CPLD擴展51單片機尋址范圍

引言：

受其內部資源的限制，在很多應用中，單片機需要在片外擴展相關資源，如程序存儲器，數據存儲器，IO口，以及中斷源等等。一般情況下51單片機地址線為16根（P0及P2），因此其地址空間為，也即64K。考慮到某些不需要高速度的應用場合，可以用單片機的一個八位IO口（如P0），多次輸出地址，通過CPLD將這些地址位整合起來，并輸出到相應的設備，這樣，即可實現用單片機的一個八位IO口來實現多位地址的功能。

1． 51單片機擴展FLASH存儲器

51單片機的系統擴展以單片機的P2口作為指令地址的高八位，P0口作為低八位地址并復用為數據線。下面以擴展ATMEL公司的AT29C020 flash芯片為例，該芯片地址線18根，容量為256K字節,其讀寫時序如圖1：

如果采用上述常用接法，則用P0口通過74LS373接AT29C020地址低八位，同時P0接AT29C020的八位數據口，P2接高八位地址，而AT29C020的A16,A17兩位地址位接P1.0,P1.1，從而由P1.0,P1.1與P0和P2口共同構成18位地址線

由接線圖可知，對AT29C020進行讀寫操作時，需先將P1.0和P1.1置成相應電平，然后將低16位地址寫入DPTR,再用指令 MOVX A, @DPTR或者MOVX @DPTR, A 來讀或寫AT29C020。

可見，為滿足18位地址的AT29C020，單片機共用去了包括P0,P1,P2在內的18個IO口，同時考慮到P3口一般復用為其他功能，如果系統還需要進行其它的IO操作（比如將flash中的數據輸出到LCD顯示），硬件資源已經是捉襟見肘。并且隨著存儲器的容量進一步擴大，IO資源將更加緊張。所以在下文中，將討論如何使用CPLD芯片來擴展單片機的尋址空間。

2． MAX7128S CPLD

CPLD屬于ASIC，其內部有大量的門電路，通過軟件編程可以實現這些門電路的不同連接關系，從而使CPLD對外完成不同的功能，而這些連接關系可以通過軟件的改變而不斷的改變。從功能上來看，CPLD可以完成任何數字器件的功能，上至高性能的CPU,下至簡單的74電路。

目前，最大的兩家PLD/FPGA廠商分別是ALTERA以及XILINX，其中Altera 公司的產品基本上都屬于CPLD 結構。由于它的內部連線均采用連續式互聯結構，MAX 系列是Altera 目前最為流行，使用最廣泛的兩個系列之一。本文所采用的MAX7128S芯片就是屬于MAX7000S系列的一款CPLD芯片，它包含1800個可用門，96個宏單元。

3. 相關硬件及接線示意圖

本應用中單片機選用PHILIPS公司的P89C61X2，相關硬件連接示意圖見圖三

4．CPLD及單片機程序設計

在應用中，將CPLD的4，5，6，8，9，10，11，12，15，16，17，18，20，21，22，24，25，27腳配置成連接 AT29C020地址線，將46，48，49，50，51，52，54，55腳配置成接受單片機P0口地址數據的輸入口，并將41，44腳配置成連接 FLASH芯片的WE,OE引腳。

4.1 CPLD程序

本例中，采用硬件描述語言VHDL來編寫CPLD程序，相關代碼如下：
entity mcu_to_flash is
port ( clk : in std_logic;
add : in bit_vector (7 downto 0); --地址輸入
flash_add : out bit_vector (17 downto 0); --地址輸出（到flash）
oe : out std_logic; --到flash的oe
we : out std_logic ); --到flash的we
end mcu_flash;
architecture func1 of mcu_flash is
signal counter : integer range 0 to 10000; --定義一個計數器
signal add_reg : bit_vector (17 downto 0); --定義寄存器add_reg用于緩存地址
begin
process (clk)
begin
if (clk'event and clk='1') then
case add(7 downto 6) is
when 00 =>
add_reg (5 downto 0) = add (5 downto 0); --地址0到5
counter = 0;
when 01 =>
add_reg (11 downto 6) = add (5 downto 0); --地址6-11
counter = counter + 1;
if (counter = 5) then --恢復OE,WE到高電平，為后面產生下降沿作準備
oe = '1';
we = '1';
end if;
when 10 =>
add_reg (17 downto 12) = add (5 downto 0); --地址12-17
counter = 0;
when 11 =>
flash_add = add_reg; --輸出地址
counter = counter + 1;
if (counter = 5) then --產生OE,WE的下降沿
oe = '0';
end if;
end case;
end if;
end process;
end func1;

從程序可見，本例中單片機需要寫四次P0口進行一次讀/寫操作，且這四次寫入P0的數據的高兩位應該分別為 “00”；“01”；“10”；“11”，CPLD將該兩位作為標志位判斷其后六位分別是所需地址的哪幾位，將前三次P0口數據的低六位“拼”成 FLASH的18位地址，并在第四次寫P0口時將該地址輸出到FLASH的相應地址位，同時由CPLD產生OE或者WE的下降沿信號，以滿足FLASH的讀/寫時序要求。

上述VHDL程序經MAX+PLUS II仿真器進行仿真，結果如圖四：

如圖，仿真中共有兩次讀操作。第一次操作時四次輸入的地址值（十六進制）分別為：2C,4D,93,FD, 也即二進制的“00101100”；“01001101”；“10010011”；“11111101”，如前所述，此時希望得到的地址應該是 “010011001101101100”，換算成16進制即為1336C,與仿真結果一致，同時，在地址線（flash_add）得到地址值一段時間（時間值由程序中counter值判斷條件控制）之后，OE產生下降沿，與FLASH芯片讀寫時續的要求一致。可以驗證，第二次結果也和預期一致。值得注意的是，在仿真中，方便起見CPLD的時鐘輸入并沒有和實際硬件一致，故在實際應用中，程序里面“counter”后一次判斷條件中的數值應該保證能夠滿足FLASH芯片的時值要求。此外，針對本試驗，程序中只給出了OE的下降沿，實際應用中，需要根據需要給出WE的下降沿。

4.2單片機程序
void Readflash (unsigned int add)
{char temp1,temp2,temp3; //定義三個變量緩存分三次輸入的地址
temp1=add; //低六位地址
temp1 = 0x3f; //將高兩位清零，作為第一次寫P0口的值
temp2=add>>6; //中六位地址
temp2 = 0x3f;
temp2 |= 0x40; //將高兩位置為01，作為第二次寫P0口的值
temp3=add>>12; //高六位地址
temp3 = 0x3f;
temp3 |= 0x80; //將高兩位置為11，作為第三次寫P0口的值
P0=temp1; P0=temp2; P0=temp3; P2=0xc0; }
//寫P0口四次，寫完之后，AT29C020的數據端口即輸出有效數據。

可見，函數Readflash的入口地址為FLASH芯片的18位地址，調用該函數后，FLASH芯片的輸出為該地址對應的數據，即可進行下一步的操作。

5．實驗結果

本例中，用單片機的P1口讀出該數據，并用P2口輸出到8個LED，以判斷數據是否正確。經過多次試驗，證明所讀出的數據正確無誤。（FLASH中已經在實驗前寫入數據）

6．小結

本文提出了一種用CPLD器件擴展51單片機尋址范圍的思路，并通過實際驗證可行。在實際應用中，可以考慮用CPLD通過單片機固定的操作時間來判斷單片機的地址信號是所需地址空間中的哪一個部分，從而替代本例中所采用的標志位，在不損失時間的情況下進一步擴大尋址范圍和應用的靈活性。

參考文獻
1 周立功. 單片機與CPLD綜合應用技術. 北京. 北京航空航天大學出版社.
2 楊恒 FPGA/VHDL快速工程實踐入門與提高 北京. 北京航空航天大學出版社.
3 馬忠梅．單片機的C語言應用程序設計．北京：北京航空航天大學出版社