十六位單片機(jī)ＭＣＳ－９６數(shù)據(jù)總線控制

陳再清

十六位單片機(jī)MCS-96X序列內(nèi)部的硬件構(gòu)造比八位單片機(jī)MCS-51系列復(fù)雜，使得外圍接口電路也變得復(fù)雜，主要體現(xiàn)在片外的總線配制方面。51系列單片機(jī)的總線片內(nèi)、片外均為八位，不存在配制問(wèn)題。而MCS-96片內(nèi)是十六位結(jié)構(gòu)，片外的數(shù)據(jù)總線可以配制成十六位，構(gòu)成全十六位機(jī)；也可以配制成八位，構(gòu)成準(zhǔn)十六位機(jī)。當(dāng)然，后者的性能會(huì)有所下降。而片外的數(shù)據(jù)總線又可分為程序存儲(chǔ)器（ROM或EPROM）數(shù)據(jù)總線和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）數(shù)據(jù)總線，它們可以單獨(dú)配制成十六位或八位，由此搭配而成的方式較多?？梢?jiàn)，片外數(shù)據(jù)總線的配制成了十六位單片機(jī)外圍接口中最復(fù)雜的部分。必須說(shuō)明的是：這里所指的總線都是數(shù)據(jù)總線，因?yàn)椴还芷瑑?nèi)片外，地址線均為十六位。在MCS-96中，以片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器的芯片80C196XX（如80C196KB等）價(jià)格最低廉，故應(yīng)用也最廣。

1.與系統(tǒng)總線有關(guān)的幾條控制線

系統(tǒng)總線的各種配制是依賴MCS-96的有關(guān)幾條控制線（輸入或輸出腳）與芯片配置寄存器CCR的有關(guān)設(shè)置共同來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它們是：

（1）地址總線分離控制線 ALE / ADV 地址片的鎖存信號(hào)，高電平有效的 ALE，或低電平有效的ADV。

（2）讀控制線 RD 從片外讀取指令或數(shù)據(jù)時(shí)，RD低電平有效，而且總是按“字”進(jìn)行。

（3）寫控制線 WRL 和 WRH或 WR、BHE、A0向片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫入數(shù)據(jù)時(shí)，有寫高位字節(jié)、寫低位字節(jié)、同時(shí)寫高位和低位字節(jié)（一個(gè)字）三種寫入方式。根據(jù)總線配置的方式的不同，會(huì)出現(xiàn)不同的控制信號(hào)。

（4）總線寬度選擇線 BUSWIDTH 為0時(shí)選擇八位；為1時(shí)選擇十六位。但它還須與芯片配置寄存器CCR的D1位聯(lián)合進(jìn)行控制。

（5）取指信號(hào)線 INST80C196KB還輸出一根取指信號(hào)線，平時(shí)該線輸出低電平，只有在向片外取指時(shí)變?yōu)楦唠娖剑ㄔ诘刂酚行趦?nèi)）。利用這一特性可以將片外的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分開(kāi)（類似51系列的PSEN信號(hào)線），使總的存儲(chǔ)空間比原來(lái)的多出一倍。

（6）準(zhǔn)備就緒信號(hào)線READY80C196為了適應(yīng)片外慢速存儲(chǔ)器或外設(shè)的時(shí)序要求，在正常執(zhí)行的狀態(tài)周期中插入等待周期，是否等待或等待多久由CCR寄存器的D5、D4位確定。

為了使單片機(jī)能實(shí)現(xiàn)多種總線配置方案，滿足存儲(chǔ)器的接口要求和就緒控制，所有可供靈活選擇的信息都集中在芯片配置寄存器CCR中。有關(guān)該寄存器內(nèi)各位功能請(qǐng)見(jiàn)前期的“準(zhǔn)十六位單片機(jī)8098及80C198”一文中的表2。

外部數(shù)據(jù)總線的寬度不光與CCR 的D1位有關(guān)，還與控制線BUSWIDTH 的狀態(tài)有關(guān)，兩者的關(guān)系，如表 1所示。只有當(dāng)D1=1，BUSWIDTH=1 時(shí)，數(shù)據(jù)總線寬度才為十六位。顯見(jiàn)，當(dāng)D1=1時(shí)，由BUSWIDTH的狀態(tài)就可以單獨(dú)決定總線的寬度，這可以通過(guò)地址線譯碼或程序運(yùn)行來(lái)設(shè)定，使總線寬度隨著功能的需求而進(jìn)行動(dòng)態(tài)的改變。

2.MCS-96外部數(shù)據(jù)總線的四種控制方式

（1）標(biāo)準(zhǔn)總線方式當(dāng)CCR D2=1，CCR D3=1 時(shí)，80C196提供寫信號(hào)WR、BHE 和地址鎖存信號(hào)ALE。當(dāng)總線寬度為十六位時(shí)（BUSWIDTH=1），須由WR、BHE和地址線A0通過(guò)譯碼電路獲得WR HIGH、WR LOW信號(hào)，用來(lái)分別寫偶單元字節(jié)（低位字節(jié)）和奇單元字節(jié)（高位字節(jié)）。當(dāng)總線寬度為八位時(shí)（BUSWIDTH=0），只須用WR信號(hào)就可。地址線送出時(shí)，ALE變高，其下降沿作為外部地址的鎖存信號(hào)。

（2）寫選通方式 當(dāng)CCR D1=1，且總線寬為十六位時(shí)（ BUSWIDTH=1），WR、BHE 被WRL、WRH替代，分別向偶單元和奇單元寫入一個(gè)字節(jié)。當(dāng)總線寬度為八位時(shí)（BUSWIDTH=0），只使用WRL便可。地址鎖存信號(hào)仍為ALE。寫選通方式比標(biāo)準(zhǔn)方式的外部接口要簡(jiǎn)單，不需要譯碼電路，便可直接輸出寫信號(hào)。

此外還有地址有效選通方式，地址有效寫選通方式以1、2兩種較為常用。單片機(jī)還會(huì)因片內(nèi)是否有程序存儲(chǔ)器而使外部的系統(tǒng)總線有所區(qū)別。當(dāng)內(nèi)部有程序存儲(chǔ)器時(shí)（ROM、EPROM等），其外部總線只涉及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），結(jié)構(gòu)顯然要簡(jiǎn)單。

外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)總線并不要求使用相同的寬度，可以分別使用八位和十六位，這兩者又會(huì)出現(xiàn)四種搭配方式：①八位總線程序存儲(chǔ)器 + 八位總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；②十六位總線程序存儲(chǔ)器 + 八位總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；③十六位總線程序存儲(chǔ)器 + 十六位總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；④八位總線程序存儲(chǔ)器 + 十六位總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其中第四種通常不用。限于篇幅，下面僅以③為例進(jìn)行說(shuō)明。

十六位總線程序存儲(chǔ)器 + 十六位總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 其電原理圖見(jiàn)圖1，這是一種全十六位機(jī)，我們采用了最常見(jiàn)的80C196KB。它的封裝采用68腳的PLCC結(jié)構(gòu)。本電路的總線方式為寫選通方式，芯片配制寄存器CCR的內(nèi)容為：11111011B（FBH），其意是：無(wú)保密，不等待，地址信號(hào)線ALE，寫選通信號(hào)WRL和WRH，數(shù)據(jù)總線寬度十六位，BUSWIDTH=1。

采用寫選通方式，寫信號(hào)線由標(biāo)準(zhǔn)方式的WR、BHE 自動(dòng)轉(zhuǎn)換為WRL、WRH，并直接對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行寫控制。它的取指及數(shù)據(jù)的讀、寫都是十六位的字操作（寫數(shù)據(jù)時(shí)還可以單獨(dú)由WRL或WRH分別對(duì)IC6或IC7進(jìn)行字節(jié)操作）。故運(yùn)行速度是最快的。

在器件的選用上，由于很難找到十六位的地址鎖存器，這里用兩片八位的地址鎖存器IC2、IC3串級(jí)使用，分別用于低八位、高八位的地址鎖存，這是一種價(jià)廉物美的方式，使用上也方便。同樣的原因，十六位的程序存儲(chǔ)器也采用了這種方式，用兩片八位的EPROM芯片IC4、IC5串級(jí)使用，分別用于低八位（偶單元）的程序存儲(chǔ)和高八位（奇單元）的程序存儲(chǔ)。由于程序存儲(chǔ)空間為16K×16位，存儲(chǔ)芯片只能用兩片27128。地址區(qū)間為0000～7FFFH。

對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，也是用兩片八位的RAM芯片IC6、IC7串級(jí)使用，IC6、IC7應(yīng)用62128型號(hào)，該型號(hào)難找，此處用62256代替，將該片的地址腳A14接地即可。地址區(qū)間為8000～FFFFH。

必須說(shuō)明的是：經(jīng)IC2、IC3鎖存器輸出的地址線A0～A15中，A0必須空出，而將A1～A14依次接到IC4、IC5的地址腳A0～A13上。原因是取指時(shí)每次讀一個(gè)字（IC4、IC5各讀一個(gè)字節(jié)，且兩片的地址相同），給出的地址必須能包含IC4低位字節(jié)（偶單元）和IC5高位字節(jié)（奇單元）。采用上述接法可以選中一個(gè)字中對(duì)應(yīng)的低位字節(jié)和高位字節(jié)，并通過(guò)AD0～AD7和AD8～AD15讀入到單片機(jī)內(nèi)。

對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，地址線A0也空出不用，A1～A14依次分別接到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器IC6、IC7的A0～A13腳。不過(guò)，寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，有三種寫法：①可以寫一個(gè)字（WRL、WRH同時(shí)變低），寫低八位字節(jié)（WRL變低），寫高八位字節(jié)（WRH變低）。

它的地址譯碼由地址線A15控制，為低時(shí)選通程序存儲(chǔ)器IC4、IC5；為高時(shí)通過(guò)反相器D選通數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器IC6、IC7。圖2給出了相應(yīng)的時(shí)序圖。

因IC4、IC5分別為偶單元和奇單元的存儲(chǔ)芯片，應(yīng)將目標(biāo)代碼文件依序分成0、2、4、6……2N（偶單元文件）和1、3、5、7……2N+1（奇單元文件）兩個(gè)文件，并分別固化到IC4、IC5中。

CCR芯片配置寄存器參數(shù)寫入法 CCR是一個(gè)特殊的專用寄存器，無(wú)法通過(guò)對(duì)內(nèi)部RAM的訪問(wèn)來(lái)改變CCR的內(nèi)容，而該寄存器的內(nèi)容對(duì)總線的設(shè)置又至關(guān)重要。80C196KB復(fù)位后不是從0000H開(kāi)始運(yùn)行，而是從2080H開(kāi)始運(yùn)行，而程序固化的起始地址卻是從2000H開(kāi)始。在2000～2079H單元中，除少數(shù)被定義外，大部分被保留下來(lái)用于未來(lái)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。其中有一個(gè)特殊的單元2018H稱之為芯片配置字節(jié)（CCB），這個(gè)單元屬于程序存儲(chǔ)區(qū)的范圍，應(yīng)事先對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置編程。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位且只有復(fù)位時(shí)，CCB的內(nèi)容才被自動(dòng)裝載到芯片配置寄存器CCR中，由此可見(jiàn)，CCR的內(nèi)容是通過(guò)CCB的間接方式寫入的。

2018H（CCB）單元的編程方法雖有幾種，但最方便的莫過(guò)于使用編輯器來(lái)進(jìn)行。因?yàn)榫庉嬈饕话愣加蠧CB的設(shè)置界面，操作者只須依總線的需要進(jìn)行設(shè)置，再將它與已編制好的源程序一起進(jìn)行匯編，獲得目標(biāo)程序，再進(jìn)行固化就可以了。而編輯器的種類很多，功能也不盡相同，工作的平臺(tái)也不相同，但我們總可以在集成調(diào)試軟件界面的主菜單—子菜單中，找到一個(gè)有關(guān)的設(shè)置界面，其中有五項(xiàng)是對(duì)CCB參數(shù)的設(shè)置。從1～5依次是總線寬度設(shè)置、寫控制線設(shè)置、地址選通設(shè)置、等待周期設(shè)置、保密設(shè)置。它們依次對(duì)應(yīng)于CCR中的D1、D2、D3、D4、D5、D6D7。下述的具體設(shè)置對(duì)應(yīng)于圖1總線的寫選通方式。

設(shè)置完畢后，再將欲匯編的源程序調(diào)入窗口進(jìn)行匯編，通過(guò)后，則剛才設(shè)置的內(nèi)容已寫入到2018H中。我們可以通過(guò)反匯編窗口進(jìn)行查看，將程序區(qū)向前移至2018H單元，可以看到其內(nèi)容是11111011（FBH）。

奇、偶單元固化文件的獲取 當(dāng)程序存儲(chǔ)器采用十六位數(shù)據(jù)總線時(shí)，如前面所述，必須將原來(lái)的固化文件一分為二，構(gòu)成對(duì)應(yīng)的偶（低八位）固化文件和奇（高八位）固化文件，并分別固化到偶（低八位）程序存儲(chǔ)器IC4和奇（高八位）程序存儲(chǔ)器IC5中。注意：這里所說(shuō)的固化文件是指能用于程序存儲(chǔ)器固化的可執(zhí)行的二進(jìn)制文件，而不是其它的文本文件。這類文件的后綴是 . ROM或 . BIN。 后綴為 .OBJ文件屬格式機(jī)器碼，這里不能使用。

采用編輯器可以很方便地獲得固化文件，但要將固化文件(暫取名為：FILE.ROM)一分為二獲得對(duì)應(yīng)的偶文件(暫取名為：FILE（0）.ROM)和奇文件（暫取名為：FILE（1）.ROM），幾乎所有的編輯器都無(wú)能為力。這需要我們自己動(dòng)手編制軟件才能完成。

首先，我們應(yīng)先由FILE.ASM文件獲取二進(jìn)制固化文件FILE.ROM。獲取該文件有多種方法，也可以采用編輯器。我們將文件的名稱定為：FILE.ROM，記住文件的長(zhǎng)度（字節(jié)數(shù)），將該文件放在某個(gè)子目錄下（如C:A96FILE.ROM）。

下面，我們用C語(yǔ)言和BASIC語(yǔ)言各編制出一個(gè)程序（程序見(jiàn)本刊網(wǎng)站），用于將固化文件一分為二獲得對(duì)應(yīng)的奇、偶文件，這兩個(gè)程序的效果是相同的，讀者可以根據(jù)自己熟悉的語(yǔ)言選用一種。以C語(yǔ)言程序?yàn)槔f(shuō)明其使用方法，將上面的二進(jìn)制文件FILE.ROM的長(zhǎng)度填入程序的第8行（a=XX）*[1]，再將文件名及路徑填入第10、16、17、18、25、32行*[2]。然后運(yùn)行該程序。運(yùn)行通過(guò)后，退出菜單界面，便可顯示原二進(jìn)制固化文件FILE.ROM及偶文件FILE（0）.ROM和奇文件FILE（1）.ROM的內(nèi)容（以十六進(jìn)制方式顯示，便于查看）。讀者可將三個(gè)文件進(jìn)行核對(duì)，正確與否一看便知。在子目錄A96下即可獲得對(duì)應(yīng)的奇、偶文件。圖3給出了C語(yǔ)言程序的簡(jiǎn)易流程圖，BASIC語(yǔ)言程序的流程圖與圖3大同小異，只是某些過(guò)程順序有些改動(dòng)，該程序填入文件長(zhǎng)度（第2行*[1]）和文件名及路徑（第3、4、5行*[2]），運(yùn)行后將直接顯示上述三個(gè)文件的十六進(jìn)制值。將偶文件和奇文件分別固化到IC4 和 IC5中，并分別插入各自的插座，不可插錯(cuò)。

運(yùn)行C語(yǔ)言程序時(shí)，有時(shí)需要連續(xù)運(yùn)行兩次方能獲得對(duì)應(yīng)的奇偶文件，而BASIC程序可以一次到位。