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基于PLD的嵌入式系統(tǒng)外存模塊設計

時間:2023-03-18 22:46:07 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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基于PLD的嵌入式系統(tǒng)外存模塊設計

摘要:以MCS-96系列單片機為例,介紹了一種采用可編程邏輯器件(PLD)的存儲器模塊的設計方案,該模塊包含了Flash閃存和RAM。提出了一種方便的存儲器擴展方法,該方法有效地解決了嵌入式系統(tǒng)尤其是數據采集、存儲等系統(tǒng)中存在的存儲空間不足問題。該方案具有通用性強、讀寫控制簡單等特點,具有很強的實用性。

在嵌入式系統(tǒng)中,由于設計成本和體積等因素的限制,往往會使CPU(包括DSP、單片機等)存在地址空間不足的問題。很多文獻(如參考文獻[1]都有相關的存儲器擴展方法的介紹, 目前已有的方法通常是借助于CPU的I/0接口產生片選或者高位地址信號,利用這些信號將內存分頁,但當頁間跳轉時將給程序設計帶來不便。對于沒有內部存儲器并且采用統(tǒng)一編址的CPU,如80C196KC20[1],這種頁間切換將造成CPU無法繼續(xù)執(zhí)行當前程序而產生錯誤(見圖1)。在CPU執(zhí)行頁面切換操作后,本應該繼續(xù)執(zhí)行頁面1的指令,可是卻錯誤地執(zhí)行了頁面2中的相應指令,這種結果不是所需要的。因此尋找一個有效的存儲器擴展方法是實際應用中亟待解決的問題。

1 存儲器擴展方法解決方案

在對MCS-96系列單片機的使用中發(fā)現,64K字節(jié)的存儲空間用來存放程序能滿足絕大多數的使用需求(通常用戶的應用程序不到10K字節(jié)),但如果使用其進行數據存儲控制,則會帶來存儲空間上的嚴重不足。通過對實際應用的統(tǒng)計分析發(fā)現,在很多情況下,數據的

存取僅限于順序的連續(xù)操作。利用這個特點,可以對數據存儲空間進行簡化設計,具體的說就是通過對同一個地址連續(xù)讀或者連續(xù)寫來進行批量數據的存取,從而節(jié)省地址空間。在16位CPU中,可以將任何一段64K字(2的16次方)的存儲空間映射到兩個地址(一個作為讀取的位置,一個作為寫入的位置),采用這樣的映射方法可以將內存最大擴展到2G字(2的31次方),但這樣的設計同時也帶來了諸多邏輯控制上的困難。隨著可編程邏輯器件(PLD)包括FPGA、EPLDE4[4]、CPLD等的迅速發(fā)展,數字邏輯電路的設計得到了大大簡化,從而使這種存儲器擴展想法可以得到實現。

2 存儲器擴展方法的具體實現

下面以筆者設計的系統(tǒng)為例來詳細說明這種存儲器擴展方法的實現。該系統(tǒng)是一個多功能數據采集設備,能夠以最高40k次/s的速率進行12位A/D轉換,并且可以將采集到的數據保存至Flash ROM中,以防止掉電丟失。技術參數要求如下:①最多可以保存32K字節(jié)的采樣數據;②可以同時存儲4段系統(tǒng)工作配置程序,每段4K字節(jié),共計16K字節(jié);③由于Flash ROM自身的特點,在寫人數據后的編程階段不能進行讀寫操作,因此為了保證系統(tǒng)采樣和單片機運行的正常進行,需要額外增加32K字節(jié)的RAM作為數據緩存;④系統(tǒng)程序、中斷服務程序等共占用56K字節(jié)(Flash ROM和RAM各保留28K字節(jié)),總計需要存儲空間136K字節(jié)。這個需求已經超過96系列單片機的64K字節(jié)尋址范圍,為此設計了一個存儲器模塊,其結構如圖2所示。

圖2

Flash ROM采用ATMEL公司的AT29C1024,容量為128K字節(jié),數據線寬度為16位;RAM存儲器由兩片CY7C199組成,數據線寬度為16位,容量為64K字節(jié)。80C196單片機的ALE為地址鎖存信號,/WE為寫有效信號,/RD為讀有效信號,READY為準備就緒信號。MCS-96系列單片機支持8位和16位兩種工作模式,為了提高系統(tǒng)的性能,選擇16位工作模式。96系列單片機地址是按照字節(jié)的方式來計算的,因此在16位工作模式下的A0=0沒有實際意義。在通常的讀寫情況下,取經過鎖存后的AD1~AD15地址作為A1~A15而A16=0。

下面以讀Flash ROM為例介紹地址擴展方法。對于可以直接尋址的地址,EPLD作為鎖存器,將AD0~AD15分時的地址數據總線分開,生成獨立的地址和數據總線。在這里定義了兩個特殊的地址:Flash ROM數據塊的讀地址Address_F_R和讀位置指針地址Address_F_RP。首先向Ad-dress_F_RP寫入一個16位的二進制數,該數代表了將要讀取的數據塊的首地址,16位表示范圍是0~65535,因此可以指定的首地址范圍是64K字即128K字節(jié);然后連續(xù)地從Address_F_R進行讀取操作,每讀一次,位置指針會自動加1而不需要重新設置。如果需要讀取新的位置,只需要向Address_F_RP地址寫入新的位置數據即可。該功能在EPLD器件內部的實現方法見圖3。計數器可同步設置初值、同步計數,在AHDL語言中聲明為1pm_counter[5]。其中,CNT_EN為計數使能控制,當CNT_EN為高電平時,每當CLOCK上升沿到來時計數器便會自動加一,從而實現了地址自動增加的功能;CLOCK為同步時鐘輸入端,上升沿有效;SLOAD為計數器同步設置初值信號,當該信號為高電平時,在CLOCK上升沿的作用下,計數器的輸出Q[15..0]=D[15..0],從而實現初始化讀取位置的功能。計數器用AHDL語言描述如下:

counter : lPm_counter with(1pm_width=16);

counter.clock=/rd

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