采用段式管理的大容量外部RAM擴展技術

MCS96系列單片機是一種16位字長，比MCS51系列單片機功能更全、性能更高的單片機，在儀器儀表、過程控制等領域應用極為廣泛。在采用MCS96系列單片機的應用開發中，我們碰到一個難題：當需要大容量的數據存儲時，數據存儲器的擴展如采用與MCS51系列單片機同樣的方法則無法工作。因為其內存體系結構采用程序存儲器與數據存儲器統一編址的普林斯頓結構，程序存儲器的地址與數據存儲器的地址不能相同；而MCS51系列單片機采用程序存儲器與數據存儲器分開編址的哈佛結構，程序存儲器的地址與數據存儲器的地址不沖突，可以相同，因而其數據存儲器擴展容易，而且整個數據存儲器地址空間連續。MCS96系列單片機的普林斯頓內存體系結構決定了不能簡單采用與MCS51系列單片機相同的數據存儲器擴展技術。本文針對MCS96系列單片機的內存體系結構特點給出一種段式管理的大容量的數據存儲器擴展技術。

1 段式管理的大容量數據存儲器擴展技術

設計思想概述：針對MCS96系列單片機的存儲結構特點，可看出擴展的數據存儲器的低16位地址不能與程序存儲器的地址相同，因此，必須從MCS96系列單片機的內存體系結構中找出一個專門的區域。本文將此區域定義為段，對其進行擴展，通過各段的高地址來區分不同段。由于各段的實際物理地址是不相連的，從用戶角度看，直接使用物理地址編程很麻煩，因此設計一個邏輯段表來管理，并且設計一個簡單的子程序來完成邏輯地址與物理地址的轉換，從而便于用戶編程。具體過程如下。

1.1 段的設置區域

根據圖1所示MCS96系列單片機的內存體系結構分配圖可以看出，0100H～1FFDH，4000H～0FFFFH兩個區域可以給外部存儲器及I/O口使用。0100H～1FFDH的區域較小，考慮到一般應用系統的程序較短，只有同KB，I/O口地址更少，因而可以將此區域分析給外部程序存儲器與I/O 口。4000H～0FFFFH區域分配給外部數據存儲器。由于一般數據存儲順芯片的存儲地址容量為2NKB（N為大于零的整數），因此，這48KB的區域可以劃分為32KB與16KB的兩個區間。如果要求大容量存儲地址空間，則可以把以上48KB的區域整個看成一個段，或者將區域的一部分看成一個段，多設置幾個這樣的段就可以解決。

1.2 段的存儲空間的最佳設置

由于段的空間的設置區域在4000H～0FFFFH的48KB的存儲地址空間，因而有三種段的存儲地址空間大小的設置方案。
①每段設為起始地址相同的32KB；
②每段都設為48KB；
③一些段設為48KB；一些段設為32KB。

由于方案2與3采用32KB的存儲區間與16KB的存儲區間組成段，因而在硬件設計方面使地址譯碼器與存儲器的連接復雜，更不便于對各段存取管理，尤其對于數據存儲器采用單個大容量的EEPROM或FLASH RAM時，硬件設計更是困難；而方案1則只采用32KB的芯片組成段，而且起始地址相同，對于數據存儲器采用多個32KB的RAM芯片，或者數據存儲器采用單個大容量的EEPROM或FLASH RAM芯片中（可在其內部劃分為多個32KB段），在硬件設計方面非常簡單，也便于用邏輯段表進行存取管理。因而要用方案1，即段的存儲空間大小的最佳設置為32KB。

1.3 段的存取控制

1.3.1 存儲器邏輯段與物理段的關系

由于段的存儲地址空間大小的最佳設置為32KB，各段的實際物理地址為物理段號加上物理段內地址，因此，可設物理段號的存儲單元為8bit。這樣，整個擴展數據存儲器容量為256×32KB，即8MB，對于一般的單片機應用系統已經遠遠滿足了。由于各物理段之間地址不連續，用戶直接使用物理地址編程不方便，因而要采用連續的邏輯地址供用戶使用，來對各物理段訪問。邏輯地址分為邏輯段號與邏輯偏移地址兩部分，邏輯段號的存儲單元也為8bit，但由于邏輯偏移地址為16bit，因而一個邏輯段的大小為64KB，地址從0000H～0FFFFH，即1個邏輯段與2個物理段相對應，所以邏輯段的個數為實際物理段的個數的一半。對物理段與邏輯段進行編號，設邏輯段的個數為N個，編號為0，1，2，…，N-1，可以用圖2來表示二者的對應關系。