μPSD中存儲(chǔ)器系統(tǒng)的配置

背景

如果對(duì)ST公司的μPSD器件有一定了解，熟悉MCS-51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理，使用過(guò)PSDSOFT EXPRESS和KEIL開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，將對(duì)理解本文有很大的幫助。

MCS-51單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間與程序存儲(chǔ)器空間互相獨(dú)立。它有16根地址總線，最大尋址能力為64K，這決定程序或數(shù)據(jù)空間不能超過(guò)64K。以上兩點(diǎn)是本文所有討論的前提基礎(chǔ)。

μPSD的存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

μPSD由標(biāo)準(zhǔn)8032核和ST公司的PSD（可編程系統(tǒng)器件）構(gòu)成，存儲(chǔ)器系統(tǒng)包含兩個(gè)主要部分，一是8032的內(nèi)部存儲(chǔ)器資源：256B內(nèi)部RAM和128B內(nèi)部特殊功能寄存器SFR；二是PSD中的存儲(chǔ)器模塊：主/次FLASH存儲(chǔ)器，擴(kuò)展的SRAM及控制PSD的CSIOP（Chip-Select I/O Port，類(lèi)似于8051的SFR）。μPSD的主/次FLASH是完全相同的存儲(chǔ)介質(zhì)（早期的PSD813F1中的次存儲(chǔ)器是EEPROM結(jié)構(gòu)的），是兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器。主FLASH通常分4～8塊，每塊16～32kb；次FLASH通常分2～4塊，一般每塊為8kb。μPSD中使用譯碼可編程譯碼邏輯陣列（DPLD），頁(yè)寄存器PAGE，存儲(chǔ)器控制寄存器VM，聯(lián)合實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器系統(tǒng)的配置。

關(guān)于IAP和分頁(yè)技術(shù)

為什么μPSD中要有兩個(gè)FLASH？簡(jiǎn)單地說(shuō)，這是為了實(shí)現(xiàn)IAP而設(shè)計(jì)的。IAP就是 “在應(yīng)用中編程或升級(jí)代碼”，其原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)中裝有一套用戶程序和一套代碼更新程序。正常情況下，單片機(jī)運(yùn)行的是用戶程序；在需要程序升級(jí)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)切換到代碼更新程序，通過(guò)串口或其他通信口下載新的用戶程序代碼，并寫(xiě)入到原來(lái)的用戶程序存儲(chǔ)器中，更新完成后，再切換回至用戶程序?；贛CS-51系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在同一個(gè)存儲(chǔ)器中運(yùn)行主程序和改寫(xiě)程序是不可能實(shí)現(xiàn)的。所有用MCS-51來(lái)實(shí)現(xiàn)IAP功能的系統(tǒng)都必須有兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器。實(shí)現(xiàn)IAP的難點(diǎn)在于存儲(chǔ)器的切換控制，體現(xiàn)在μPSD中主要就是如何使用VM寄存器以及如何對(duì)存儲(chǔ)器的片選控制。

此外，隨著應(yīng)用要求越來(lái)越高，代碼長(zhǎng)度不斷增加，64K的限制已經(jīng)成為設(shè)計(jì)中的瓶頸。許多軟/硬件供應(yīng)商都竭力推出自己的方案以實(shí)現(xiàn)MCS-51對(duì)大于64K的支持，分頁(yè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

分頁(yè)設(shè)計(jì)中最重要的就是公共區(qū)和分頁(yè)區(qū)的設(shè)置，所謂公共區(qū)就是在所有的頁(yè)面中均為有效的一塊存儲(chǔ)器區(qū)。在程序空間中，64K范圍（1頁(yè)）內(nèi)的程序是連續(xù)的，一旦超過(guò)此范圍，只保留低16位，最高位將被丟棄，程序會(huì)跳回開(kāi)始處運(yùn)行。保證程序在頁(yè)面切換時(shí)不會(huì)“跑飛”就是通過(guò)公共區(qū)實(shí)現(xiàn)的。分頁(yè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法是：當(dāng)程序在調(diào)用位于分頁(yè)區(qū)的程序時(shí)，首先保存返回地址，然后轉(zhuǎn)跳到公共區(qū)執(zhí)行，再修改頁(yè)寄存器到新的頁(yè)號(hào)實(shí)現(xiàn)頁(yè)面的切換，調(diào)用程序，返回到公共區(qū)，恢復(fù)原來(lái)頁(yè)號(hào)，最后從保存的返回地址返回。

公共區(qū)的大小由用戶自行設(shè)定，在μPSD中通常使用主/次FLASH中的一塊或多塊作為公共區(qū)，如使用1塊次FLASH即8KB，2塊次FLSAH即16KB，1塊主FLASH則是32KB，若只想使用主FLASH中的20KB作公共區(qū)也是可行的，只要將主FLASH的地址范圍只定義為20K的范圍就可以了。當(dāng)然，公共區(qū)的大小不能超過(guò)64K。公共區(qū)必須設(shè)在64K范圍的低端，這是因?yàn)镸CS-51中斷入口地址的原因。公共區(qū)中保存所有的公用子程序，中斷服務(wù)程序，全局常數(shù)表以及系統(tǒng)的初始化部分及頁(yè)面切換程序。

μPSD存儲(chǔ)器的空間配置

μPSD中存儲(chǔ)器系統(tǒng)配置主要是對(duì)程序空間的設(shè)置，相對(duì)而言數(shù)據(jù)空間的配置稍微簡(jiǎn)單一點(diǎn)。μPSD中主/次FLASH可設(shè)置為程序或數(shù)據(jù)空間，這是由VM寄存器決定的，VM寄存器的作用如表1所示。VM的內(nèi)容可在運(yùn)行時(shí)由MCU進(jìn)行修改，這是實(shí)現(xiàn)IAP的關(guān)鍵。在PSDSOFT軟件流程中可設(shè)置主/次FLASH為程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序/數(shù)據(jù)混合存儲(chǔ)器，實(shí)際上就是對(duì)VM寄存器上電時(shí)的默認(rèn)值進(jìn)行設(shè)置，換句話說(shuō)，就是確定上電時(shí)主/次FLASH分別位于什么空間。

                           表1  VM寄存器各位作用

表中，“#RD可以/不能訪問(wèn)”是指此存儲(chǔ)器是否位于數(shù)據(jù)空間，“#PSEN可以/不能訪問(wèn)”是指此存儲(chǔ)器是否位于數(shù)據(jù)空間，因?yàn)樵贛CS-51系統(tǒng)中對(duì)外部數(shù)據(jù)/程序空間的訪問(wèn)就是通過(guò)#RD和#PSEN進(jìn)行區(qū)分的。舉例說(shuō)明：

VM=0CH，表示主FLASH位于程序空間，次FLASH位于數(shù)據(jù)空間；

VM=16H，表示主FLASH位于數(shù)據(jù)和程序空間，次FLASH位于程序間。

位0用來(lái)指定SRAM是否位于程序空間，因?yàn)镾RAM只在數(shù)據(jù)空間有效。位7用來(lái)指示外設(shè)IO模式的允許與禁止，具體將在后面介紹。圖1可幫助對(duì)VM寄存器作用的理解。

圖1 μPSD中存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，VM位0～4與#RD、#PSEN聯(lián)合實(shí)現(xiàn)對(duì)主/次FLASH及SRAM的選擇。這里是通過(guò)輸出允許#OE信號(hào)進(jìn)行控制的，也就是說(shuō)即使存儲(chǔ)器的地址有效（CS有效），如果#OE無(wú)效，也不能訪問(wèn)到此存儲(chǔ)器的內(nèi)容。主/次FLASH的#OE有兩個(gè)有效輸入項(xiàng)，由VM位3/4控制#RD是否起作用，VM的1/2位來(lái)控制#PSEN是否起作用。在VM的各位確定后，可依圖1畫(huà)出簡(jiǎn)化的配置結(jié)構(gòu)。這里的#OE信號(hào)是對(duì)主/次FLASH的每一塊同時(shí)有效的。

在實(shí)現(xiàn)IAP時(shí)，通過(guò)VM來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)主/次FLASH的空間進(jìn)行換，例如，主FLASH作用戶程序，次FLASH用作升級(jí)程序；正常工作時(shí)，主FLASH作程序空間，運(yùn)行用戶代碼，在進(jìn)行程序升級(jí)時(shí)，將次FLASH切換作程序空間，并運(yùn)行次FLASH中的升級(jí)程序，再把主FLASH換到數(shù)據(jù)空間，對(duì)主FLASH中的用戶代碼進(jìn)行更新。

μPSD存儲(chǔ)器的地址配置

μPSD中對(duì)存儲(chǔ)器地址分配需遵守以下規(guī)則：
規(guī)則1．主/次FLASH塊FS0～FS7，CSBOOT0～CSBOOT3的地址范圍不能大于其物理尺寸；

規(guī)則2．主FLASH塊FS0～FS7之間地址不能重疊；

規(guī)則3．次FLASH塊CSBOOT0～CSBOOT3之間地址不能重疊；

規(guī)則4．SRAM、I/O、外設(shè)I/O地址不能重疊；

規(guī)則5．主FLASH，次FLASH和SRAM，I/O，外設(shè)I/O，若地址重疊，存儲(chǔ)器有效優(yōu)先級(jí)為SRAM、I/O、外設(shè)I/O最高，次FLASH次之，主FLASH最低。

在PSDSOFT設(shè)計(jì)中，若違反規(guī)則2、3、4會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，必須修改才能進(jìn)行下一步；而違反規(guī)則1只會(huì)發(fā)出警告，如果忽略一定要小心。規(guī)則5屬于解釋型規(guī)則，不會(huì)提出任何提示，注意地址重疊情況下優(yōu)先級(jí)低的存儲(chǔ)器不能被訪問(wèn)。

μPSD中通過(guò)DPLD對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)器的地址進(jìn)行分配，DPLD的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DPLD的結(jié)構(gòu)

DPLD包括“與”陣列和“或”陣列，“與”陣中有輸入項(xiàng)共57項(xiàng)，“或”陣中有輸出項(xiàng)共16項(xiàng)。輸入項(xiàng)表示可參于地址譯碼的信號(hào)，輸出項(xiàng)即每個(gè)存儲(chǔ)器的CS信號(hào)。

DPLD的輸入項(xiàng)中最常用的是A0～A15，頁(yè)寄存器PGR0～PGR7，#RD、#PSEN、#WR、ALE。PDN是在功率管理時(shí)使用，如果在地址中加入PDN，表示只有在電源有效時(shí)地址譯碼才有效，通常這項(xiàng)是自動(dòng)加入的，使用者可不用管。

DPLD的輸入項(xiàng)和輸出項(xiàng)不是必須全部配置的。在對(duì)μPSD的存儲(chǔ)器進(jìn)行地址配置時(shí)，一個(gè)最重要的原則是“不超過(guò)64KB就不要分頁(yè)，沒(méi)有使用到的塊就不必配置”。對(duì)于小的項(xiàng)目中沒(méi)有使用到所有存儲(chǔ)器，不用去配置，這樣既簡(jiǎn)單，減少出錯(cuò)，又方便調(diào)試和檢查。除CSIOP是必須配置的外，其他項(xiàng)均可根據(jù)需要進(jìn)行配置。

PSEL由外設(shè)I/O模式控制，在PIO模式下，PA口的所有I/O被設(shè)置為三態(tài)、雙向MCU數(shù)據(jù)緩沖器方式，與MCU的P0口有些類(lèi)似。DPLD中必須聲明PSEL0和/或PSEL1的有效地址范圍，在訪問(wèn)此地址時(shí)，PA口進(jìn)入PIO方式。前面所述的VM寄存器中第7位是PIO模式允許/禁止控制，PIO模式的內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。為避免PSEL0和PSEL1所指定的范圍在程序/數(shù)據(jù)空間都有效，應(yīng)在PSEL0和PSEL1中加入“！#PSEN”信號(hào)，以保證PIO模式僅在訪問(wèn)數(shù)據(jù)空間時(shí)有效。

圖3 PIO模式內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)

使用PSDSOFT對(duì)μPSD進(jìn)行配置和編程

μPSD中PAGE是一個(gè)8位寄存器，最多可實(shí)現(xiàn)256個(gè)頁(yè)面，PAGE寄存器與地址范圍的配置是同時(shí)起作用的。如果你的系統(tǒng)中不論是程序還是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)超出了64k，必須要分頁(yè)。   μPSD的PAGE寄存器的8位可以獨(dú)立使用，在PSDSOFT中可定義為兩種方式，即PAGING和LOGIC。PAGING就是作為分頁(yè)使用，LOGIC是作為一般邏輯輸入功能，類(lèi)似于PLD中的節(jié)點(diǎn)NODE，或者CPLD中的宏MACRO。作為PAGING時(shí)，必須從最低位開(kāi)始，使用N位作為PAGING，可實(shí)現(xiàn)2N個(gè)頁(yè)面的分配，即存儲(chǔ)器的地址配置中有2N個(gè)頁(yè)面可選擇。使用作為L(zhǎng)OGIG時(shí)必須從高位開(kāi)始使用，可以為之定義一個(gè)名字，可用作DPLD的輸入項(xiàng)。MCU在運(yùn)行時(shí)可以對(duì)PAGE的進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，但是不能按位操作，也就是說(shuō)必須先屏蔽再修改。

在程序和數(shù)據(jù)均不超過(guò)64K時(shí)，不必分頁(yè)，PGR0～PGR7不參加譯碼?，F(xiàn)在的PSDSOFT軟件中不要求用戶再寫(xiě)地址方程式，只需要填寫(xiě)地址范圍可以了。不使用分頁(yè)時(shí)，片選的PGAE NUMBER就不能填任何值，如果填“0”則表示位于頁(yè)0。在PSDSOFT中對(duì)公共區(qū)的設(shè)置方法很簡(jiǎn)單，只要不填作為公共區(qū)的存儲(chǔ)器的片選中的“PAGE NUMBE”就可以了。

μPSD存儲(chǔ)器配置實(shí)例

作為本文的結(jié)束，舉一個(gè)典型的 μPSD應(yīng)用實(shí)例，讀者可參考其存儲(chǔ)器的配置方案。

使用μPSD3234A-40U6器件，將FS0～FS7用作程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，地址在8000H～0FFFFH，分別位于頁(yè)0至頁(yè)7；CSBOOT0～CSBOOT3作為程序存儲(chǔ)器，作為公共區(qū)，地址是0000H～7FFFFH。擴(kuò)展SRAM位于0000H～1FFFH，CSIOP位于7F00H～7FFFH，用戶I/O空間定義為7E00H～7EFFH。

這樣的存儲(chǔ)器配置能夠滿足大多數(shù)分頁(yè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，使用了μPSD的所有存儲(chǔ)器，不僅最大化了程序空間和數(shù)據(jù)空間，也能實(shí)現(xiàn)IAP功能。此方案中程序空間可達(dá)256K+32K，數(shù)據(jù)空間是256K（FLASH）+8K（SRAM）。用戶可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目對(duì)配置進(jìn)行簡(jiǎn)單修改，去掉沒(méi)有使用的存儲(chǔ)器配置。

如果用戶項(xiàng)目中要求實(shí)現(xiàn)IAP或者對(duì)主FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除/修改，請(qǐng)一定要注意，升級(jí)代碼或?qū)LASH進(jìn)行擦除/修改操作的程序必須放于公共區(qū)，即次FLASH中。

參考文獻(xiàn)

1 ST 公司. Data Sheet of uPSD3234A—
 Flash Programmable System Devices with 8032
 Microcontroller Core and 64 Kbit SRAM，2004
2 ST公司. AN1816—Configuring the Keil
 Compiler and PSDsoft to Handle Multi-Paged
 Memory in μPSD Application Software，2004
3 ST公司.  UM0050——PSDsoft Express
 Design Software Tool for PSD and uPSD
 Families，2004