μPSD中存储器系统的配置

背景

  如果对ST公司的μPSD器件有一定了解，熟悉MCS-51系列单片机的内部结构及原理，使用过PSDSOFT EXPRESS和KEIL开发设计，将对理解本文有很大的帮助。

  MCS-51单片机采用哈佛结构的系统结构，即数据存储器空间与程序存储器空间互相独立。它有16根地址总线，最大寻址能力为64K，这决定程序或数据空间不能超过64K。以上两点是本文所有讨论的前提基础。

μPSD的存储器系统结构
  μPSD由标准8032核和ST公司的PSD（可编程系统器件）构成，存储器系统包含两个主要部分，一是8032的内部存储器资源：256B内部RAM和128B内部特殊功能寄存器SFR；二是PSD中的存储器模块：主/次FLASH存储器，扩展的SRAM及控制PSD的CSIOP（Chip-Select I/O Port，类似于8051的SFR）。μPSD的主/次FLASH是完全相同的存储介质（早期的PSD813F1中的次存储器是EEPROM结构的），是两个独立的存储器。主FLASH通常分4～8块，每块16～32kb；次FLASH通常分2～4块，一般每块为8kb。μPSD中使用译码可编程译码逻辑阵列（DPLD），页寄存器PAGE，存储器控制寄存器VM，联合实现对存储器系统的配置。

关于IAP和分页技术
  为什么μPSD中要有两个FLASH？简单地说，这是为了实现IAP而设计的。IAP就是 “在应用中编程或升级代码”，其原理是：单片机中装有一套用户程序和一套代码更新程序。正常情况下，单片机运行的是用户程序；在需要程序升级时，系统会切换到代码更新程序，通过串口或其他通信口下载新的用户程序代码，并写入到原来的用户程序存储器中，更新完成后，再切换回至用户程序。基于MCS-51系统结构特点，在同一个存储器中运行主程序和改写程序是不可能实现的。所有用MCS-51来实现IAP功能的系统都必须有两个独立的存储器。实现IAP的难点在于存储器的切换控制，体现在μPSD中主要就是如何使用VM寄存器以及如何对存储器的片选控制。

  此外，随着应用要求越来越高，代码长度不断增加，64K的限制已经成为设计中的瓶颈。许多软/硬件供应商都竭力推出自己的方案以实现MCS-51对大于64K的支持，分页技术应运而生。

  分页设计中最重要的就是公共区和分页区的设置，所谓公共区就是在所有的页面中均为有效的一块存储器区。在程序空间中，64K范围（1页）内的程序是连续的，一旦超过此范围，只保留低16位，最高位将被丢弃，程序会跳回开始处运行。保证程序在页面切换时不会“跑飞”就是通过公共区实现的。分页技术的实现方法是：当程序在调用位于分页区的程序时，首先保存返回地址，然后转跳到公共区执行，再修改页寄存器到新的页号实现页面的切换，调用程序，返回到公共区，恢复原来页号，最后从保存的返回地址返回。

  公共区的大小由用户自行设定，在μPSD中通常使用主/次FLASH中的一块或多块作为公共区，如使用1块次FLASH即8KB，2块次FLSAH即16KB，1块主FLASH则是32KB，若只想使用主FLASH中的20KB作公共区也是可行的，只要将主FLASH的地址范围只定义为20K的范围就可以了。当然，公共区的大小不能超过64K。公共区必须设在64K范围的低端，这是因为MCS-51中断入口地址的原因。公共区中保存所有的公用子程序，中断服务程序，全局常数表以及系统的初始化部分及页面切换程序。

μPSD存储器的空间配置
  μPSD中存储器系统配置主要是对程序空间的设置，相对而言数据空间的配置稍微简单一点。μPSD中主/次FLASH可设置为程序或数据空间，这是由VM寄存器决定的，VM寄存器的作用如表1所示。VM的内容可在运行时由MCU进行修改，这是实现IAP的关键。在PSDSOFT软件流程中可设置主/次FLASH为程序、数据存储器或程序/数据混合存储器，实际上就是对VM寄存器上电时的默认值进行设置，换句话说，就是确定上电时主/次FLASH分别位于什么空间。

                           表1  VM寄存器各位作用

  表中，“#RD可以/不能访问”是指此存储器是否位于数据空间，“#PSEN可以/不能访问”是指此存储器是否位于数据空间，因为在MCS-51系统中对外部数据/程序空间的访问就是通过#RD和#PSEN进行区分的。举例说明：

  VM=0CH，表示主FLASH位于程序空间，次FLASH位于数据空间；

  VM=16H，表示主FLASH位于数据和程序空间，次FLASH位于程序间。

  位0用来指定SRAM是否位于程序空间，因为SRAM只在数据空间有效。位7用来指示外设IO模式的允许与禁止，具体将在后面介绍。图1可帮助对VM寄存器作用的理解。

图1 μPSD中存储器系统结构

  如图1所示，VM位0～4与#RD、#PSEN联合实现对主/次FLASH及SRAM的选择。这里是通过输出允许#OE信号进行控制的，也就是说即使存储器的地址有效（CS有效），如果#OE无效，也不能访问到此存储器的内容。主/次FLASH的#OE有两个有效输入项，由VM位3/4控制#RD是否起作用，VM的1/2位来控制#PSEN是否起作用。在VM的各位确定后，可依图1画出简化的配置结构。这里的#OE信号是对主/次FLASH的每一块同时有效的。

  在实现IAP时，通过VM来实现对主/次FLASH的空间进行换，例如，主FLASH作用户程序，次FLASH用作升级程序；正常工作时，主FLASH作程序空间，运行用户代码，在进行程序升级时，将次FLASH切换作程序空间，并运行次FLASH中的升级程序，再把主FLASH换到数据空间，对主FLASH中的用户代码进行更新。

μPSD存储器的地址配置
  μPSD中对存储器地址分配需遵守以下规则：
  规则1．主/次FLASH块FS0～FS7，CSBOOT0～CSBOOT3的地址范围不能大于其物理尺寸；

  规则2．主FLASH块FS0～FS7之间地址不能重叠；

  规则3．次FLASH块CSBOOT0～CSBOOT3之间地址不能重叠；

  规则4．SRAM、I/O、外设I/O地址不能重叠；

  规则5．主FLASH，次FLASH和SRAM，I/O，外设I/O，若地址重叠，存储器有效优先级为SRAM、I/O、外设I/O最高，次FLASH次之，主FLASH最低。

  在PSDSOFT设计中，若违反规则2、3、4会出现错误，必须修改才能进行下一步；而违反规则1只会发出警告，如果忽略一定要小心。规则5属于解释型规则，不会提出任何提示，注意地址重叠情况下优先级低的存储器不能被访问。

  μPSD中通过DPLD对每个存储器的地址进行分配，DPLD的结构如图2所示。

图2 DPLD的结构

  DPLD包括“与”阵列和“或”阵列，“与”阵中有输入项共57项，“或”阵中有输出项共16项。输入项表示可参于地址译码的信号，输出项即每个存储器的CS信号。

  DPLD的输入项中最常用的是A0～A15，页寄存器PGR0～PGR7，#RD、#PSEN、#WR、ALE。PDN是在功率管理时使用，如果在地址中加入PDN，表示只有在电源有效时地址译码才有效，通常这项是自动加入的，使用者可不用管。

  DPLD的输入项和输出项不是必须全部配置的。在对μPSD的存储器进行地址配置时，一个最重要的原则是“不超过64KB就不要分页，没有使用到的块就不必配置”。对于小的项目中没有使用到所有存储器，不用去配置，这样既简单，减少出错，又方便调试和检查。除CSIOP是必须配置的外，其他项均可根据需要进行配置。

  PSEL由外设I/O模式控制，在PIO模式下，PA口的所有I/O被设置为三态、双向MCU数据缓冲器方式，与MCU的P0口有些类似。DPLD中必须声明PSEL0和/或PSEL1的有效地址范围，在访问此地址时，PA口进入PIO方式。前面所述的VM寄存器中第7位是PIO模式允许/禁止控制，PIO模式的内部控制结构如图3所示。为避免PSEL0和PSEL1所指定的范围在程序/数据空间都有效，应在PSEL0和PSEL1中加入“！#PSEN”信号，以保证PIO模式仅在访问数据空间时有效。

使用PSDSOFT对μPSD进行配置和编程
  μPSD中PAGE是一个8位寄存器，最多可实现256个页面，PAGE寄存器与地址范围的配置是同时起作用的。如果你的系统中不论是程序还是数据存储器的设计超出了64k，必须要分页。   μPSD的PAGE寄存器的8位可以独立使用，在PSDSOFT中可定义为两种方式，即PAGING和LOGIC。PAGING就是作为分页使用，LOGIC是作为一般逻辑输入功能，类似于PLD中的节点NODE，或者CPLD中的宏MACRO。作为PAGING时，必须从最低位开始，使用N位作为PAGING，可实现2N个页面的分配，即存储器的地址配置中有2N个页面可选择。使用作为LOGIG时必须从高位开始使用，可以为之定义一个名字，可用作DPLD的输入项。MCU在运行时可以对PAGE的进行读/写操作，但是不能按位操作，也就是说必须先屏蔽再修改。

  在程序和数据均不超过64K时，不必分页，PGR0～PGR7不参加译码。现在的PSDSOFT软件中不要求用户再写地址方程式，只需要填写地址范围可以了。不使用分页时，片选的PGAE NUMBER就不能填任何值，如果填“0”则表示位于页0。在PSDSOFT中对公共区的设置方法很简单，只要不填作为公共区的存储器的片选中的“PAGE NUMBE”就可以了。

μPSD存储器配置实例
   作为本文的结束，举一个典型的 μPSD应用实例，读者可参考其存储器的配置方案。

   使用μPSD3234A-40U6器件，将FS0～FS7用作程序/数据存储器，地址在8000H～0FFFFH，分别位于页0至页7；CSBOOT0～CSBOOT3作为程序存储器，作为公共区，地址是0000H～7FFFFH。扩展SRAM位于0000H～1FFFH，CSIOP位于7F00H～7FFFH，用户I/O空间定义为7E00H～7EFFH。

  这样的存储器配置能够满足大多数分页项目的设计要求，使用了μPSD的所有存储器，不仅最大化了程序空间和数据空间，也能实现IAP功能。此方案中程序空间可达256K+32K，数据空间是256K（FLASH）+8K（SRAM）。用户可根据实际应用项目对配置进行简单修改，去掉没有使用的存储器配置。

  如果用户项目中要求实现IAP或者对主FLASH数据存储器进行擦除/修改，请一定要注意，升级代码或对FLASH进行擦除/修改操作的程序必须放于公共区，即次FLASH中。