运用PSD系列器件进行单片机外围电路扩展

1　引言

典型的微控制器（MCS51系列，MCS98系列，M68000系列，PIC系列等）片的内部都集成了少量的RAM、ROM及计数器，具有有限的 I／O能力，这在构成一般小型应用系统时，或许可以满足开发者的需求。但对于大型的单片机应用系统，仅单片机内的这一点资源是远远不够的。为了扩展单片机系统，设计者不得不外加EPROM、RAM、IO端口、存储器空间译码逻辑和各类外围芯片片选译码逻辑。因此，设计者就必须根据需求加入各类芯片，并在电路设计完成以后就不能再更改电路。1990年美国的WSI公司引入了可编程系统器件PSD（Pro－grammable System Device），PSD是世界上第一个把EPROM、SRAM、可编程逻辑器件（PLD）以及众多IO端口集成到一块硅片上的芯片。WSI公司免费提供集成开发环境PSDsoft，在这个环境下设计者可以自己运用软件进行单片机外围电路的设计，在完成设计并通过仿真以后，可以编程且配置到一片PSD器件上。因此PSD器件易于使用，又可以大大减少元件数、功耗和电路板空间，从而相对显著地降低了系统的成本，提高了系统的可靠性。

2　芯片结构及功能简介

PSD器件有多个系列，主要包括2XX、3XX、4XX、5XX、8XX、9XX及目前最新推出的4000系列，其中在国内应用较多的为3XX系列。

2．1　典型的PSD3XX系列芯片逻辑结构和主要特征

典型的PSD3XX系列芯片逻辑结构见图1，其主要特征有：

·数据总线可以配置为8位或16位，地址总线最多可以有20位，支持绝大多数的MCU。

·256kb至1Mb EPROM，可以配置为8位或16位方式。为了优化地址译码，EPROM分为8个相同大小的块，由内部地址译码逻辑PAD A输出（ES0－ES7）进行选择，通过对PAD A的编程可以把每一块EPROM放入任何地址空间。另外，PSD3XX系列芯片的EPROM采用零功耗技术，即仅在EPROM的地址输入发生改变时， EPROM才有功耗，这非常适用于有严格功耗要求的场合。

·可选择的16k SRAM，可以配置为8位或16位方式，由内部地址译码逻辑PADA输出（RS0）进行选择，内部的SRAM同样采用零功耗技术。

·两个可编程地址译码阵列PAD A和PADB，可产生片选逻辑、控制逻辑和锁存的地址信号等。这两个阵列属可编程逻辑阵列，可以由用户以软件进行配置，最多可以有18个输入，24项输出，总共40个乘积项。PAD A和PAD B的输入信号可以有：MCU地址输入信号，PSD本身端口C的输入信号，内部页面寄存器输入信号，MCU各控制信号等。其中PAD A输出最多可以有13项，用于PSD芯片内部8个EPROM块的选择（ES0～ES7）、SRAM基地址的确定（RSO）及IO缓冲器、页面寄存器、控制寄存器基地址（C SIOPORT）的确定。PAD B输出到IO口B和C上，最多可以输出11项（CS0～CS10），供片外使用。PSD芯片的这种配置方式，极大地提高了PSD芯片的使用灵活性，使它能适应各种不同类型的MCU。

·扩展MCU可寻址空间，最大可以至原来寻址空间的16倍，这由内部的页面寄存器（4位）实现。

·可编程IO，共有A（8位）、B（8位）和C（3位）三个端口，可重构MCU由于数据／地址复用而失去的IO端口。其中A口可以根据不同的MCU进行不同的配置，可配置为通用IO、数据总线或地址总线等。B口可以配置为通用IO或内部PAD B译码输出（CS0～CS7，作为片选，控制逻辑），注意，B口的每根线可以单独配置。C口可以配置为地址输入（A16～A18：用于有多于16条地址总线的MCU）或内部PAD B译码输出（CS8～CS10），同样，C口的每根线也可以单独配置。具体配置情况在下面的工作模式中阐述。

·可编程的安全特性，在设置安全特性位的情况下，可以防止内部PADA和PAD B的配置方式及EPROM内容被非法读出。

2．2　根据不同的MCU，PSD3XX系列芯片有四种不同的工作方式

（1）方式1：8位数据总线、地址／数据总线多路复用方式。

如图2所示，这种方式为绝大多数的8位MCU所用，如MCS51系列等。在这种方式下，MCU的8位低阶地址／数据复用线接PSD器件的 AD0～AD8，高阶地址线接AD8～AD15。当ALE／AS信号有效时，PSD芯片在内部锁存地址信号，然后在下一个时钟周期，复用总线上出现的8位数据是写入器件还是读出器件由控制信号决定。因此，在这种方式下A口可以配置为通用IO，低阶地址线（A0～A7），低阶的8位地址／数据复用总线（AD0～AD7），即原来的MCU复用总线的功能。B口的每根线可以配置为通用IO，或内部PADB输出（CS0～CS7）。端口C可配置为地址输入（A16～A18：有的MCU有多于16条的地址总线）也可配置为PAD B的输出（CS8～CS10），注意，C口可能的配置在四种方式下都是一样的。

（2）方式2：16位数据总线、地址／数据总线多路复用方式。

如图3所示，这种方式下的MCU的16位数据／地址复用线和PSD器件的16位数据／地址复用线直接相连，和方式1电路连接形式完全相同，工作原理也类似，只不过其数据总线变为16位。此时端口A，可能的配置如方式1，即通用IO，低阶地址线，低阶的8位地址／数据复用总线。B口可能的配置也如方式 1。

（3）方式3：8位数据总线、地址／数据总线独立方式。

如图4所示，在这种方式下，MCU输出的16位地址总线和PSD器件的AD0～AD8相连作为地址总线。MCU的8位数据总线连到PSD器件的A口。在这种方式下A口只能配置为数据总线。B口可能的配置如方式1和方式2。

（4）方式4：16位数据总线、地址／数据总线独立方式。

如图5所示，在这种方式下，MCU输出的16位地址总线和PSD器件的AD0～AD8相连作为地址总线，MCU的16位数据总线中的低8位接到A口，高8 位接到B口。此时A口只能配置为低8位数据总线，B口只能配置为高8位数据总线。C口可能的配置在各种方式下都是一样的。所以此时PSD3XX系列器件可用的片外控制逻辑最少（最多只能有CS8～CS10）。

其余系列的PSD芯片在功能上大抵和PSD3XX系列差不多，但有各自的特点，主要体现在：内部RAM容量的增大、EPROM和内部译码逻辑改为编程更加方便的Flash Mem ory、IO引脚的增多、引入其余功能（定时器／计数器，中断系统等）、内部PLD输入／输出及乘积项的增多，以及引入ISP（在系统可编程中）功能等，这使得PSD系列芯片的使用更加方便，灵活。例如，PSD5XX系列，最多可以有1Mbit EPROM和16kbit RAM（可带后配电池），IO引脚数为40，内部的PLD最多可以有61个输入、140个输出乘积项和4个16位定时器／计数器（可用作 WATCHDOG）。PSD8XX只用于与8位MCU的接口，其内部的EPROM改为FLASH MEMORY，分成二级（主FLASH，二级FLASH），可以在使系统执行程序的同时实现擦写FLASH的功能，这在程序经常需要变更的场合显得犹为有用；在芯片上集成基于JTAG标准的ISP端口，从而引入系统可编程功能，即无需专门的编程器，只需插在PC机上的下载电缆（Flash LINK）即可实现整个空白芯片的完全编程。PSD9XX在功能及结构上与PSD8XX系列基本相同。最新的PSD4000系列用于与16位MCU的接口，内部有更大的FLASH MEMORY（4Mbit主，256kbit二级）、更大的RAM（64kbit），52个可单独配置的IO引脚和超过3000有效门的闪烁可编程逻辑，因而可以组成更大规模的系统。

3　开发步骤及应用实例

对PSD系列器件的开发，可以在WSI公司提供的开发环境PSDsoft下进行。PSDsoft包括五个不同的部分：PSDabbl（定义ZPLD译码功能），PS－Dconfiguration（配置总线类型，IO引脚分配），PS－Dcomplier（用于文件的编译及地址空间的转换）， PSDsimulator（可对PSD配置进行仿真），PSDpro－grammer（进行目标文件的下载与上传）。不同系列的芯片又有不同的开发方法，其中PSD9XX系列之前的芯片，还需开发者熟悉PSDabel高级硬件定义语言，用于定义内部PLD的译码逻辑，开发过程一般可遵循以下步骤：

（1）确定PSD在整个系统中所要完成的功能，以选择相应的型号；

（2）确定PSD所需的与MCU接口的信号，这些信号通常根据特定型号的MCU确定；

（3）确定内部功能块和外扩器件所需的地址空间，在确定地址空间时，应记住PSD3XX系列PLD引入的地址信号只有A11～A19，它所能区分的地址空间是2kb；

（4）确定PSD内PLD的输入和输出信号，确定PLD配置：
　　·给内部EPROM、RAM和CSIOPORT分配存储空间，
　　·PSDabel定义段中说明PLD的输入／输出信号，
　　·在PSDabel中书写相应的逻辑方程，注意，3XX系列的PLD的输出只能为端口B或C；

（5）确定PSD其余配置（总线类型，IO引脚分配等）；

（6）使用PSDsoft编译器，形成复合目标文件（包括PSDabel、PSD芯片配置和MCU代码）；

（7）将目标文件通过编程器写入PSD器件。

对于PSD9XX以上系列的芯片，开发更加方便，开发者无需运用高级硬件描述语言去定义管脚，而只要在PSDsoft中进行简单的选择便可以实现芯片的配置，编译结束后可以通过WSI公司提供的下载电缆FlashLINK经器件的ISP端口直接配置到芯片中。

图6是PSD3XX系列芯片与国内应用较为广泛的80C31接口的一个实例。80C31利用PSEN信号有效地访问PSD3XX中的程序存储器。用 WR与RD信号有效地读写PSD3XX中的数据存储器的数据。因此，可以将PSD3XX配置成地址／数据复用方式（8位数据总线），指令存储器与数据存储器分开，端口A、B可配置为IO口，端口C配置为内部PAD B输出。

4　结束语

综上所述，用PSD器件来扩展单片机外围电路是很方便的，但PSD器件目前国内应用得并不多，其优点尚未被广大开发人员所认识，很多人还习惯于用通用器件来设计单片机外围电路，因此PSD系列器件的应用急需普及。

参考文献
 
1　PSD3XX Family Datasheet．WSICorp．February，19992　PSD913F2／80C32 Design Guide．WSICorp．January，2000
3　许少云，李伟鹏编著．PSD原理、开发与应用．北京：电子工业出版社．1996