在Bank Switch基礎(chǔ)上 實(shí)現(xiàn)大程序和數(shù)據(jù)空間

MCS51系列單片機(jī)是目前應(yīng)用非常廣泛的8位MCU。MCS5l系列單片機(jī)的地址總線為16位，不作擴(kuò)展的情況下其最大的程序和數(shù)據(jù)地址空間為64 KB。但是隨著控制領(lǐng)域的不斷智能化、復(fù)雜化，程序代碼或數(shù)據(jù)空間的大小可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于64 KB。結(jié)合相應(yīng)的硬件地址擴(kuò)展，使用KeilC5l的Blank Switch技術(shù)可生成代碼長度和數(shù)據(jù)空間大于64 KB的目標(biāo)程序。 Keil C5l的Blank Switch技術(shù)突破了51系列單片機(jī)在地址空間方面的不足，在很多領(lǐng)域中拓展了它的使用。筆者就曾使用Blank Switch開發(fā)了程序空間為512 KB，數(shù)據(jù)空間為256 KB的一個較復(fù)雜的程控交換機(jī)控制程序。 本文以該程控交換機(jī)主控制部分的實(shí)現(xiàn)過程為例，介紹KeilC5l的Blank Switch技術(shù)的具體應(yīng)用。 1 Blank Switch技術(shù)介紹 具體實(shí)現(xiàn)Blank Switch技術(shù)的是KeilC5l中的分組連接定位器BL5l。Keil C5l語言源程序經(jīng)過C5l編譯器編譯后，生成浮動地址的目標(biāo)代碼文件。這種浮動地址的目標(biāo)代碼必須經(jīng)過連接定位器BL5l的連接和定位，生成具有絕對地址的目標(biāo)代碼，才能寫入程序存儲器正常運(yùn)行。 BL51支持分組連接定位，允許生成代碼大于64 KB的目標(biāo)程序，可以在具有適當(dāng)硬件擴(kuò)展邏輯的系統(tǒng)中進(jìn)行代碼組之間的切換，以達(dá)到正常運(yùn)行的目的。 V5.03版本的BL5l可以管理最多64個代碼組，每個代碼組最大為64 KB。BL51連接定位器生成的0MF5l格式的絕對目標(biāo)文件，可裝入dSCOpe51或Intel兼容的仿真器進(jìn)行調(diào)試，也可通過符號轉(zhuǎn)換器OH51轉(zhuǎn)換成IntelHex文件以便于EPROM編程。 在Keil C5l開發(fā)工具的快速更新過程中，LX51成為功能更為完善的連接定位器，使用它替代BL51能夠增加更多的連接定位功能。筆者使用LX5l可以更加方便程序的開發(fā)。 2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 在采用BL5l對目標(biāo)程序進(jìn)行分組連接定位時，要求系統(tǒng)具有相應(yīng)的硬件分組擴(kuò)展邏輯。BL5l默認(rèn)的分組方式是采用MCU的P1端口作硬件擴(kuò)展地址線．采用l條Pl引腳時，分組數(shù)為2，采用6條P1引腳時，最多可分為64個代碼組，剩余的Pl口線也可做其他用途。 硬件分組還可采用外部數(shù)據(jù)存儲器XDATA空間地址單元來進(jìn)行，與采用805l的Pl端口作為分組地址線不同的是，對于一個指定用于分組地址的XDATA端口字節(jié)中的剩余位，不能再用于其他目的。 在系統(tǒng)中，以Pl端口作硬件擴(kuò)展地址線，使用了4條Pl引腳(P1.4"P1.7)。主控部分硬件基本原理圖如圖1所示。在這里，去除了外圍控制接口(如串口)與其他CPU的互聯(lián)等電路，主要突出如何實(shí)現(xiàn)使用Pl端口作硬件擴(kuò)展來增加程序空間和數(shù)據(jù)空間．筆者使用Flash29C040作為程序存儲器，通過Pl擴(kuò)展引腳與該芯片的高4位地址線相連，使用32 KB空間的62256作為外部數(shù)據(jù)存儲器。由于程控交換機(jī)中有很多參數(shù)和設(shè)置數(shù)據(jù)需要斷電保存，所以使用了另一Flash29CO4O作為擴(kuò)展的外部數(shù)據(jù)存儲器。 在這里需要注意的是，CPU地址線的最高位(P2.7)并不是直接與對應(yīng)的程序Flash 29C040和數(shù)據(jù)Flash29C040地址線相連。在和程序存儲器的連接中，P2.7和Pl端口通過與的關(guān)系連接到Flash 29C040的地址線高4位。公共代碼區(qū)域程序始終都是從Flash 29C040的低32 KB中讀取，而不需要在每個分組前存放32 KB的公共代碼區(qū)域程序，從而節(jié)約了存儲空間。 在和數(shù)據(jù)存儲器的連接中，增加了P1.O和P2.7組合對數(shù)據(jù)Flash 29C040的片選，主要是考慮可以增加主控芯片對外圍器件的控制。例如，當(dāng)設(shè)置P1.0為0，地址為高32KB時，可以擴(kuò)展增加訪問串口或其他器件。在本文就不再對該部分內(nèi)容詳細(xì)描述了。同時，需要注意安排好變量的存儲地址，這一點(diǎn)將在下文中詳細(xì)描述。 在程序設(shè)計(jì)過程中，P1擴(kuò)展地址線對程序員而言是不可見的。由BL5l產(chǎn)生的代碼來控制硬件的擴(kuò)展引腳和代碼組的切換，這使程序員只需要將精力花費(fèi)在代碼編寫和代碼組的安排上，大大提高了程序設(shè)計(jì)效率和穩(wěn)定性。 3 KeilC51的環(huán)境設(shè)置 除需要正確設(shè)計(jì)硬件電路，同時還要對Keil C5l提供的文件和環(huán)境進(jìn)行正確設(shè)置才能真正實(shí)現(xiàn)地址的擴(kuò)展。下面是需要進(jìn)行相關(guān)配置的幾項(xiàng)。 在菜單Project選擇中選擇Option for Target“Tar-get”選擇項(xiàng)，按圖2所示進(jìn)行項(xiàng)目配置。 ◆由于使用4個Pl引腳進(jìn)行硬件的擴(kuò)展，所以在Banks選擇中使用16個物理頁。 ◆使用32KB作為一個分頁的空間大小，所以在Bank Area中寫入地址范圍為0x8000"0xffff。 ◆由于使用了擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲空間，所以選擇支持使用“far”變量類型，這樣就能方便地使用FARRAY、FVAR等宏和指針來訪問擴(kuò)展的空間地址。 在菜單Project選擇中選擇Option for Target“Output”選擇項(xiàng)，按圖3所示進(jìn)行項(xiàng)目配置。 在輸出的文件格式上使用HEX-386的文件格式。這是使用LX51連接定位器時產(chǎn)生的一種擴(kuò)展型的HEX文件類型。 在工程窗體中，對工程中的每個源程序合理安排分組的位置，有以下幾點(diǎn)需要特別注意： ◆復(fù)位和中斷向量、代碼常數(shù)、C51中斷函數(shù)、組切跳轉(zhuǎn)表、庫函數(shù)這些代碼必須安排在公共代碼區(qū)域。 ◆代碼組切換需要大約50個機(jī)器周期和2字節(jié)的堆棧空間。因此應(yīng)當(dāng)仔細(xì)安排程序結(jié)構(gòu)以盡量減少代碼之間的切換。被整個程序經(jīng)常調(diào)用的函數(shù)應(yīng)當(dāng)安排在公共代碼區(qū)域。同時，同一功能模塊的函數(shù)大多相互調(diào)用，所以應(yīng)當(dāng)安排在同一代碼組，以減少代碼組的切換，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。 ◆L5l_BANK.A51必須安排在公共代碼區(qū)域。令Common代碼組和BankO代碼組在物理上實(shí)際是同一個代碼組，所以不要使用Bank0代碼組來給源程序分配空間。在L51_BANK．A5l文件中需根據(jù)硬件的具體情況配置修改以下代碼。 ◆?B_NBAbIKS EQU 16 ／／定義最大分組(o"64)，可為2、4、8、16、32、64。 ◆?B_MoDE EQU 0 ／／O：通過8051單片機(jī)的I／0口進(jìn)行分組切換，l：通過XDATA存儲器單元進(jìn)行分組切換。 ◆?B_RTX EQU O ／／0；不使用Keil的實(shí)時操作系統(tǒng) ◆?B_VAR_BANKINGEQU l ／／l；支持變量分頁(數(shù)據(jù)空間擴(kuò)展) ◆?B_FIRSTBIT EQU 4 ／／對應(yīng)最低位的Pl位 在這里需要注意的是，要根據(jù)自己系統(tǒng)的實(shí)際情況來安排硬件設(shè)計(jì)和軟件配置。例如，如果系統(tǒng)中使用了RTX-5l實(shí)時操作系統(tǒng)，那么在L51_BANK．A5l文件中B_RTX應(yīng)當(dāng)改寫為l。 4 程序設(shè)計(jì)的相關(guān)問題 源程序通過對上文中環(huán)境和L5l_BAl7K．A5l文件的設(shè)置后，連接定位器，自行安排目標(biāo)代碼的程序空間和控制代碼組程序切換。一般情況下，不需要程序員作更細(xì)微的安排，但是變量空間的安排需要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)作出合理分配。 從硬件設(shè)計(jì)中可知，當(dāng)CPU的地址線最高位P2.7為0時，不論P(yáng)1擴(kuò)展地址是多少，訪問的數(shù)據(jù)空間是62256。在P2.7為l時，并且P1.0為1時，訪問的數(shù)據(jù)空間是數(shù)據(jù)Flash 29C040。在系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲器訪問地址對應(yīng)的Flash 29C020實(shí)際地址如表l所列。 在實(shí)踐過程中，使用FARRAY、FVAR等宏設(shè)置絕對地址來訪問擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器Flash 29C040取得很理想的效果。FARRAV宏實(shí)現(xiàn)對擴(kuò)展空間以數(shù)組方式的訪問，F(xiàn)VAR宏實(shí)現(xiàn)對擴(kuò)展空間以單個變量方式的訪問。 例如，在頭文件中設(shè)置了如下兩個宏： #define FAExt FARRAY(unsigned int，0x18800)／／0x18800-0xlSfff 2Byte*1024 #define FVHcad FARRAY(1ong，Oxl9000)／／Oxl9000 4 Byte 通過宏FAExtHot可以unsigned int類型數(shù)組訪問29C040。通過宏FVHcad可以long類型的變量訪問29C040(占用其0x9000開始的4個字節(jié))。 下面是讀取數(shù)據(jù)的例子。 unsisned int SingleExt； long Head Comp； SingeExt=FAExt[1]；／／讀取數(shù)組中的第二個數(shù)據(jù) HeadComp=0x559； FVHead=HeadComp；／／寫入數(shù)據(jù)到29C040 需要注意的是： ◆應(yīng)當(dāng)合理安排數(shù)組大小，不要造成存儲空間的重復(fù)使用。例如這個數(shù)組的大小是1024，那么在安排后面的宏FVHead時，其地址應(yīng)當(dāng)在0x18fff之后。 ◆由于使用的擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器是Flash，所以應(yīng)當(dāng)注意Flash的寫入是以頁的方式進(jìn)行的，寫入數(shù)據(jù)時不要將奉頁的其他數(shù)據(jù)擦除掉。 ◆由于系統(tǒng)的實(shí)際需要，使用Flash做擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器，如果應(yīng)用中對RAM的空間需求很大，也可以使用2 Mb空間RAM和2Mb空間Flash的組合來進(jìn)行擴(kuò)展。 ◆也可以使用far類型的變量來訪問擴(kuò)展的數(shù)據(jù)空間，在此不詳細(xì)描述。 結(jié) 語 采用Keil C5l的BankSwitch技術(shù)擴(kuò)展5l系列單片機(jī)程序和數(shù)據(jù)空間，在硬件修改很少的情況下，便可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行大于64KB的程序，訪問大于64 KB的數(shù)據(jù)，充分?jǐn)U展了5l系列單片機(jī)的應(yīng)用空間。