CPU与存储外设之间的地址线连接方法

发布者:那是一条路都最新更新时间:2018-07-22 来源: eefocus关键字:CPU  存储外设  地址线  连接方法 手机看文章 扫描二维码
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flash连接CPU时,根据不同的数据宽度,比如16位的NOR FLASH (A0-A19),处理器的地址线要(A1-A20)左移偏1位。为什么要偏1位?

从软件和CPU的角度而言,一个地址对应一个字节,就是8位数据。这是肯定的,不要怀疑这点。

对于具体器件而言,它的位宽是一定的,所谓位宽,指的是“读/写操作时,最小的数据单元”──别说最小单元是“位”,一般设备上没有单独的“位操作”,修改位时通过把整个字节、字或双字读出来、修改,再回写。

CPU的地址线(A0-A20)对应的最小数据单元是字节,即8位; 
而位宽为16的NOR FLASH的地址线(A0-A19)对应的最小数据单元是16位。 
这两个怎么对应起来?

如果说外设的位宽是16,难道我们写程序时会“特意”以16位进行操作吗?不用的,我们写程序时根本不用管外设位宽是8、16还是32。

仔细想想,其实是可以想通的:既然CPU、外设NOR FLASH的最小读/写单元已经固定,那么肯定就是CPU与NOR FLASH之间有个中间层,它来做处理: 
这个中间层被称为“Memory Controller”,CPU要进行读写操作时,“Memory Controller”根据NOR FLASH的位宽,每次总是读/写16位数据。 
以读操作为例: 
CPU想进行8位操作时,它选择其中的8位返回给CPU; 
CPU想进行16位操作时,它直接把这16位数据返回给CPU; 
CPU想进行32位操作时,它发起2次读/写,把结果组合成32位返回给CPU。

现在的连线是:CPU的(A1-A20)接到 16位的NOR FLASH (A0-A19),即CPU的A0不接──这说明:不管A0是0还是1,NOR FLASH接收到的地址是一样的。 
CPU发出地址0bxxxxxxxxx0、0bxxxxxxxxx1时,NOR FLASH看到的都是0bxxxxxxxxx,返回给“Memory Controller”的都是同一个16位数据。 
再由“Memory Controller”选择其中的低8位或高8位给CPU。

“Memory Controller”会帮助我们做这些事情,举例为证: 
1. 软件要读取地址0上的8位数据时,硬件是这样进行的: 
① “Memory Controller”发出0b000000000000000000000的地址信号,NOR FLASH的A0-A19线上的信号是:0b00000000000000000000 
② NOR FLASH在数据总线D0~D15上提供一个16位的数据,这是NOR FLASH中的第1个“最小数据单元” 
③ “Memory Controller”读入这个16位数据 
④ “Memory Controller”把这个16位数据的低8位返回给CPU,这就是一个8位数据。

  1. 软件要读取地址1上的8位数据时,硬件是这样进行的: 
    ① “Memory Controller”发出0b000000000000000000001的地址信号,NOR FLASH的A0-A19线上的信号是:0b00000000000000000000 
    ② NOR FLASH在数据总线D0~D15上提供一个16位的数据,这是NOR FLASH中的第1个“最小数据单元” 
    ③ “Memory Controller”读入这个16位数据 
    ④ “Memory Controller”把这个16位数据的高8位(注意,前面的低8位)返回给CPU,这就是一个8位数据。

  2. 软件要读取地址2上的8位数据时,硬件是这样进行的: 
    ① “Memory Controller”发出0b000000000000000000010的地址信号,NOR FLASH的A0-A19线上的信号是:0b00000000000000000001 
    ② NOR FLASH在数据总线D0~D15上提供一个16位的数据,这是NOR FLASH中的第2个“最小数据单元” 
    ③ “Memory Controller”读入这个16位数据 
    ④ “Memory Controller”把这个16位数据的低8位返回给CPU,这就是一个8位数据。

  3. 软件要读取地址3上的8位数据时,硬件是这样进行的: 
    ① “Memory Controller”发出0b000000000000000000011的地址信号,NOR FLASH的A0-A19线上的信号是:0b00000000000000000001 
    ② NOR FLASH在数据总线D0~D15上提供一个16位的数据,这是NOR FLASH中的第2个“最小数据单元” 
    ③ “Memory Controller”读入这个16位数据 
    ④ “Memory Controller”把这个16位数据的高8位(注意,第3点是低8位)返回给CPU,这就是一个8位数据。

  4. 软件要读取地址0和1上的16位数据时,硬件是这样进行的: 
    ① “Memory Controller”发出0b000000000000000000000的地址信号,NOR FLASH的A0-A19线上的信号是:0b00000000000000000000 
    ② NOR FLASH在数据总线D0~D15上提供一个16位的数据,这是NOR FLASH中的第1个“最小数据单元” 
    ③ “Memory Controller”读入这个16位数据 
    ④ “Memory Controller”把这个16位数据返回给CPU

  5. 软件要读取地址2和3上的16位数据时,硬件是这样进行的: 
    ① “Memory Controller”发出0b000000000000000000010的地址信号,NOR FLASH的A0-A19线上的信号是:0b00000000000000000001 
    ② NOR FLASH在数据总线D0~D15上提供一个16位的数据,这是NOR FLASH中的第2个“最小数据单元” 
    ③ “Memory Controller”读入这个16位数据 
    ④ “Memory Controller”把这个16位数据返回给CPU

  6. 软件要读取地址0、1、2、3上的32位数据时,硬件是这样进行的: 
    ① “Memory Controller”发出0b000000000000000000000的地址信号,NOR FLASH的A0-A19线上的信号是:0b00000000000000000000 
    ② NOR FLASH在数据总线D0~D15上提供一个16位的数据,这是NOR FLASH中的第1个“最小数据单元” 
    ③ “Memory Controller”读入这个16位数据

    ④ “Memory Controller”发出0b000000000000000000010的地址信号,NOR FLASH的A0-A19线上的信号是:0b00000000000000000001 
    ⑤ NOR FLASH在数据总线D0~D15上提供一个16位的数据,这是NOR FLASH中的第2个“最小数据单元” 
    ⑥ “Memory Controller”读入这个16位数据 
    ⑦ “Memory Controller”把两个16位的数据组合成一个32位的数据,返回给CPU。

    从1~7可知: 
    ① 对于软件而言,它不知道底下发生了什么事,它只管结果: 
    读取地址0的8位数据,就得到了一个8位数据;读取地址1的8位数据,就得到另一个紧挨着的8位数据 
    读取地址0开始的16位数据,就得到了一个16位数据;读取地址2开始的16位数据,就得到另一个紧挨着的16位数据 
    读取地址0开始的32位数据,就得到了一个32位数据;读取地址4开始的32位数据,就得到另一个紧挨着的32位数据 
    ② 对于NOR FLASH,它只按照A0-A19地址线,提供16位数据,才不管软件要的是8位、16位,还是32位呢。 
    ③ “Memory Controller”完成了这些位宽之间的数据选择、合并。

所以: 
外设位宽是8时,CPU的A0~AXX与外设的A0~AXX直接相连 
外设位宽是16时,CPU的A1~AXX与外设的A0~AYY直接相连,表示不管CPU的A0是0还是1,外设看到的都是同一个地址,对应16位的数据,“Memory Controller”对数据进行选择或组合,再提供给CPU。 
外设位宽是32时,CPU的A2~AXX与外设的A0~AZZ直接相连,表示不管CPU的A0A1是00,01,10还是11,外设看到的都是同一个地址,对应32位的数据,“Memory Controller”对数据进行选择或组合,再提供给CPU。

但是也不是所有位宽16bit的flash与cpu的连接 都是像上述那样错开一位的,与具体的flash芯片设计有关系,所以需要查看其datsheet,下文以芯片士通的29LV650和intel的E29F128为例进行说明

这里看来intel nor flash在位宽为16bit时(由VPEN选择),把A0忽略掉了(需要查手册查证)

下面研究一下系统总线地址(cpu_addr)、宽度(bus_width)与nor flash设备总线地址(device_addr)、位度(device_width)的区别与联系:

一、对于nor flash设备来说 
1、nor flash设备的位宽视芯片厂商而定,有x8、x16两总方式(虽然现在主要使用x16的方式,不过内核于启动代码里面仍然保留着对x8和x16两种方式的支持);把多片nor flash并起来使用可以扩大位宽(比如两片x8的nor flash并起来使用位宽扩大为x16)。

2、nor flash设备的总线地址(寻址)范围视具体芯片以及其采用的位宽而定:

以富士通的29LV650为例: 
(29LV650的容量是8Mbyte,共128个sector,每个sector的大小是64 kbyte) 
1)如果选择位宽为x8,设备总线的每个地址代表了一个byte的存储单元,固其总线地址范围为8M(0x000000~0x7fffff); 
2)如果选择位宽为x16,设备总线的每个地址代表了两个byte的存储单元,固其总线地址范围为4M(0x000000~0x3fffff);

再来看看intel的E29F128: 
(E29F128的容量为16Mbyte,共128个sector,每个sector的大小是128Kbyte) 
1)如果选择位宽为x8,设备总线的每个地址代表了一个byte的存储单元,固其总线地址范围为16M(0x000000~0xffffff); 
2)如果选择位宽为x16,情况和富士通的29LV650不同,这时候设备的A0脚不可用,所以你不能访问到奇地址的存储单元,而只能0、2、4…地址的来访问,其总线地址范围为8M(0x000000~0xffffff的偶地址)

二、对于系统来说 
以S3C2410为例,cpu总线宽度是32位,可以通过8、16、32位的总线宽度来访问nor flash设备,视设备的位宽和是否并起来使用而定: 
注: 
buswidth=device_width*interleave:

然而,在cpu的眼里,每一个地址代表1byte的存储单元,不像nor flash设备那样,还有byte、word之分。

三、好了,了解了系统总线地址、宽度与nor flash设备总线地址、位宽后的区别后, 
现在讨论一下cpu与nor flash的接法问题(通过举例来说明):

1、对于富士通的29LV650 
1)选择x8方式,cpu的A0~A22接nor flash的A0~A22 
2)选择x16方式,cpu的A1~A22接nor flash的A0~A21 
注意: 
cpu的A1接nor flash的A0,cpu只能访问偶地址,cpu的一次操作访问了2byte大小的存储单元。

2、对于intel的E29F128 
1)选择x8方式,cpu的A0~A23接nor flash的A0~A23 
2)选择x16方式,由于这时候地址线A0不再有效(这点与富士通的29LV650不同), 
intel E29F128的A1等价于富士通的29LV650的A0,所以系统总线A1~A23接nor flash的A1~A23

四、在cpu对nor flash寻址方面

1、对于富士通的29LV650 
1)在x8模式,系统总线和nor flash总线一一对应,直接访问 
2)在x16模式,nor flash的对外总线缩小一半,一个地址可寻址的存储单元由原来的1 byte变为1 word(1 sector的地址范围由原来的1<<16变为1<<15),所以我们对其进行寻址的时候,需要把所要寻址的存储单元地址>>1位 
注意: 
我这里说的是以byte为单位的存储单元地址

由于系统总线的A1接nor flash的A0,固系统总线地址等于nor flash总线地址<<1位12

注意: 
我这里说的是nor flash的总线地址,对于x8方式以byte为单位,对于x16方式以word为单位

2、对于intel的E29F128 
1)在x8模式,系统总线和nor flash总线一一对应,直接访问 
2)在x16模式,nor flash总线的A0不再使用,有效的总线为A1~A23,所以我们对其寻址的时候,不必像富士通的29LV650那样需要把所要访问的存储单元地址>>1位(因为A0不再有效,等于奇地址自动被忽略,只有偶地址起作用) 
同样: 
由于nor flash总线的A0不起作用,系统总线的A1接nor flash的A1,所以我们只要直接给出存储单元的地址即可,不比对其进行<<1位操作(不过由于设备总线A0不起作用,所以系统只能访问到偶地址的存储单元,奇地址将会被忽略)


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