背景

如果對ST公司的μPSD器件有一定了解，熟悉MCS-51系列單片機的內(nèi)部結構及原理，使用過PSDSOFT EXPRESS和KEIL開發(fā)設計，將對理解本文有很大的幫助。

MCS-51單片機采用哈佛結構的系統(tǒng)結構，即數(shù)據(jù)存儲器空間與程序存儲器空間互相獨立。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64K。以上兩點是本文所有討論的前提基礎。

μPSD的存儲器系統(tǒng)結構

μPSD由標準8032核和ST公司的PSD（可編程系統(tǒng)器件）構成，存儲器系統(tǒng)包含兩個主要部分，一是8032的內(nèi)部存儲器資源：256B內(nèi)部RAM和128B內(nèi)部特殊功能寄存器SFR；二是PSD中的存儲器模塊：主/次FLASH存儲器，擴展的SRAM及控制PSD的CSIOP（Chip-Select I/O Port，類似于8051的SFR）。μPSD的主/次FLASH是完全相同的存儲介質（早期的PSD813F1中的次存儲器是EEPROM結構的），是兩個獨立的存儲器。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），頁寄存器PAGE，存儲器控制寄存器VM，聯(lián)合實現(xiàn)對存儲器系統(tǒng)的配置。

關于IAP和分頁技術

為什么μPSD中要有兩個FLASH？簡單地說，這是為了實現(xiàn)IAP而設計的。IAP就是 “在應用中編程或升級代碼”，其原理是：單片機中裝有一套用戶程序和一套代碼更新程序。正常情況下，單片機運行的是用戶程序；在需要程序升級時，系統(tǒng)會切換到代碼更新程序，通過串口或其他通信口下載新的用戶程序代碼，并寫入到原來的用戶程序存儲器中，更新完成后，再切換回至用戶程序?；贛CS-51系統(tǒng)結構特點，在同一個存儲器中運行主程序和改寫程序是不可能實現(xiàn)的。所有用MCS-51來實現(xiàn)IAP功能的系統(tǒng)都必須有兩個獨立的存儲器。實現(xiàn)IAP的難點在于存儲器的切換控制，體現(xiàn)在μPSD中主要就是如何使用VM寄存器以及如何對存儲器的片選控制。

此外，隨著應用要求越來越高，代碼長度不斷增加，64K的限制已經(jīng)成為設計中的瓶頸。許多軟/硬件供應商都竭力推出自己的方案以實現(xiàn)MCS-51對大于64K的支持，分頁技術應運而生。

分頁設計中最重要的就是公共區(qū)和分頁區(qū)的設置，所謂公共區(qū)就是在所有的頁面中均為有效的一塊存儲器區(qū)。在程序空間中，64K范圍（1頁）內(nèi)的程序是連續(xù)的，一旦超過此范圍，只保留低16位，最高位將被丟棄，程序會跳回開始處運行。保證程序在頁面切換時不會“跑飛”就是通過公共區(qū)實現(xiàn)的。分頁技術的實現(xiàn)方法是：當程序在調用位于分頁區(qū)的程序時，首先保存返回地址，然后轉跳到公共區(qū)執(zhí)行，再修改頁寄存器到新的頁號實現(xiàn)頁面的切換，調用程序，返回到公共區(qū)，恢復原來頁號，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。當然，公共區(qū)的大小不能超過64K。公共區(qū)必須設在64K范圍的低端，這是因為MCS-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，中斷服務程序，全局常數(shù)表以及系統(tǒng)的初始化部分及頁面切換程序。

μPSD存儲器的空間配置

μPSD中存儲器系統(tǒng)配置主要是對程序空間的設置，相對而言數(shù)據(jù)空間的配置稍微簡單一點。μPSD中主/次FLASH可設置為程序或數(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)容可在運行時由MCU進行修改，這是實現(xiàn)IAP的關鍵。在PSDSOFT軟件流程中可設置主/次FLASH為程序、數(shù)據(jù)存儲器或程序/數(shù)據(jù)混合存儲器，實際上就是對VM寄存器上電時的默認值進行設置，換句話說，就是確定上電時主/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”是指此存儲器是否位于數(shù)據(jù)空間，“#PSEN可以/不能訪問”是指此存儲器是否位于數(shù)據(jù)空間，因為在MCS-51系統(tǒng)中對外部數(shù)據(jù)/程序空間的訪問就是通過#RD和#PSEN進行區(qū)分的。舉例說明：

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

圖1 μPSD中存儲器系統(tǒng)結構

如圖1所示，VM位0～4與#RD、#PSEN聯(lián)合實現(xiàn)對主/次FLASH及SRAM的選擇。這里是通過輸出允許#OE信號進行控制的，也就是說即使存儲器的地址有效（CS有效），如果#OE無效，也不能訪問到此存儲器的內(nèi)容。主/次FLASH的#OE有兩個有效輸入項，由VM位3/4控制#RD是否起作用，VM的1/2位來控制#PSEN是否起作用。在VM的各位確定后，可依圖1畫出簡化的配置結構。這里的#OE信號是對主/次FLASH的每一塊同時有效的。

在實現(xiàn)IAP時，通過VM來實現(xiàn)對主/次FLASH的空間進行換，例如，主FLASH作用戶程序，次FLASH用作升級程序；正常工作時，主FLASH作程序空間，運行用戶代碼，在進行程序升級時，將次FLASH切換作程序空間，并運行次FLASH中的升級程序，再把主FLASH換到數(shù)據(jù)空間，對主FLASH中的用戶代碼進行更新。

μPSD存儲器的地址配置

μPSD中對存儲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I/O地址不能重疊；

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

在PSDSOFT設計中，若違反規(guī)則2、3、4會出現(xiàn)錯誤，必須修改才能進行下一步；而違反規(guī)則1只會發(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，不會提出任何提示，注意地址重疊情況下優(yōu)先級低的存儲器不能被訪問。

μPSD中通過DPLD對每個存儲器的地址進行分配，DPLD的結構如圖2所示。

圖2 DPLD的結構

DPLD包括“與”陣列和“或”陣列，“與”陣中有輸入項共57項，“或”陣中有輸出項共16項。輸入項表示可參于地址譯碼的信號，輸出項即每個存儲器的CS信號。

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

DPLD的輸入項和輸出項不是必須全部配置的。在對μPSD的存儲器進行地址配置時，一個最重要的原則是“不超過64KB就不要分頁，沒有使用到的塊就不必配置”。對于小的項目中沒有使用到所有存儲器，不用去配置，這樣既簡單，減少出錯，又方便調試和檢查。除CSIOP是必須配置的外，其他項均可根據(jù)需要進行配置。

PSEL由外設I/O模式控制，在PIO模式下，PA口的所有I/O被設置為三態(tài)、雙向MCU數(shù)據(jù)緩沖器方式，與MCU的P0口有些類似。DPLD中必須聲明PSEL0和/或PSEL1的有效地址范圍，在訪問此地址時，PA口進入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)部控制結構如圖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，應在PSEL0和PSEL1中加入“！#PSEN”信號，以保證PIO模式僅在訪問數(shù)據(jù)空間時有效。

圖3 PIO模式內(nèi)部控制結構

使用PSDSOFT對μPSD進行配置和編程

μPSD中PAGE是一個8位寄存器，最多可實現(xiàn)256個頁面，PAGE寄存器與地址范圍的配置是同時起作用的。如果你的系統(tǒng)中不論是程序還是數(shù)據(jù)存儲器的設計超出了64k，必須要分頁。   μPSD的PAGE寄存器的8位可以獨立使用，在PSDSOFT中可定義為兩種方式，即PAGING和LOGIC。PAGING就是作為分頁使用，LOGIC是作為一般邏輯輸入功能，類似于PLD中的節(jié)點NODE，或者CPLD中的宏MACRO。作為PAGING時，必須從最低位開始，使用N位作為PAGING，可實現(xiàn)2N個頁面的分配，即存儲器的地址配置中有2N個頁面可選擇。使用作為LOGIG時必須從高位開始使用，可以為之定義一個名字，可用作DPLD的輸入項。MCU在運行時可以對PAGE的進行讀/寫操作，但是不能按位操作，也就是說必須先屏蔽再修改。

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

μPSD存儲器配置實例

作為本文的結束，舉一個典型的 μPSD應用實例，讀者可參考其存儲器的配置方案。

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

這樣的存儲器配置能夠滿足大多數(shù)分頁項目的設計要求，使用了μPSD的所有存儲器，不僅最大化了程序空間和數(shù)據(jù)空間，也能實現(xiàn)IAP功能。此方案中程序空間可達256K+32K，數(shù)據(jù)空間是256K（FLASH）+8K（SRAM）。用戶可根據(jù)實際應用項目對配置進行簡單修改，去掉沒有使用的存儲器配置。

如果用戶項目中要求實現(xiàn)IAP或者對主FLASH數(shù)據(jù)存儲器進行擦除/修改，請一定要注意，升級代碼或對FLASH進行擦除/修改操作的程序必須放于公共區(qū)，即次FLASH中。

參考文獻

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