CPLD擴(kuò)展51單片機(jī)尋址范圍

引言：

受其內(nèi)部資源的限制，在很多應(yīng)用中，單片機(jī)需要在片外擴(kuò)展相關(guān)資源，如程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，IO口，以及中斷源等等。一般情況下51單片機(jī)地址線為16根（P0及P2），因此其地址空間為，也即64K?？紤]到某些不需要高速度的應(yīng)用場(chǎng)合，可以用單片機(jī)的一個(gè)八位IO口（如P0），多次輸出地址，通過CPLD將這些地址位整合起來，并輸出到相應(yīng)的設(shè)備，這樣，即可實(shí)現(xiàn)用單片機(jī)的一個(gè)八位IO口來實(shí)現(xiàn)多位地址的功能。

1． 51單片機(jī)擴(kuò)展FLASH存儲(chǔ)器

51單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展以單片機(jī)的P2口作為指令地址的高八位，P0口作為低八位地址并復(fù)用為數(shù)據(jù)線。下面以擴(kuò)展ATMEL公司的AT29C020 flash芯片為例，該芯片地址線18根，容量為256K字節(jié),其讀寫時(shí)序如圖1：

如果采用上述常用接法，則用P0口通過74LS373接AT29C020地址低八位，同時(shí)P0接AT29C020的八位數(shù)據(jù)口，P2接高八位地址，而AT29C020的A16,A17兩位地址位接P1.0,P1.1，從而由P1.0,P1.1與P0和P2口共同構(gòu)成18位地址線

由接線圖可知，對(duì)AT29C020進(jìn)行讀寫操作時(shí)，需先將P1.0和P1.1置成相應(yīng)電平，然后將低16位地址寫入DPTR,再用指令 MOVX A, @DPTR或者M(jìn)OVX @DPTR, A 來讀或?qū)慉T29C020。

可見，為滿足18位地址的AT29C020，單片機(jī)共用去了包括P0,P1,P2在內(nèi)的18個(gè)IO口，同時(shí)考慮到P3口一般復(fù)用為其他功能，如果系統(tǒng)還需要進(jìn)行其它的IO操作（比如將flash中的數(shù)據(jù)輸出到LCD顯示），硬件資源已經(jīng)是捉襟見肘。并且隨著存儲(chǔ)器的容量進(jìn)一步擴(kuò)大，IO資源將更加緊張。所以在下文中，將討論如何使用CPLD芯片來擴(kuò)展單片機(jī)的尋址空間。

2． MAX7128S CPLD

CPLD屬于ASIC，其內(nèi)部有大量的門電路，通過軟件編程可以實(shí)現(xiàn)這些門電路的不同連接關(guān)系，從而使CPLD對(duì)外完成不同的功能，而這些連接關(guān)系可以通過軟件的改變而不斷的改變。從功能上來看，CPLD可以完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能的CPU,下至簡(jiǎn)單的74電路。

目前，最大的兩家PLD/FPGA廠商分別是ALTERA以及XILINX，其中Altera 公司的產(chǎn)品基本上都屬于CPLD 結(jié)構(gòu)。由于它的內(nèi)部連線均采用連續(xù)式互聯(lián)結(jié)構(gòu)，MAX 系列是Altera 目前最為流行，使用最廣泛的兩個(gè)系列之一。本文所采用的MAX7128S芯片就是屬于MAX7000S系列的一款CPLD芯片，它包含1800個(gè)可用門，96個(gè)宏單元。

3. 相關(guān)硬件及接線示意圖

本應(yīng)用中單片機(jī)選用PHILIPS公司的P89C61X2，相關(guān)硬件連接示意圖見圖三

4．CPLD及單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

在應(yīng)用中，將CPLD的4，5，6，8，9，10，11，12，15，16，17，18，20，21，22，24，25，27腳配置成連接 AT29C020地址線，將46，48，49，50，51，52，54，55腳配置成接受單片機(jī)P0口地址數(shù)據(jù)的輸入口，并將41，44腳配置成連接 FLASH芯片的WE,OE引腳。

4.1 CPLD程序

本例中，采用硬件描述語言VHDL來編寫CPLD程序，相關(guān)代碼如下：
entity mcu_to_flash is
port ( clk : in std_logic;
add : in bit_vector (7 downto 0); --地址輸入
flash_add : out bit_vector (17 downto 0); --地址輸出（到flash）
oe : out std_logic; --到flash的oe
we : out std_logic ); --到flash的we
end mcu_flash;
architecture func1 of mcu_flash is
signal counter : integer range 0 to 10000; --定義一個(gè)計(jì)數(shù)器
signal add_reg : bit_vector (17 downto 0); --定義寄存器add_reg用于緩存地址
begin
process (clk)
begin
if (clk'event and clk='1') then
case add(7 downto 6) is
when 00 =>
add_reg (5 downto 0) = add (5 downto 0); --地址0到5
counter = 0;
when 01 =>
add_reg (11 downto 6) = add (5 downto 0); --地址6-11
counter = counter + 1;
if (counter = 5) then --恢復(fù)OE,WE到高電平，為后面產(chǎn)生下降沿作準(zhǔn)備
oe = '1';
we = '1';
end if;
when 10 =>
add_reg (17 downto 12) = add (5 downto 0); --地址12-17
counter = 0;
when 11 =>
flash_add = add_reg; --輸出地址
counter = counter + 1;
if (counter = 5) then --產(chǎn)生OE,WE的下降沿
oe = '0';
end if;
end case;
end if;
end process;
end func1;

從程序可見，本例中單片機(jī)需要寫四次P0口進(jìn)行一次讀/寫操作，且這四次寫入P0的數(shù)據(jù)的高兩位應(yīng)該分別為 “00”；“01”；“10”；“11”，CPLD將該兩位作為標(biāo)志位判斷其后六位分別是所需地址的哪幾位，將前三次P0口數(shù)據(jù)的低六位“拼”成 FLASH的18位地址，并在第四次寫P0口時(shí)將該地址輸出到FLASH的相應(yīng)地址位，同時(shí)由CPLD產(chǎn)生OE或者WE的下降沿信號(hào)，以滿足FLASH的讀/寫時(shí)序要求。

上述VHDL程序經(jīng)MAX+PLUS II仿真器進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖四：

如圖，仿真中共有兩次讀操作。第一次操作時(shí)四次輸入的地址值（十六進(jìn)制）分別為：2C,4D,93,FD, 也即二進(jìn)制的“00101100”；“01001101”；“10010011”；“11111101”，如前所述，此時(shí)希望得到的地址應(yīng)該是 “010011001101101100”，換算成16進(jìn)制即為1336C,與仿真結(jié)果一致，同時(shí)，在地址線（flash_add）得到地址值一段時(shí)間（時(shí)間值由程序中counter值判斷條件控制）之后，OE產(chǎn)生下降沿，與FLASH芯片讀寫時(shí)續(xù)的要求一致。可以驗(yàn)證，第二次結(jié)果也和預(yù)期一致。值得注意的是，在仿真中，方便起見CPLD的時(shí)鐘輸入并沒有和實(shí)際硬件一致，故在實(shí)際應(yīng)用中，程序里面“counter”后一次判斷條件中的數(shù)值應(yīng)該保證能夠滿足FLASH芯片的時(shí)值要求。此外，針對(duì)本試驗(yàn)，程序中只給出了OE的下降沿，實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)需要給出WE的下降沿。

4.2單片機(jī)程序
void Readflash (unsigned int add)
{char temp1,temp2,temp3; //定義三個(gè)變量緩存分三次輸入的地址
temp1=add; //低六位地址
temp1 = 0x3f; //將高兩位清零，作為第一次寫P0口的值
temp2=add>>6; //中六位地址
temp2 = 0x3f;
temp2 |= 0x40; //將高兩位置為01，作為第二次寫P0口的值
temp3=add>>12; //高六位地址
temp3 = 0x3f;
temp3 |= 0x80; //將高兩位置為11，作為第三次寫P0口的值
P0=temp1; P0=temp2; P0=temp3; P2=0xc0; }
//寫P0口四次，寫完之后，AT29C020的數(shù)據(jù)端口即輸出有效數(shù)據(jù)。

可見，函數(shù)Readflash的入口地址為FLASH芯片的18位地址，調(diào)用該函數(shù)后，F(xiàn)LASH芯片的輸出為該地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，即可進(jìn)行下一步的操作。

5．實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本例中，用單片機(jī)的P1口讀出該數(shù)據(jù)，并用P2口輸出到8個(gè)LED，以判斷數(shù)據(jù)是否正確。經(jīng)過多次試驗(yàn)，證明所讀出的數(shù)據(jù)正確無誤。（FLASH中已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)前寫入數(shù)據(jù)）

6．小結(jié)

本文提出了一種用CPLD器件擴(kuò)展51單片機(jī)尋址范圍的思路，并通過實(shí)際驗(yàn)證可行。在實(shí)際應(yīng)用中，可以考慮用CPLD通過單片機(jī)固定的操作時(shí)間來判斷單片機(jī)的地址信號(hào)是所需地址空間中的哪一個(gè)部分，從而替代本例中所采用的標(biāo)志位，在不損失時(shí)間的情況下進(jìn)一步擴(kuò)大尋址范圍和應(yīng)用的靈活性。

參考文獻(xiàn)
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2 楊恒 FPGA/VHDL快速工程實(shí)踐入門與提高 北京. 北京航空航天大學(xué)出版社.
3 馬忠梅．單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社