Keil C51 Code Banking

1. 简介

MCS-51是8根数据线，16根地址线，所以MCS-51最大只能访问64KB(216)的地址。很多较复杂的C51代码，其整个代码生成Bin文件可能大小64KB。针对这种情况，Keil C51提出了Code Banking机制来解决这个问题。

2. 基本原理

MCS-51内核的代码执行机制已经固定死了，代码运行的地址范围只能在0-64KB之间。一般情况下，我们编译生成的Bin文件，其代码执行地址和代码存储地址是一致。MCU执行到哪个地址，直接去ROM上取相应地址的内容然后执行即可。
MCU要访问超过64KB的地址范围，肯定需要增加地址线。增加4根地址线，则能够访问到2MB的地址范围。由于MCS-51只能执行64K范围的代码，Keil C51编译器相应也只会生成64K地址范围内的代码。
C51是采用分离编译，即单个文件独立编译，最后再链接成一个Bin文件。在链接的过程中，会有一个地址重定位的过程，会将每个obj文件中的代码映射成64K中的一个绝对地址。Keil链接器在链接时，可以将指定的多个Obj文件中的代码地址重定位到相同同地址空间去。如ObjA和ObB指定地址重定位到相同的地址范围内，并且各自的CodeSize为40KB。这样A.c和B.c的代码不能同时在MCU上执行，但是分两次加载，就可以在分别MCU上执行了。
MCS-51默认ROM片外存储器为64KB，存放A.bin。MCS-51再外接1个64KB的外置存储器ROM存放B.bin。什么时候读取ROMA，什么时候读取ROMB呢？还需要1个Pin用来选择。执行A.C中的函数时，选择读取ROMA，执行B.C中的函数时，选择读取ROMB。那么如何知道A.C中的函数会读取ROMA，B.C中的函数会读取ROMB呢？这是因为编译器会将A.C中的函数全部标记0，将B.C中的函数全部标记1。这个标记正好对应上面选择ROM的Pin。

3. Keil的实现

像Reset Vector、Interrupt Vectors、Interrupt Service Routines以及负责几个相同地址模块切换的代码，都是必须固定位置，不能随意变动，可能导致系统出问题。所以Keil C51提出了一个Common Area的概念，存放上述代码。然后针对重定位到相同地址的代码，则被称为Bank Area。

3.1. 具体设置

1. Bank Area，选择指定有多少个相同地址范围的代码。
   

2. 指定文件所属Bank号。
   可以将多个文件指定为相同Bank号，未指定Bank号的文件默认为Common Area。BX51链接器最多支持32个Bank号，LX51链接器最多支持64个Bank号。
   

3. Bank分配基本原则。
   Common Bank因为是不需要重复加载的，所以效率最高。那些追求效率的代码，都可骗我在Common Bank中。如：Reset Vector、Interrupt Vector、Interruption Service Routines、String constants、Bank Switching Routines、Inter-Bank Jump Tables等等。
   Bank0放置一上电就需要调用，并且调用不是非常频率的代码。
   其他调用不频繁的代码放在其他Bank。

4. 添加Bank调用代码，默认使用系统提供的(在Keil\C51\LIB\L51_BANK.A51)。
   B_NBANKS与前面配置的Bank数相同，B_MODE是Bank_Switching的方式。

;                          For BL51 the maximum value for ?B_NBANKS is 32
;                          For LX51 the maximum value for ?B_NBANKS is 64
?B_NBANKS       EQU  4    ; Define maximum Number of Banks
;                         ; following values are allowed: 2, 4, 8, 16, 32, 64
;                         ; for BL51 the maximum value for ?B_NBANKS is 32
;                         ; for LX51 the maximum value for ?B_NBANKS is 64
;
;  ?B_MODE: Bank Switching via
;                    <0=> 8051 Port
;                    <1=> XDATA Port
;                    <4=> User-provided bank switch code
?B_MODE         EQU  0    ; 0 for Bank-Switching via 8051 Port
;                         ; 1 for Bank-Switching via XDATA Port
;                         ; 4 for user-provided bank switch code

3.2. 链接器

Keil C51支持2种链接器，分别为BL51和LX51。

3.2.1. BL51链接器

BL51默认生成的Hex文件为Hex80，并且当前工程设置多少个Bank，则生成多少个Hex文件，每个Bank和相同的Common组成一个文件，如下图。每个Hex文件可以用Hex2Bin.exe转换成Bin文件。

3.2.2. LX51链接器

BL51是较早的链接器，LX51是在BL51基础上进行扩展的链接器，功能更强大，优化性能更好。一般情况下建议使用LX51。LX51会将多个Bank合并生成一个Hex文件。这个Hex文件中的代码地址空间是超过64KB的，Hex80格式不支持超过64KB的地址空间。针对这种情况，一种新的Hex描述格式产生了——Hex386。Hex386不仅支持多超过64KB地址范围，还支持指定偏移存储。

BL51链接器生成的Bin文件，如果Bank Area有多余空间，会以0填充。而LX51生成的Bin文件，如果Bank Rrea有多余空间，则会优先以Common代码填充。Offset默认为0，如果指定了，则将生成的代码放在Bin文件相应的偏移。下图为偏移为0。

3.3. Bank Switching方式

3.3.1. 8051Port

MSC-51操作64KROM的结构如下：

我们完全可以依据上述接口，连接多个ROM。然后通过P口来选通。

L51_BANK.A51中有下述代码，即指定P1口用来控制选择哪个ROM，也即代码执行到Bank1时，P1=1；执行到Bank2时，P1=2，依次类推。更详细的切换流程，可以查看汇编代码。

IF  ?B_MODE = 0;
;-----------------------------------------------------------------------------
; if ?BANK?MODE is 0 define the following values
; For Bank-Switching via 8051 Port define Port Address / Bits
;
;<h> Bank Switching via 8051 Port
;    <i> This is only used if ?B_MODE is 0
; <o> P1: 8051 Port address <0x0-0xFF>
P1              DATA    90H      ; I/O Port Address
;
?B_PORT         EQU     P1       ; default is P1
; <o> ?B_FIRSTBIT: Starting with Bit <0-7>
;     <i> Default is Bit 2
?B_FIRSTBIT     EQU     2        ; default is Bit 2
;</h>
;-----------------------------------------------------------------------------
ENDIF;

3.3.2. XData Port

查看L51_BANK.A51代码，变量B_XDATAPORT是参与切换的标识，默认设置为0xFFFF，可以根据需要修改。

IF  ?B_MODE = 1;
;-----------------------------------------------------------------------------
; if ?BANK?MODE is 1 define the following values
; For Bank-Switching via XDATA Port define XDATA Port Address / Bits
;
;<h> Bank Switching via XDATA Port Address
;    <i> This is only used if ?B_MODE is 1
; <o> P1: XDATA port address <0x0-0xFFFF>
?B_XDATAPORT    EQU     0FFFFH   ; default is XDATA Port Address 0FFFFH
; <o> ?B_FIRSTBIT: Starting with Bit <0-7>
;     <i> Default is Bit 0
?B_FIRSTBIT     EQU     0        ; default is Bit 0
;</h>
;-----------------------------------------------------------------------------
ENDIF;

配合分布外部存储器，如下图。PSD813F2可以0FFFFH地址为控制位，来分别切换不同的Bank对应不同的存储空间，达到和8051Port类似的效果。标准的ROM成本较高，使用此种方式，可以更方便地支持更多的Bank，成本也低。PSD813F2更详细的配置可以参考PSD813F2的DataSheet。

3.3.3. user-provided

以上两种方式，明显是8051Port更容易。所以用户定义也是基于这种方式。很多基于MSC-51内核的MCU，并未完整引出P1口，不能正确的使用方法1，此时可以自定义。见L51_BANK.A51代码。

P1              DATA    90H      ; I/O Port Addresses
P3              DATA    0B0H
;
SWITCH0         MACRO            ; Switch to Memory Bank #0
                CLR     P1.5     ; Clear Port 1 Bit 5
                CLR     P3.3     ; Clear Port 3 Bit 3
                ENDM
;
SWITCH1         MACRO            ; Switch to Memory Bank #1
                SETB    P1.5     ; Set   Port 1 Bit 5
                CLR     P3.3     ; Clear Port 3 Bit 3
                ENDM
;
SWITCH2         MACRO            ; Switch to Memory Bank #2
                CLR     P1.5     ; Clear Port 1 Bit 5
                SETB    P3.3     ; Set   Port 3 Bit 3
                ENDM
;
SWITCH3         MACRO            ; Switch to Memory Bank #3
                SETB    P1.5     ; Set   Port 1 Bit 5
                SETB    P3.3     ; Set   Port 3 Bit 3
                ENDM

默认是以P1.5和P3.3两个Pin为例。需要匹配相应的外置电路，见下图。编译器编译Bank1的函数，会在前面插入SWITCH1指令，相当于Bank1对应的EPROM。编译器编译Bank2的函数，会在前面插入SWITCH2指令，相当于Bank2对应的EPROM。更多详细信息，可以在Keil中仿真调试查看。

3.3.4. 注意

使用user-provided时，因为复位时，系统保持之前的状态，不会自动切换到Bank0，需要修改切换代码，见STARTUP.A51代码的最后，将if 0改为if 1。

; This code is required if you use L51_BANK.A51 with Banking Mode 4
;<h> Code Banking
; <q> Select Bank 0 for L51_BANK.A51 Mode 4
#if 0   
;     <i> Initialize bank mechanism to code bank 0 when using L51_BANK.A51 with Banking Mode 4.
EXTRN CODE (?B_SWITCH0)
                CALL    ?B_SWITCH0      ; init bank mechanism to code bank 0
#endif

3.4. 自定义外部存储器

除了MSC-51直接总线支持的的ROM外部存储器外，还有一些设备可以作为外部存储器存储bin文件。如EEPROM、NorFlash，这两种设置，MSC-51一般没有直接提供总线访问，也就是说直接连接到MSC-51上，然后直接利用Keil提供的Bank Switching方法。那么针对这种情况，我们有办法吗？可以的。我们可以完全不用Keil提供的Switch方法，完全自己构建Switch方法。如在执行Bank0中的FunA时，接下来需要执行Bank1中的函数B，那么在执行FunB之前，先让代码运行至Common Bank中的SwitchFun。SwitchFun负责将Bank1中的Bin文件加载SRAM中覆盖原有的Bank0的代码。详见下面的伪代码。

// Common.c
void SwitchFun(int nOldBankNo, int nNewBankNo, PFun pFun)
{
     
	LoadBinToSRAM(nNewBankNo);
	pFun();
	LoadBinToSRAM(nNewBankNo);
}

// Bank0.c
void FunA()
{
     
	// Call FunB of bank1
	SwitchFun(0, 1, FunB);
	// Do some stuff
}

// Bank1.c
void FunB()
{
     
	// Do some stuff
}

LoadBinToSRAM完成加载指定Bank的Bin覆盖到指定的SRAM。
此种方法主要是利用Keil的Code Banking功能将指定文件生成相同的执行代码地址，加载切换的过程换成自己实现。这里依然要利用L51_BANK.A51文件，否则无法使用Bank功能。然后用user-provided模式，为了防止触发Keil提供的切换功能自动设置了相应的Pin，我们可以修改L51_BANK.A51中B_MODE = 4时时的代码，注释对相关Pin的设置。当我们调用Bank0的函数时，系统可能会调用SWITCHO函数，然后会设置对应的2个Pin，这会带来不可控影响。

P1              DATA    90H      ; I/O Port Addresses
P3              DATA    0B0H
;
SWITCH0         MACRO            ; Switch to Memory Bank #0
;                CLR     P1.5     ; Clear Port 1 Bit 5
;                CLR     P3.3     ; Clear Port 3 Bit 3
                ENDM
;
SWITCH1         MACRO            ; Switch to Memory Bank #1
;                SETB    P1.5     ; Set   Port 1 Bit 5
;                CLR     P3.3     ; Clear Port 3 Bit 3
                ENDM
;
SWITCH2         MACRO            ; Switch to Memory Bank #2
;                CLR     P1.5     ; Clear Port 1 Bit 5
;                SETB    P3.3     ; Set   Port 3 Bit 3
                ENDM
;
SWITCH3         MACRO            ; Switch to Memory Bank #3
;                SETB    P1.5     ; Set   Port 1 Bit 5
;                SETB    P3.3     ; Set   Port 3 Bit 3
                ENDM

3.5 注意

Hex386和Hex80的格式略有些差异，前者兼容后者，后者并不完全兼容前者。Demo中提供支持Hex386转成Bin的Hex2Bin.exe。
更多细节见附件。