μPSD中存儲器系統的配置(圖)

  介紹μpsd的存儲器系統內部結構和配置方法，討論了相關psdsoft軟件的使用方法。

背景

  如果對st公司的μpsd器件有一定了解，熟悉mcs-51系列單片機的內部結構及原理，使用過psdsoft express和keil開發設計，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結構，即數據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，這決定程序或數據空間不能超過64k。以上兩點是本文所有討論的前提基礎。

μpsd的存儲器系統結構
  μpsd由標準8032核和st公司的psd（可編程系統器件）構成，存儲器系統包含兩個主要部分，一是8032的內部存儲器資源：256b內部ram和128b內部特殊功能寄存器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，聯合實現對存儲器系統的配置。

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。基于mcs-51系統結構特點，在同一個存儲器中運行主程序和改寫程序是不可能實現的。所有用mcs-51來實現iap功能的系統都必須有兩個獨立的存儲器。實現iap的難點在于存儲器的切換控制，體現在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和分頁區的設置，所謂公共區就是在所有的頁面中均為有效的一塊存儲器區。在程序空間中，64k范圍（1頁）內的程序是連續的，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”就是通過公共區實現的。分頁技術的實現方法是：當程序在調用位于分頁區的程序時，首先保存返回地址，然后轉跳到公共區執行，再修改頁寄存器到新的頁號實現頁面的切換，調用程序，返回到公共區，恢復原來頁號，最后從保存的返回地址返回。

  公共區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，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，公共區的大小不能超過64k。公共區必須設在64k范圍的低端，這是因為mcs-51中斷入口地址的原因。公共區中保存所有的公用子程序，中斷服務程序，全局常數表以及系統的初始化部分及頁面切換程序。

μpsd存儲器的空間配置
  μpsd中存儲器系統配置主要是對程序空間的設置，相對而言數據空間的配置稍微簡單一點。μpsd中主/次flash可設置為程序或數據空間，這是由vm寄存器決定的，vm寄存器的作用如表1所示。vm的內容可在運行時由mcu進行修改，這是實現iap的關鍵。在psdsoft軟件流程中可設置主/次flash為程序、數據存儲器或程序/數據混合存儲器，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據空間，“#psen可以/不能訪問”是指此存儲器是否位于數據空間，因為在mcs-51系統中對外部數據/程序空間的訪問就是通過#rd和#psen進行區分的。舉例說明：

  vm=0ch，表示主flash位于程序空間，次flash位于數據空間；

  vm=16h，表示主flash位于數據和程序空間，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只在數據空間有效。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中存儲器系統結構

  如圖1所示，vm位0～4與#rd、#psen聯合實現對主/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iap時，通過vm來實現對主/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換到數據空間，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則：
  規則1．主/次flash塊fs0～fs7，csboot0～csboot3的地址范圍不能大于其物理尺寸；

  規則2．主flash塊fs0～fs7之間地址不能重疊；

  規則3．次flash塊csboot0～csboot3之間地址不能重疊；

  規則4．sram、i/o、外設i/o地址不能重疊；

  規則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，若違反規則2、3、4會出現錯誤，必須修改才能進行下一步；而違反規則1只會發出警告，如果忽略一定要小心。規則5屬于解釋型規則，不會提出任何提示，注意地址重疊情況下優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、雙向mcu數據緩沖器方式，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/數據空間都有效，應在psel0和psel1中加入“！#psen”信號，以保證pio模式僅在訪問數據空間時有效。

圖3 pio模式內部控制結構

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。如果你的系統中不論是程序還是數據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。

  在程序和數據均不超過64k時，不必分頁，pgr0～pgr7不參加譯碼。現在的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中對公共區的設置方法很簡單，只要不填作為公共區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/數據存儲器，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，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據空間，也能實現iap功能。此方案中程序空間可達256k+32k，數據空間是256k（flash）+8k（sram）。用戶可根據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iap或者對主flash數據存儲器進行擦除/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，即次flash中。

參考文獻
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 flash programmable system devices with 8032
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