB；
②每段都設(shè)為48KB；
③一些段設(shè)為48KB；一些段設(shè)為32KB。

由于方案2與3采用32KB的存儲區(qū)間與16KB的存儲區(qū)間組成段，因而在硬件設(shè)計(jì)方面使地址譯碼器與存儲器的連接復(fù)雜，更不便于對各段存取管理，尤其對于數(shù)據(jù)存儲器采用單個大容量的EEPROM或FLASH RAM時，硬件設(shè)計(jì)更是困難；而方案1則只采用32KB的芯片組成段，而且起始地址相同，對于數(shù)據(jù)存儲器采用多個32KB的RAM芯片，或者數(shù)據(jù)存儲器采用單個大容量的EEPROM或FLASH RAM芯片中（可在其內(nèi)部劃分為多個32KB段），在硬件設(shè)計(jì)方面非常簡單，也便于用邏輯段表進(jìn)行存取管理。因而要用方案1，即段的存儲空間大小的最佳設(shè)置為32KB。

1.3 段的存取控制

1.3.1 存儲器邏輯段與物理段的關(guān)系

由于段的存儲地址空間大小的最佳設(shè)置為32KB，各段的實(shí)際物理地址為物理段號加上物理段內(nèi)地址，因此，可設(shè)物理段號的存儲單元為8bit。這樣，整個擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器容量為256×32KB，即8MB，對于一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足了。由于各物理段之間地址不連續(xù)，用戶直接使用物理地址編程不方便，因而要采用連續(xù)的邏輯地址供用戶使用，來對各物理段訪問。邏輯地址分為邏輯段號與邏輯偏移地址兩部分，邏輯段號的存儲單元也為8bit，但由于邏輯偏移地址為16bit，因而一個邏輯段的大小為64KB，地址從0000H～0FFFFH，即1個邏輯段與2個物理段相對應(yīng)，所以邏輯段的個數(shù)為實(shí)際物理段的個數(shù)的一半。對物理段與邏輯段進(jìn)行編號，設(shè)邏輯段的個數(shù)為N個，編號為0，1，2，…，N-1，可以用圖2來表示二者的對應(yīng)關(guān)系。