Очень часто при разработке приложений и систем на базе Arduino встает проблема нехватки памяти, присущая среде программирования микроконтроллеров. С помощью серия Arduino Mega возможно решение данной проблемы, т.к.имеются варианты исполнения данной платформы с Flash-памятью программ 128 КБайт или 256 КБайт. А как насчет встроенной памяти SRAM? Максимальный объем в нашем случае (Arduino Mega) не превышает 8 КБайт.
К счастью, серия Mega позволяет работать с внешней SRAM, и что самое главное, программа может получать беспрепятственно доступ к ней, как если бы это была внутренняя SRAM микроконтроллера. В статье мы рассмотрим аппаратное и программное решение задачи расширения памяти на базе микроконтроллера Atmel AVR ATmega1280.
XMEM
В техническом описании на микроконтроллер ATmega1280 содержится вся информация для инженеров, необходимая для расширения памяти. В документе это 9 глава «External Memory Interface» (XMEM). Блок схема ниже поясняет, как микроконтроллер организует связь с внешней памятью.
 |
|
| Рис. 1. | Блок-схема организации работы с внешней памятью с помощью XMEM. Блок в центре - высокоскоростной 8-битный регистр-защелка. |
Наиболее интересная часть в этой схеме – блок в центре, который представляет собой высокоскоростную 8-разрядную защелку.
Мультиплексирование и защелка
Адресное пространство Arduino Mega позволяет подключать внешнюю память объемом до 64 КБайт при 8-битной организации. Обычно для этого требуется немалое количество линий ввода/вывода: 16 для адресной шины, 8 для шины данных и как минимум еще 2 для управления.
Чтобы сократить количество используемых линий ввода/вывода, для подключения внешней памяти, микроконтроллер мультиплексирует младшие 8 адресных линий с 8 линиями данных, экономя при этом 8 линий. При такой реализации используется 8-битная защелка (8-разрядный регистр), при этом временные диаграммы работы с внешней памятью следующие:
 |
|
| Рис. 2. | Временные диаграммы работы интерфейса внешней памяти. |
Период времени, обозначенный красной линией, показывает промежуток между установкой действительного адреса (достоверные данные на линиях A0 – A15) и началом передачи данных (действительные данные на линиях D0 – D7). Логика микроконтроллера начинает операции с внешней памятью, подтверждая действительный адрес на линиях A0 – A15. Мультиплексированные линии проходят через 8-разрядный регистр-защелку, который работает в «прозрачном» режиме (transparent mode). Затем регистр переключается в режим хранения (Hold mode), при котором игнорируются изменения на входе и продолжается хранение последних принятых данных на выходе. Микроконтроллер затем устанавливает действительные данные на мультиплексированных линиях (это уже будут данные D0 – D7) и, в результате, мы имеем успешно установленные все линии для работы с внешней памятью и сохранили 8 линий ввода/вывода, которые могут понадобиться при работе основного приложения.
Стоит заметить, что регистр-защелка должен успевать работать на тактовой частоте 16 МГц, поэтому серия 74HC не подойдет для нашей цели. В техническом описании на микроконтроллер рекомендуется серия 74AHC.
Адресация при объеме SRAM более 64 КБайт
Теперь, основная задача – это работа с внешней памятью объемом 512 КБайт с адресным пространством всего на 64 КБайт. Решение – разделить 512 КБайт на 8 банков памяти по 64 КБайт и сделать управление «видимостью» одного банка в каждый момент времени с использованием 3 выводов микроконтроллера.
Память объемом 512 КБайт при обращении к ней требует 19-битного адреса (адресные линии A0 – A18). Линии A0 – A15 мы подключим по интерфейсу xmem (интерфейс внешней памяти микроконтроллера) и управление 3 оставшимися (A16 – A18) осуществим с помощью цифровых линий ввода/вывода микроконтроллера.
 |
|
| Рис. 3. | Разделение внешней SRAM на 8 банков памяти объемом 64 КБайт. |
Следующее ограничение, которое накладывает карта памяти микроконтроллеров ATmega – нижние 8 КБайт SRAM (адресное пространство для такого объема) всегда занимаются внутренней памятью микроконтроллера. Это означает, что адресация внешней памяти осуществляется в диапазоне 0х2200 – 0хFFFF, т.е. мы теряем 69632 байта из общего объема 524288 Байт внешней SRAM. В спецификации на микроконтроллер объясняется метод адресации этих потерянных 8 КБайт, однако автор посчитал, что в данной задаче это не актуально.
Во второй части статьи представлены принципиальная схема подключения внешней ОЗУ к микроконтроллеру, список компонентов и рисунки печатной платы.
