外文翻译-基于MCS-51单片机结构中16MB寻址空间的设计

毕业（设计）论文 英 文 翻 译 系 别 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 报告日期 基于 片机结构中 16址空间的设计 景伟良， 胡 越 利 ，曹家林（音译） 上海大学微电子研究与开发中心 中国上海市延长路 149 号，邮编 200072 邮编： 电话 :086- 021- 56331271 翻译 ：武俊宏 191001 班， 103568 号 摘要： 本文 所介绍的是一种基于 构的 处理器，即单片 机 ） 进行 16址 空间 的设计。外部数据和程序存储容量从 64大到到 16时分复用地址总线却没有增量这样的 改变 使得 整个指令集 趋于更好 。因此，一个 有着大量 数据和 复杂 算法 的程序 可以在这个单片机 上处理和运行 。 在前边的设计成功模拟之后 ， 在 核处理器） 开发板 实地 实验 验证了该设计 是正确的。此外，此设计的增益 在实际应用中效果 良好 ， 并允许 单片机 来控制 一个拥有 超过 64 图像处理系统 。 关键字： 片机，单片机，程序地址，寻址空间 1. 简介 一个 芯片多处理器） 架构在我们的 “ 皮肤诊断 “ 机器视觉芯片 得到应用 。 它的 每一个 子 处理器都有自己的责任，包括机器视觉的常用算法，数据库 和 知识库管理等，无需用户参与，而主处理器 直接 面向用户。 其 指令集 与 全兼容 ，可同样 执行 指令为 用户处理某些图像 处理算法 。 由于系统应用工程师不 再 需要学习专业的图像处理 知识 ， 而有关 机器视觉 的培训 和编程 就可以 实现某些 相关 功能，因此 机器视觉技术可以很容易的使用在 各种单片机领域。 为了实现上述目标 ， 一个单片机 必须 能够控制和处理复杂的计算 。 它机器视觉芯片的 核心和基本组成 部分。众所周知 ,， 使用历史悠久 ，为满足 各种各样的应用领域 并且数量众多的 第三方软件和仿真工具 ， 因此 ，一个 构的单片机被设计了出来 。但 程序空间和数据 容量 分别只有 64 。这样的尺寸不能满足图像处理 所需求的 巨大数据 量 和复杂算法。如果 51 单片机的寻址空间可 扩大而并 不改变指令集和 端口或引脚的定义 , 那么 构 的单片机性能会在 很大程度上 得到 改善和增强。 本文 提出了一 种时分复用 方法设计并实现 16数据 空间 和 16序地址空间。 址空间的设计 案 据存储器 一个 8 位的 殊功能寄存器） “ 数据指针到被添加的一个16 外部数据存储器的 页面 地址 ，以便 单片机 访问 这个 16空间。每一页的大小是 64 16数据存储器 被 分为 256（ 28）页。作为一个标准 的 址方法在每一页都 是一样的 。 页面 地址发出的 最高的 8 位 ，通过 送的 中 8 位地址和低 8 位地址 ，就是 作为一个标准的 8051发送 的 16 位地址。 图 1 外部数据存储 器与单片机连接 单片机的连接方法及其外部数据存储器如图 1 所示。地址锁存 1 锁存低 8 位地址，地址锁存 2 锁存高 8 位地址。在高 8 位地址被锁存后，中 8 位地址会发送出去。 序存储器 开始前构思的关于使得单片机能够访问 16序存储器的两个设计想法： 其 一是改变指令集。例如， 原 令有 16 位操作数 ， 我们可以改变 它们为有 24 位操作数 令 ，而且在 16寻址空间中允许一个 序地址）跳到另一个程序 模块或者调用 另一个 任意子模块 。这是在此设计议 题下相对容易的修改 ，但标准的 译 程序 必须进行修改，甚至重新设计。 否则， 原指令在 标准的编译器 下 不能被正确解码。因此，这样修改指令集 后的单片机难以广泛使用，也不利于它们的传播和兼容性使用。 另一种 方案 是 对一个 程序存储器 进行逻辑分割，而 不改变 任何 指令。 一个 可寻址 的 16序存储空间包括 256 个数据块，而每一个数据块地址可 确定 24 位地址 中最高的 8 位 。在每一个 64数据 块 中 任何特定的地址 包含了一个 24 位程序地址的 中 8 位和 低 8 位，而一个 序计数器） 保存这个程序地址中的 低 16 位 数据。 图 2 程序存储器的空间结构 为了 使单片机设计具有更好的兼容性，我们采用第二种 方法，即 标准的 有额外 的 8 位地址线 也 不 添 加。图 2 显示了扩展程序 存储器的内存寻址空间结构。 个数据存储器的 16址空间 据指针寄存器（ 一个数据指针由三个八位寄存器组成，分别是： 地址为 95H，该寄存器可以由用户自定义， 它存储 一个 24 位程序地址的 高 8 位 。 地址 是 82H 和 83H，这 两个寄存器也可以由用户自定义。 它 们 保持一个 24 位程序地址的 低 8 位和 中 8 位 。 动检测逻辑 这项工作提出了自动检测逻辑实现跨页的方式。 “ 指令，其地址为 是 添加到 单片机的 。当 单片机 访问外部数据存储器 时， 令可能 导致 低 16 位的值从 变为 0000H 或 从 0000H 变成 及 跨页的情况 业 可能发生。 在这样的情况下一个 自动检测逻辑将 会 增加或减少 内容 ，因此，数据可以被正确地写入或读出 在 16数据存储器中的上一个或下一个页面。编码中实现跨页功能一些部分会在 图 3 中显示 。 其中， 0是 “ 指令 的 一个解码信号 而 1是“ 指令的是一 个 解码信号。 个 工作时钟。 图 3 一个自动检测逻辑的部分代码 序存储器的 16M 寻址空间 在 单片机中 ， 制模块 的设计计算和存下一个指令存储单元 的地址 。 生成一个 8 位数据块地址 ， 形成一个 24 位 的程序地址和一个 16 位的 程序计数器而 被这四个部分控制和管理。 A（程序地址）和 序计数器） 为了加快 单片机 的处理速度， 就采取了一种 预取技术。 读取 下一个指令的 24位地址的第三阶段 处于当前指令的最后一个机器周期。而 程序存储器的每个内部单元 地址来自一个 据所有被传输和存储的指令 操作码和操作数这 二者的地址 。当 位或电源供电 时， 24 位 初始值是 000000H 。 程序计数器（ 一个 16 位专 用寄存器 ， 并且可以使 单片机 处理一个 64当 位或电源 供能时 ，一个 16 位 初始值 为 0000H 。 存器独立 寄存器 且不能访问用户 2。 一个 低 16 位 地址和 整个 16 位 地址是一样的，除了当 令执行时 。例如， 就像 “ A， A+或 “ ， A+指令正在执行时， 发生变化，而 内容 必须更改为（ A+或（ A+值，以使以在更新后的地址读取数据并分配 它们 到累加器。 因此， 控制逻辑电路 和 有一些细微的不同之处。 地址生成器 块地址发生器负责产生 高 8 位 地址 ，因此 ， 块地址源顺 的 序设计正确与否 将 直接决定 程序 是否可以正常运行。块地址有三个来源除了默认值 “00H”还有 ：用户可以自定义数据； 令 执行后， 从外部或内部 堆 栈数据 ； 程序 跳 转到 相邻块 后 程序块地址 的更新 。 请看 图 4： 块 地址 生成 器结 构。 图 4 块地址生成器的结构 特殊功能寄存器 用户应该 在 令处理 前 定义 确定的 块地址 ，这是 为了 跳过其他模块 或调用位于其它块 的 子模块。实现这一目标的具体方法是 在单片机中 添加一个名为 新的特殊功能寄存器， 其地址为 并且 系统复位后，它的 值 将会被 设置为 00H。用户可以在运行 令前写一个 8 位的块地址到这 个 殊功能寄存器）中 。在图 4 中 ， 一个 允许写入信号而 存储由用户自定义的块地址。 断 /调用后的块地址 如图 4 所示， 储 的 块地址 是从 堆栈 中弹出的一个 外 部数据存储器 中的值，而 存储 的 块地址 是从堆栈中弹出的一个 内部数据存储器 中的值 。 令 结束时 ， 最初 存储在外部或内部 存储器中的块 地址从堆栈 中弹出并发送 个块地址的自动增量 在图 4 中，下一个块地址（ ）被存储在 当程序运行 时 有序通过两个相邻的块， 值 会自动更新到的 得单片机在下一个块初就 可以正确读取下一 个 操作码或操作数 。 对跳转后的块地址 上一个块 地址值（ 1 ）被存储在图 4 所示 。当程序跳转到相对前一个块时， 值会自动更新到 当程序跳转到下一个块 的相对块时 ， 值更 改到 工作站上的仿真 工作站上 对 软核 进行的 仿真 相对 彻底（ 该工作站上的仿真 工具 是 。 汇编语言代码测试 令的部分 如 图 5 中所 描述。 目的是验证 16序寻址 空间 的设计方案 是正确的。当某个程序运行有序 的 通过两个相邻块 时， 值 会自动增一 。任何程序都可以在每块或整个区块 不仅自由而且准确的进行 相对跳跃。 图 5 令的测试代码 测试结果的波形 图如下 所示。 态机 的 一个 信号和 样是 24 位 图 6 6 是测试代码的起始波形， 送数据和一个 低 8 位的每一个其他阶段数。“ 3” 是“ 机器代码。 图 7 #01H, 图 7 中 ，“ 1 66” 是 “ 01H， 机器代码 。在该指令结束时， 示 1900地址 和 “1 ， 0将被处理。 图 8 1, 11H 在图 8 中， “1 90 ” 是 “ 1， 11H” 的机器代码。由于如跳跃或调用这类指令没有 处理， 会自增一 。 图 9 #0图 9 中 ， “7 是 “ #0的机器代码。在该指令结束 时， 减一，相对 相邻块 的 跳 转 实现。 证 软核 在 发板 上也被验证 。一个特定的测试环境 的 描述如下： 外部中断源为零（ 置为优先于外部中断源一（ 该主程序运行时， 有效信号 比 更早 出现。 而随着 模块 被 处理， 生 有效信号。 优先级 较低 ，所以它的中断子模块将暂停 而 中断子模块将被执行。当 子模块完成后 ， 会被 改 变到 模块已 被 停止 处而 该模块将继续 执行 ，直到 执行到 该子模块的 底 部。到那时，主程序将被再次激活。 一个 上的两个乒乓键 提供 。该 模块的作用是使 字 1有序的 显示 M 次 ，而 模块可以让 数字 “ 0”有 序 的显示 MN） 。主程序的功能是激活电路 板上 的 蜂鸣器。中断入口的地址均位于和 这三个模块被放在不同的块 中 。 在设计通过在 台（阿尔特拉公司）上的编译和仿真后， 存器传输等级级 )单片机的 存器传输等级级 )代码就是 这个实验的目的是验证程序可以返回 4位的指针可以正确地推入或弹出堆栈。实验结果与我们预期的一样，实现这一功能的设计被证明是正确的。 这个拥有 16数据和 16址空间 的单片机是基于 构的单片机所 设计 的。 该指令集与标准 8051 完全兼容，因此那些支持 51 系列 的 工具和第三方软件都可以使用。工作站和 仿真 已验证了该设计 是正确的。作为知识产权）内核， 被嵌入到 芯片多处理器）结构的图像处理系统芯片 中 。成本低，功能强大，兼容性好和巨大的寻址空间 ，这些 优点使 这种 有非常广泛的 应用领域。 致谢 作者感谢包括逻辑、合成、位置、线路、 测试产品工程师为整个设计团队所做的贡献。 参考资料 1 英特尔公司单片机手册， 特尔公司 (1984), 62 051 单片机的编程和自定义 , 1999), 7景伟良 ， 1980 出生于中国上海。 2003 年在中国上海大学获得 电气工程工学