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。