1 引言
典型的微控制器（MCS51系列，MCS98系列，M68000系列，PIC系列等）片的內(nèi)部都集成了少量的RAM、ROM及計數(shù)器，具有有限的 I／O能力，這在構(gòu)成一般小型應(yīng)用系統(tǒng)時，或許可以滿足開發(fā)者的需求。但對于大型的單片機應(yīng)用系統(tǒng)，僅單片機內(nèi)的這一點資源是遠遠不夠的。為了擴展單片機系統(tǒng)，設(shè)計者不得不外加EPROM、RAM、IO端口、存儲器空間譯碼邏輯和各類外圍芯片片選譯碼邏輯。因此，設(shè)計者就必須根據(jù)需求加入各類芯片，并在電路設(shè)計完成以后就不能再更改電路。1990年美國的WSI公司引入了可編程系統(tǒng)器件PSD（Pro－grammable System Device），PSD是世界上第一個把EPROM、SRAM、可編程邏輯器件（PLD）以及眾多IO端口集成到一塊硅片上的芯片。WSI公司免費提供集成開發(fā)環(huán)境PSDsoft，在這個環(huán)境下設(shè)計者可以自己運用軟件進行單片機外圍電路的設(shè)計，在完成設(shè)計并通過仿真以后，可以編程且配置到一片PSD器件上。因此PSD器件易于使用，又可以大大減少元件數(shù)、功耗和電路板空間，從而相對顯著地降低了系統(tǒng)的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。
2 芯片結(jié)構(gòu)及功能簡介
PSD器件有多個系列，主要包括2XX、3XX、4XX、5XX、8XX、9XX及目前最新推出的4000系列，其中在國內(nèi)應(yīng)用較多的為3XX系列。
2．1 典型的PSD3XX系列芯片邏輯結(jié)構(gòu)和主要特征
典型的PSD3XX系列芯片邏輯結(jié)構(gòu)見圖1，其主要特征有：
·數(shù)據(jù)總線可以配置為8位或16位，地址總線最多可以有20位，支持絕大多數(shù)的MCU。
·256kb至1Mb EPROM，可以配置為8位或16位方式。為了優(yōu)化地址譯碼，EPROM分為8個相同大小的塊，由內(nèi)部地址譯碼邏輯PAD A輸出（ES0－ES7）進行選擇，通過對PAD A的編程可以把每一塊EPROM放入任何地址空間。另外，PSD3XX系列芯片的EPROM采用零功耗技術(shù)，即僅在EPROM的地址輸入發(fā)生改變時， EPROM才有功耗，這非常適用于有嚴格功耗要求的場合。
·可選擇的16k SRAM，可以配置為8位或16位方式，由內(nèi)部地址譯碼邏輯PADA輸出（RS0）進行選擇，內(nèi)部的SRAM同樣采用零功耗技術(shù)。
·兩個可編程地址譯碼陣列PAD A和PADB，可產(chǎn)生片選邏輯、控制邏輯和鎖存的地址信號等。這兩個陣列屬可編程邏輯陣列，可以由用戶以軟件進行配置，最多可以有18個輸入，24項輸出，總共40個乘積項。PAD A和PAD B的輸入信號可以有：MCU地址輸入信號，PSD本身端口C的輸入信號，內(nèi)部頁面寄存器輸入信號，MCU各控制信號等。其中PAD A輸出最多可以有13項，用于PSD芯片內(nèi)部8個EPROM塊的選擇（ES0～ES7）、SRAM基地址的確定（RSO）及IO緩沖器、頁面寄存器、控制寄存器基地址（C SIOPORT）的確定。PAD B輸出到IO口B和C上，最多可以輸出11項（CS0～CS10），供片外使用。PSD芯片的這種配置方式，極大地提高了PSD芯片的使用靈活性，使它能適應(yīng)各種不同類型的MCU。
·擴展MCU可尋址空間，最大可以至原來尋址空間的16倍，這由內(nèi)部的頁面寄存器（4位）實現(xiàn)。
·可編程IO，共有A（8位）、B（8位）和C（3位）三個端口，可重構(gòu)MCU由于數(shù)據(jù)／地址復(fù)用而失去的IO端口。其中A口可以根據(jù)不同的MCU進行不同的配置，可配置為通用IO、數(shù)據(jù)總線或地址總線等。B口可以配置為通用IO或內(nèi)部PAD B譯碼輸出（CS0～CS7，作為片選，控制邏輯），注意，B口的每根線可以單獨配置。C口可以配置為地址輸入（A16～A18：用于有多于16條地址總線的MCU）或內(nèi)部PAD B譯碼輸出（CS8～CS10），同樣，C口的每根線也可以單獨配置。具體配置情況在下面的工作模式中闡述。
·可編程的安全特性，在設(shè)置安全特性位的情況下，可以防止內(nèi)部PADA和PAD B的配置方式及EPROM內(nèi)容被非法讀出。
2．2 根據(jù)不同的MCU，PSD3XX系列芯片有四種不同的工作方式
（1）方式1：8位數(shù)據(jù)總線、地址／數(shù)據(jù)總線多路復(fù)用方式。
如圖2所示，這種方式為絕大多數(shù)的8位MCU所用，如MCS51系列等。在這種方式下，MCU的8位低階地址／數(shù)據(jù)復(fù)用線接PSD器件的 AD0～AD8，高階地址線接AD8～AD15。當ALE／AS信號有效時，PSD芯片在內(nèi)部鎖存地址信號，然后在下一個時鐘周期，復(fù)用總線上出現(xiàn)的8位數(shù)據(jù)是寫入器件還是讀出器件由控制信號決定。因此，在這種方式下A口可以配置為通用IO，低階地址線（A0～A7），低階的8位地址／數(shù)據(jù)復(fù)用總線（AD0～AD7），即原來的MCU復(fù)用總線的功能。B口的每根線可以配置為通用IO，或內(nèi)部PADB輸出（CS0～CS7）。端口C可配置為地址輸入（A16～A18：有的MCU有多于16條的地址總線）也可配置為PAD B的輸出（CS8～CS10），注意，C口可能的配置在四種方式下都是一樣的。
（2）方式2：16位數(shù)據(jù)總線、地址／數(shù)據(jù)總線多路復(fù)用方式。
如圖3所示，這種方式下的MCU的16位數(shù)據(jù)／地址復(fù)用線和PSD器件的16位數(shù)據(jù)／地址復(fù)用線直接相連，和方式1電路連接形式完全相同，工作原理也類似，只不過其數(shù)據(jù)總線變?yōu)?6位。此時端口A，可能的配置如方式1，即通用IO，低階地址線，低階的8位地址／數(shù)據(jù)復(fù)用總線。B口可能的配置也如方式 1。
（3）方式3：8位數(shù)據(jù)總線、地址／數(shù)據(jù)總線獨立方式。
如圖4所示，在這種方式下，MCU輸出的16位地址總線和PSD器件的AD0～AD8相連作為地址總線。MCU的8位數(shù)據(jù)總線連到PSD器件的A口。在這種方式下A口只能配置為數(shù)據(jù)總線。B口可能的配置如方式1和方式2。
（4）方式4：16位數(shù)據(jù)總線、地址／數(shù)據(jù)總線獨立方式。
如圖5所示，在這種方式下，MCU輸出的16位地址總線和PSD器件的AD0～AD8相連作為地址總線，MCU的16位數(shù)據(jù)總線中的低8位接到A口，高8 位接到B口。此時A口只能配置為低8位數(shù)據(jù)總線，B口只能配置為高8位數(shù)據(jù)總線。C口可能的配置在各種方式下都是一樣的。所以此時PSD3XX系列器件可用的片外控制邏輯最少（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，但有各自的特點，主要體現(xiàn)在：內(nèi)部RAM容量的增大、EPROM和內(nèi)部譯碼邏輯改為編程更加方便的Flash Mem ory、IO引腳的增多、引入其余功能（定時器／計數(shù)器，中斷系統(tǒng)等）、內(nèi)部PLD輸入／輸出及乘積項的增多，以及引入ISP（在系統(tǒng)可編程中）功能等，這使得PSD系列芯片的使用更加方便，靈活。例如，PSD5XX系列，最多可以有1Mbit EPROM和16kbit RAM（可帶后配電池），IO引腳數(shù)為40，內(nèi)部的PLD最多可以有61個輸入、140個輸出乘積項和4個16位定時器／計數(shù)器（可用作 WATCHDOG）。PSD8XX只用于與8位MCU的接口，其內(nèi)部的EPROM改為FLASH MEMORY，分成二級（主FLASH，二級FLASH），可以在使系統(tǒng)執(zhí)行程序的同時實現(xiàn)擦寫FLASH的功能，這在程序經(jīng)常需要變更的場合顯得猶為有用；在芯片上集成基于JTAG標準的ISP端口，從而引入系統(tǒng)可編程功能，即無需專門的編程器，只需插在PC機上的下載電纜（Flash LINK）即可實現(xiàn)整個空白芯片的完全編程。PSD9XX在功能及結(jié)構(gòu)上與PSD8XX系列基本相同。最新的PSD4000系列用于與16位MCU的接口，內(nèi)部有更大的FLASH MEMORY（4Mbit主，256kbit二級）、更大的RAM（64kbit），52個可單獨配置的IO引腳和超過3000有效門的閃爍可編程邏輯，因而可以組成更大規(guī)模的系統(tǒng)。
3 開發(fā)步驟及應(yīng)用實例
對PSD系列器件的開發(fā)，可以在WSI公司提供的開發(fā)環(huán)境PSDsoft下進行。PSDsoft包括五個不同的部分：PSDabbl（定義ZPLD譯碼功能），PS－Dconfiguration（配置總線類型，IO引腳分配），PS－Dcomplier（用于文件的編譯及地址空間的轉(zhuǎn)換）， PSDsimulator（可對PSD配置進行仿真），PSDpro－grammer（進行目標文件的下載與上傳）。不同系列的芯片又有不同的開發(fā)方法，其中PSD9XX系列之前的芯片，還需開發(fā)者熟悉PSDabel高級硬件定義語言，用于定義內(nèi)部PLD的譯碼邏輯，開發(fā)過程一般可遵循以下步驟：
（1）確定PSD在整個系統(tǒng)中所要完成的功能，以選擇相應(yīng)的型號；
（2）確定PSD所需的與MCU接口的信號，這些信號通常根據(jù)特定型號的MCU確定；
（3）確定內(nèi)部功能塊和外擴器件所需的地址空間，在確定地址空間時，應(yīng)記住PSD3XX系列PLD引入的地址信號只有A11～A19，它所能區(qū)分的地址空間是2kb；
（4）確定PSD內(nèi)PLD的輸入和輸出信號，確定PLD配置：
·給內(nèi)部EPROM、RAM和CSIOPORT分配存儲空間，
·PSDabel定義段中說明PLD的輸入／輸出信號，
·在PSDabel中書寫相應(yīng)的邏輯方程，注意，3XX系列的PLD的輸出只能為端口B或C；
（5）確定PSD其余配置（總線類型，IO引腳分配等）；
（6）使用PSDsoft編譯器，形成復(fù)合目標文件（包括PSDabel、PSD芯片配置和MCU代碼）；
（7）將目標文件通過編程器寫入PSD器件。
對于PSD9XX以上系列的芯片，開發(fā)更加方便，開發(fā)者無需運用高級硬件描述語言去定義管腳，而只要在PSDsoft中進行簡單的選擇便可以實現(xiàn)芯片的配置，編譯結(jié)束后可以通過WSI公司提供的下載電纜FlashLINK經(jīng)器件的ISP端口直接配置到芯片中。
圖6是PSD3XX系列芯片與國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的80C31接口的一個實例。80C31利用PSEN信號有效地訪問PSD3XX中的程序存儲器。用 WR與RD信號有效地讀寫PSD3XX中的數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)。因此，可以將PSD3XX配置成地址／數(shù)據(jù)復(fù)用方式（8位數(shù)據(jù)總線），指令存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開，端口A、B可配置為IO口，端口C配置為內(nèi)部PAD B輸出。
4 結(jié)束語
綜上所述，用PSD器件來擴展單片機外圍電路是很方便的，但PSD器件目前國內(nèi)應(yīng)用得并不多，其優(yōu)點尚未被廣大開發(fā)人員所認識，很多人還習慣于用通用器件來設(shè)計單片機外圍電路，因此PSD系列器件的應(yīng)用急需普及。
參考文獻
1 PSD3XX Family Datasheet．WSICorp．February，19992 PSD913F2／80C32 Design Guide．WSICorp．January，2000
3 許少云，李偉鵬編著．PSD原理、開發(fā)與應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社．1996
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