基于PLD的嵌入式系统外存模块设计

3 地址分配

有了上面的存储器扩展方法，再结合系统的技术参数和单片机的特点，就可以做出一套合理的内存地址分配方案。下面给出单片机的地址划分情况：

0000H~01FFH 系统寄存器区，保留0200H~1EFFH用户区，直接映射到Flash ROM中的

0200H~1EFFH 可以用来存放数据、程序等，该区域可以由单片机直接进行寻址。

1FOOH~1FFFH 用户区，实际使用中把Address—1lR、Address_F_WP等地址以及一些特殊设备如A／D转换器、LCD显示屏等的访问地址设置在这个区域。

2000H~207FH 该区域是中断向量区、芯片配置字节区、保留字区等，直接映射到Flash ROM中的2000H-207FH。

2080H～8FFFH 用户区，单片机启动也是从 2080H 处开始执行程序的，因此把这个地址范围直接映射到 Flash ROM 的2080H～8FFFH,该区域设置系统的引导、初始化等程序。

9000H～FFFFH 用户区，将这一段映射到 RAM 的9000H～FFFFH，作为系统程序的运行区域。
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    上面的分配方案可以通过对地址总线进行译码生成相应的片选信号／CSl和／CS2来实现。这样分配后，Flash ROM 和 RAM 的使用情况如图4所示。

图4中白色区域是单片机通过总线直接寻址的区域，可以由单片机直接进行访问。灰色区域为内存的扩展区域，不能被单片机直接访问，但可以通过前面介绍的方法由EPLD生成地址进行读写操作。下面简要介绍一下各个区域在实际中的用途：Flash ROM中的0000H~1FFH和1F00H～1FFFH因为容量很小，没有被利用。系统启动后从Flash ROM的2080H处开始执行程序，将2000H~8FFFH的内容复制到RAM中的9000H~FFFFH，然后跳转到RAM中执行系统程序。由于Hash ROM的速度慢，需要在读写过程中插入一定量的等待周期，因此将程序复制到RAM中执行可以提高系统的性能；同时系统在对Flash ROM进行写入操作后，编程阶段的10ms内不能对其进行读取，因此RAM在这个时候也提供了程序运行的位置。这样分配后，程序的长度被限制在28K字节，实际中这个数量完全可以满足系统的需求。Hash ROM中的9000~FFFFH共28K字节，用来保存4段系统运行配置程序，每段长度可达7K字节；10000H-

1FFFFH共64K字节，用来作为采集数据的保存区域。RAM中的0000H~8FFFH共36K字节，用来作为数据的缓存区域。从上面的分析可以看出，最终设计的各项指标都已经超过实际的需求，能很好地解决实际应用问题。

4 合理利用日EADY信号

最后介绍一下单片机就绪信号READY在这个系统中的关键作用。从前面的设计中可以看出系统存在着高速RAM和慢速Hash ROM存储器，开始时，Hash ROM选用了AT29C1024-70JCt31，它是该型号中速度最快的，有效数据建立时间仅为70ns。单片机不插入等待周期的读写时序，如图5所示。

从ALE下降沿地址有效到／RD上升沿的时间是80ns，Hash的响应时间为70ns，再加上EPLD的延时就造成了单片机从Hash ROM读取数据的不稳定，表现在无法对Flash ROM进行在线写入、经常发生错误的执行结果、死机等。为此必须加入等待周期，延长读、写时间才能满足Hash ROM的要求。在这里只需插入一个等待周期(100ns)便可以满足要求，因此设置芯片配置字节CCR．5=0，CCR．4；0[1]。这样，当READY信号为低电平时便自动插入且仅插入一个等待周期。一个简单的做法就是把Flash ROM的片选信号／CS2连接到READY，这样，当选中Flash ROM芯片时READY信号就跟随／CS2同时变为低电平。按照这样的设想可在EPLD内部重新设置READY信号，描述如下：

ready=!(((a[15．．0]>=H"0200")&(a [15．．0]<：=H"1EFF"))

#((a[15．．0]>=H"2000")&(a[15．．0]<=H"8FFF"))#(a[15．．0]= =Address_F_R)

#(a[15．．0]= =Address_F_W)&! ALE)
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    可是实际故障依旧，通过测试得到的时序信号如图6所示。

READY信号的产生落后ALE下降沿5ns，造成READY信号产生无效，解决这个问题的唯一方法是提前生成READY信号。实际中有效地址是在ALE下降沿锁存后产生的，这也是READY信号产生表达式中最后一项的来源，但是考虑到地址的产生应该发生在ALE下降沿之前，以保证锁存到正确的地址。因此大胆设想让READY信号的产生不再受ALE的控制，只要总线上产生地址就可以作出判断，从而提前生成READY信号。但这样的做法破坏了同步时序，而且异步生成READY信号容易产生冒险现象。通过分析，可以发现异步生成

READY信号并不会带来任何不稳定因素，因此修改READY信号如下：

ready=!(((a[15..0]>=H"0200")&(a[15．．0]<=H"1EFF"))

#((a[15．．0]>=H"2000")&(a[15．．0]<=H"8FFF"))

#(a[15．．0)= =Address_F_R)

#(a[15．．0]= =Address_F_W)

即去掉了对地址有效信号ALE的判断。修改后系统工作稳定、正常。修改后对Hash ROM的读写时序如图7所示，而对RAM读写的时序依旧是图6，目的达到。考虑到插入一个等待周期后大大增加了读写时间，因此将AT29C1024-70JC换成廉价的AT29C1024-12JC(有效数据建立时间为120ns)[3]，系统依然能够稳定工作。通过使用，证明这种存储器设计方案是可行的。
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    前面详细地介绍了一种实用的存储器扩展方法，该方法是基于PLD器件实现的，有效地解决了嵌入式系统，尤其是数据采集、存储系统中内存扩展的问题。该方法能够简化程序设计，并且不需要随CPU型号的变化而修改设计，具有很好的可移植性。同时还给出了一种较为复杂的单片机外部存储器的组织方案，包括了Flash ROM和RAM构成的存储系统。最后提出了将READY信号由同步产生改为异步产生的方式，解决了CPU在高速RAM与低速Flash ROM之间切换产生的问题，最终设计成了一套较为完善的CPU外部存储器系统。