C8051F12X系列單片機(jī)中多bank的分區(qū)跳轉(zhuǎn)處理

　在8051核單片機(jī)龐大的家族中，C8051F系列作為其中的后起之秀，是目前功能最全、速度最快的8051衍生單片機(jī)之一，正得到越來越廣泛的應(yīng)用。它集成了嵌入式系統(tǒng)的許多先進(jìn)技術(shù)，有豐富的模擬和數(shù)字資源．是一個(gè)完全意義上的SoC產(chǎn)品。

　　C805IFl2X作為該系列中的高端部分，具有最快100MIPS的峰值速度，集成了最多的片上資源。其128 KB的片上Flash和8 KB的片上RAM足以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的需求。使用C8051F12X，只需外加為數(shù)不多的驅(qū)動(dòng)和接口，就可構(gòu)成較大型的完整系統(tǒng)。只是其中128 KB的Flash存儲(chǔ)器不可避免地要處理bank分區(qū)問題。

　　幸運(yùn)的是Keil C51開發(fā)環(huán)境對(duì)C8051F系列有良好的支持，包括一般的跨bank分區(qū)的程序跳轉(zhuǎn)和調(diào)用。作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用時(shí)，F(xiàn)lash的分區(qū)讀寫完全是編程者要考慮的事情，與開發(fā)環(huán)境無關(guān)。本文只針對(duì)特殊的強(qiáng)制轉(zhuǎn)移和μC／OS—II在多bank分區(qū)中的移植問題展開討論。

1 C8051F12X在Keil C51中的多bank分區(qū)轉(zhuǎn)移機(jī)制

　　Keil C51的連接定位器支持分組連接，允許生成代碼長(zhǎng)度大于64 KB的8051目標(biāo)程序_1_。一般的8051系統(tǒng)只提供16根地址線，需要附加地址線來實(shí)現(xiàn)代碼分組切換，而編譯器產(chǎn)生bank切換代碼時(shí)受到配置文件 L51_BANK．A51的支持，所以用戶必須根據(jù)自己的硬件結(jié)構(gòu)來修改這個(gè)配置文件。

　　C8051F12X系列不用考慮硬件部分，也不存在地址線的擴(kuò)展問題，因?yàn)?28 KB的4個(gè)bank區(qū)全部都在CPU內(nèi)部，所以作為常規(guī)跨bank的跳轉(zhuǎn)和調(diào)用，不需要處理1．5l_BANK．A51配置文件。但在特殊情況下就必須考慮該問題，否則程序?qū)o法工作。下面以C8051F120為例先討論代碼的透明分組切換過程。

　　C805IFl20在Keil C51的項(xiàng)目配置中被劃分為4個(gè)bank，每個(gè)32 KB。公共bank地址從0~0x7fff，其余bank從0x8000h~0xffff。在對(duì)應(yīng)的配置文件L51_BANK．A51中，涉及到特殊功能寄存器PSBANK(SFR地址：0B1H)、SWITCHn宏、B_BANKn、B_SWITCHn分組信息保存和切換代碼，以及 B_CURENTBANK變量。

　　PSBANK為C8051F120內(nèi)的特殊功能寄存器，128KB Flash的分bank訪問就是通過它來實(shí)現(xiàn)的。要想轉(zhuǎn)移到新的bank中去，必須賦予PSBANK正確的值，然后再轉(zhuǎn)向bank區(qū)內(nèi)地址即可。

　　SWITCHn宏共有4個(gè)，分別是SwITCH0、SWlTCH1、SWITCH2和SWITCH3，對(duì)應(yīng)切換到4個(gè)bank中。其中SWITCH0對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句為：

　　MOV PSBANK．#00h ；把00h用1Ih、22h和33h替換，就是其他三個(gè)宏

　　它將插入到B_SWITCHn代碼中，用來切換新的bank和恢復(fù)到原來的bank。

　　所有4組B_BANKn和B_SWlTCHn代碼也都是用宏實(shí)現(xiàn)的，對(duì)應(yīng)4個(gè)bank處理。它們匯集在BANK　SWITCH代碼段中，整個(gè)bank切換及恢復(fù)機(jī)制非常巧妙，可以實(shí)現(xiàn)任意bank之間函數(shù)的相互調(diào)用及嵌套。下面以bank3區(qū)中的main函數(shù)調(diào)用bankl區(qū)的Delay_noOS() 延時(shí)函數(shù)為例說明該機(jī)制。

　　void main(void){
MCUInit()； ／／初始化CPU
Delay_n00s(10); ／／延時(shí)lO ms
Lcmlnition();

　　bank3中被調(diào)用的函數(shù)Delay_noOS(10)對(duì)應(yīng)的匯編語(yǔ)句為：

　　LCALL C：5049

　　公共段(即Common段，對(duì)應(yīng)bank0)中C:5049處的匯編語(yǔ)句如下：

　　MOV dptr，#Delay_noOS

　　AJMP B_BANKl

　　這里的B_BANKl就是宏B_BANKN中N為1的例程。現(xiàn)在進(jìn)入問題的核心：全部的跨bank區(qū)程序切換及恢復(fù)過程依靠公共段中BANK 　SWITCH代碼段里的以下匯編代碼實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)的N為0、1、2和3。BANK　SWlTCH SEGMENT CODE PAGE

　　;
B_BANKN：
PUSH B_CURRENTBANK (1)
MOV A，#HIGH　BANK　SWITCH (2)
PUSH ACC (3)
PUSH DPL (4)
PUSH DPH (5)
B_SWITCHN:
MOV B_CURRENTBANK，#LOW B_SWITCHN
(6)
SWlTCHN (7)
RET (8)
：

　　Delay_noOS(10)函數(shù)的返回地址，即函數(shù)LcmIni-tion()的入口地址(也在bank3中)，其高低位字節(jié)表示為ADDH和 ADDL。程序進(jìn)入main()后的B_CURRENTBANK變量初值是B_SWITCH3的低8位，其意義稍后敘述。AJMP B_BANKl后程序執(zhí)行?B_BANKl和?B_SWITCHl的(1)～(8)，執(zhí)行到(5)時(shí)的堆棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　繼續(xù)執(zhí)行B_SWITCHl到(7)時(shí)，PSBANK變?yōu)橹赶騜ankl，B_CURRENTBANK變?yōu)锽_SWITCHl的低8位。執(zhí)行(8) 后，從堆棧結(jié)構(gòu)可以看出，堆棧彈出①作為新的PC值，程序進(jìn)入Delay_noOS(10)函數(shù)，延時(shí)功能完成后，函數(shù)最后一條RET指令開始返回。這是 Keil C51處理bank機(jī)制的關(guān)鍵，此時(shí)的返回地址為堆棧中的②，此地址即B_SWITCHH代碼的入口，這里對(duì)應(yīng)main()函數(shù)所在的 bank3分組，也就是B_SWITCH3的人口。

　　因?yàn)樗蠦_SWITCHN的高8位地址，即BANK　 SWITCH代碼段的高8位都一樣，由語(yǔ)句(2)中的操作符HIGH BANK　SWITCH確定；低8位保存在已經(jīng)壓棧的B_CURRENTBANK變量中，此時(shí)堆棧中的?B_CURRENTBANK壓棧值是 B_SWITCH3的低8位，這樣②的地址就是B_SWITCH3。

　　程序繼續(xù)執(zhí)行B_SWITCH3，在執(zhí)行? B_SWITCH3的(6)語(yǔ)句之前，B_CURRENTBANK還是前面執(zhí)行?B_SWITCHl時(shí)的值，即B_SWITCHl的低8位。執(zhí)行語(yǔ)句 (6)后，B_CURRENTBANK恢復(fù)為B_SWITCH3的低8位，為返回main函數(shù)做準(zhǔn)備。然后PSBANK置為33h，即指向bank3，接著執(zhí)行RET語(yǔ)句，堆棧③成為RET的返回地址，程序回到了main()中Delay_noOS(10)的下一條語(yǔ)句繼續(xù)執(zhí)行， B_CURRENTBANK也已恢復(fù)。

　　這個(gè)調(diào)用過程中，用了6個(gè)堆棧字節(jié)，3條RET指令，關(guān)鍵內(nèi)容就是B_CURRENTBANK變量，它保存了可以恢復(fù)調(diào)用前bank環(huán)境代碼的地址低位。從被調(diào)用函數(shù)返回 到這個(gè)地址后，就能恢復(fù)調(diào)用前的bank環(huán)境，即賦予PSBANK正確的值。

　　不采用直接保存PSBANK值然后再恢復(fù)，而是用壓棧的方式保存了相關(guān)地址(語(yǔ)句(1)～(3))，是為了實(shí)現(xiàn)跨bank區(qū)的嵌套調(diào)用。例如，在 Delay_noOS(10)函數(shù)中，如果再次跨bank去調(diào)用新函數(shù)，會(huì)再次重復(fù)上述過程，堆棧從②往上再長(zhǎng)6個(gè)字節(jié)。Delay_noOS(10)函數(shù)之前執(zhí)行B_SWITCHI產(chǎn)生的B_CURRENTBANK值(B_SWITCHI的低8位)也會(huì)進(jìn)棧，為調(diào)用完新函數(shù)后返回到bankl繼續(xù)執(zhí)行 Delay_noOS(10)提供保證。

2 無操作系統(tǒng)bank分區(qū)間的強(qiáng)制跳轉(zhuǎn)

　　通過上面的分析得知，如果要處理跨bank區(qū)的跳轉(zhuǎn)、調(diào)用和返回，關(guān)鍵是能正確處理好PSBANK中的內(nèi)容。當(dāng)程序沒有操作系統(tǒng)用于任務(wù)切換，而又需要強(qiáng)制退出某一函數(shù)進(jìn)入到另一函數(shù)的某一地址時(shí)，比如說在中斷發(fā)生后，結(jié)束原來的工作轉(zhuǎn)入到另一工作去，就需要處理好PSBANK。

　　如果不考慮bank，可以在轉(zhuǎn)入新地址之前執(zhí)行一段代碼，保存該地址處的環(huán)境變量[2]，包括堆棧指針sP和需要的入口地址。然后在中斷返回之前，恢復(fù)此環(huán)境變量，執(zhí)行中斷返回指令進(jìn)入該新地址。這個(gè)思路和C51庫(kù)函數(shù)setjump和longjump比較相近，但比它們靈活，因?yàn)榄h(huán)境變量可以自己處理。

　　考慮bank后的情況稍微復(fù)雜些，環(huán)境變量中需增加bank的處理信息，那么只處理PSBANK行不行呢?

　　如果僅保存和恢復(fù)PSBANK，則很簡(jiǎn)單，在保存環(huán)境變量的程序中加入：

　　JMPEnv[envl][3]=PSBANK；

　　在恢復(fù)環(huán)境變量的程序中加入：

　　PSBANK=JMPEnv[envl][3];

　　這里環(huán)境變量是二維數(shù)組JMPEnv，envl代表一個(gè)環(huán)境變量，即一個(gè)返回點(diǎn)。第二維是變量中的參數(shù)個(gè)數(shù)。因此可以保存多個(gè)環(huán)境變量以供使用。

　　初看起來這樣處理是沒有問題的，可實(shí)際上不行。因?yàn)檫M(jìn)入返回點(diǎn)后，雖然PSBANK正確了，但是B_CUR-RENTBANK可能已經(jīng)被修改，不能和返回點(diǎn)程序的bank區(qū)匹配，如果再次出現(xiàn)跨bank調(diào)用的話將不能正確返回。

　　處理方法是有點(diǎn)技巧的，因?yàn)镃語(yǔ)言不支持匯編變量B_CURRENTBANK的寫法，所以在L51_bank．A51中要加上聲明：

　　PUBLIC BLCURRENTBANK

　　和偽指令：

　　B_CURRENTBANK EQU B_CURRENTBANK

　　這樣就可以在C程序中使用B_CURRENTBANK了，先聲明B_CURRENTBANK：

　　extern Uchar data B_CURRENTBANK；

　　然后在保存環(huán)境變量程序中加入：

　　JMPEnv[envl][3]=PSBANK;

　　JMPEnv[envl][4]=B_CURRENTBANK；

　　恢復(fù)環(huán)境變量程序中加入：

　　PSBANK=JMPEnv[envl][3];

　　B_CURRENTBANK=JMPEnv[envl][4]；

　　這樣恢復(fù)環(huán)境變量進(jìn)入到新程序后，也將恢復(fù)該程序?qū)?yīng)的正確?B_cuRRENTBANK值，問題得到解決。

3 no／0S-ll移植中的bank分區(qū)處理

　　μC／OS-II的51版本已經(jīng)很成熟，但是所有移植版本均未處理bank問題，需要增加該內(nèi)容，否則不能在包括C8051F12X系列及其他多bank程序中使用。

　　如前所述，Keil C51提供對(duì)跨bank調(diào)用的透明切換支持，但在使用操作系統(tǒng)時(shí)，這種透明切換機(jī)制還需要提供對(duì)任務(wù)切換的支持。因?yàn)槿蝿?wù)的切換，程序可能需要到別的代碼分組中去運(yùn)行，而此時(shí)PSBANK和B_CUR-RENTBANK還停留在原來代碼分組中的狀態(tài)，將導(dǎo)致程序崩潰。顯然，無論由于什么情況導(dǎo)致的任務(wù)切換完成之前，都需要保存和恢復(fù)PSBANK和B_CURRENT-BANK的值。解決的辦法是在每次任務(wù)切換前將PS-BANK和 B_CURRENTBANK壓入用戶任務(wù)棧。

　　按照μC／OS-II的要求，在任務(wù)創(chuàng)建時(shí)，任務(wù)棧必須初始化成像運(yùn)行中的任務(wù)剛剛發(fā)生過中斷一樣嘲。B_CURRENTBANK的初始值取決于該任務(wù)所在分組對(duì)應(yīng)的切換代碼段的低8位地址。所以，任務(wù)堆棧的初始化函數(shù) OSTaskStkInit需要加入一個(gè)參數(shù)INT8U bank，指明該任務(wù)位于哪個(gè)代碼分組中。又由于任務(wù)堆棧的初始化函數(shù)是被任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate調(diào)用的，所以該函數(shù)一樣需要加入?yún)?shù) INT8U bank。

　　在壓棧，出棧宏中需要加入：

PUSH PSBANK
PUSH　B_CURRENTBANK
：
POP B_CURRENTBANK
POP PSBANK

　　在任務(wù)堆棧的初始化函數(shù)OSTaskStkInit中需要加入：

*stk++=17; ／／堆棧長(zhǎng)度增加2個(gè)到17
；
if(bank==0x22：){ ／／bank2
*stk++=bank;
*stk++=CurrentBank2();
else if(bank==0x33){ ／／bank3
*stk++=bank;
*stk++=CurrentBank3();
}
else{ ／／bankl和common
*stk++=0xll; ／／PSBANK
*stk++=CurrentBankl()；
)

　　其中，bank0用任何的PSBANK值均沒有問題，所以簡(jiǎn)化了PSBANK取值0x00的情況。

　　函數(shù)INT8U CurrentBankl(void)，INT8U Current-Bank2(void)和INT8U CurrentBank3(void)是用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，返回值通過R7傳遞，目的是獲得該任務(wù)所在分組對(duì)應(yīng)切換代碼段(SWITCHn)的低8位地址。不用C語(yǔ)言編寫的原因同樣是B_SWITCHN不被C支持。

　　CurrentBankl(void)代碼如下，其他兩個(gè)類同。

RSEG　PR　CurrentBankl　Os_CPU_A
CurrentBankl：
MOV DPTR，#B_SWITCHl
MOV R7．DPL
RET

結(jié) 語(yǔ)

　　本文介紹了Keil C51實(shí)現(xiàn)大于64 KB程序的bank分組代碼切換機(jī)制的原理，提出了沒有操作系統(tǒng)情況下非正常轉(zhuǎn)移時(shí)bank的處理方法以及μc／os—II操作系統(tǒng)在多bank分區(qū)程序移植中應(yīng)采取的措施，在開發(fā)實(shí)例中均得到了很好的應(yīng)用。