CPU 访问外设方法

在嵌入式编程里,特别是32bit CPU里,各种各样五花八门的动作是CPU通过对外设的驱动来完成的.因为底层编程大部分工作就是外设编程。
  

CPU本身几乎每一种外设都是通过读写设备上的寄存器来进行操作的。外设寄存器也称为I/O端口”,通常包括:控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类,而且一个外设的寄存器通常被连续地编址。注意,这里的外设是相对于CPU来讲的,比如S3C2440除了ARM920T的内核以外,还在同一块CPU里集成很多模块,这一些模块也称为外设。

CPU对外设IO端口物理地址的编址方式 有两种:一种是I/O映射方式(I/Omapped)称为端口映射,另一种是存储空间映射方式(Memorymapped),称为内存映射。而具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。

 

内存映射

有些体系结构的CPU(如,PowerPC、m68k等)通常只实现一个物理地址空间(RAM)。在这种情况下,外设 I/O端口的物理地址就被映射到CPU的单一物理地址空间中,而成为存储空间的一部分。此时,CPU可以象访问一个内存单元那样访问外设I/O端口,而不需要 设立专门的外设I/O指令。这就是所谓的“存储空间映射方式”(Memory-mapped)。ARM体系的CPU均采用这一模式.

简而言之,就是内存(一般是SDRAM)与外设寄存器统一编址。

 

端口映射

而另外一些体系结构的CPU(典型地如X86)则为外设专门实现了一个单独地地址空间,称为“I/O地址空间”或者“I/O端口空间”。这是一个 与CPU地RAM物理地址空间不同的地址空间,所有外设的I/O端口均在这一空间中进行编址。CPU通过设立专门的I/O指令(如X86的IN和OUT指 令)来访问这一空间中的地址单元(也即 I/O端口)。这就是所谓的“I/O映射方式”(I/O-mapped)。与RAM物理地址空间相比,I/O地址空间通常都比较小,如x86 CPU的I/O空间就只有64KB(0-0xffff)。这是“I/O映射方式”的一个主要缺点。而且必须要专门的汇编语言才能处理.

 

内存映射模式下,对寄存器的访问就是某一个地址的操作,因此C语言的指针即可完成此操作。这样编程相当方便。

Linux 最早是在在X86运行,对硬件地址采用端口映射,后来又扩展到ARM之类运行.为了简化操作,Linux在所以CPU上都采用I/O端口概念.如果是象ARM这样内存映射.也被模拟成端口.

 

SOC的外设地址编址

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对于S3C2440/S3C6410这种集成很多外设模块的SOC来说,外设的地址编址分成两种类型。

 一种是CPU内部集成的外设,这里物理地址是固定的。这个查CPU的DataSheet即可知道。

另外一种是物理上与CPU分离的IC,如Nor Flash,SDRAM网络控制器,它们通过片选信号来确定自己的物理地址.


还有一类IC的不直接映射到物理空间之上。这一类往往通过相应寄存器来间接控制。不在此讨论之列


内部模块固定地址

 

比如S3C2440内部模块地址

 
S3C6410的映射地址
 


外部模块地址分配 
 
  在CPU上都会引出多个片选线。每一个片选线表示对应一个固定的地址范围,在术语上称为(Bank).
以S3C2440为例,参见如下对应关系
在硬件设计上,第一片的SDRAM的片选线接在nGCS36上,参考上表,这片SDRAM的物理地理就是0x30000000.
DM9000的网络控制接在nGCS3这个硬件联线上,这样网络处理器的硬件地址起始地址在0x18000000.

以S3C6410为为例,它的第一步选是片选线nGCS3,SDRAM的起始地址是0x5000000之上.


软件如何读写外设

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在内存映射模式下。对于外设的访问实际就是对内存地址的访问.在C语言里,即指针操作。为了增加阅读性,往往采用如下的宏定义.


#define rGPGCON    (*(volatile unsigned *)0x56000060) //Port G control

这个宏定义非常之复杂,所以我经常用如下五个问题来问学生或者来面试讲师的人。
1.为什么要用绝对地址,地址怎么来的?
2. unsigned *表示什么?
•3.为什么要用unsigned?
4.最左边的*表示什么?
5. volatile表示什么含意?
6.完成同样一个功能,在不同字节序下,设置的寄存器的数字是不是一样?

第一个问题比较好答.内存映射模式是直接内存访问。编址的来源看上两节

2. unsigned *表示什么?
–  unsigned int 缩写, unsigned *表示取后面四个byte空间的宽度, 同理还有(*(volatile unsigned short *)0x56000060) 表示取后面两个字节空间。

3.为什么要用unsigned?
–  禁止算术移位,采用逻辑移位.因为嵌入式编程大量采用移位操作。如果用带符号,会形成算术移位,即最高位符号不参与移位,这是错误操作。

4.第一*表示什么?
–   表取指针指向空间.*(unsigned *)
  上述表达式相当如下代码的简写,
    int val;
     int * p = &val;
    *p = 0x100000; 
 5.volatile表示什么含意? 
–    其中volatile 是C的保留字,表 禁止编译器对变量访问优化. 即源码中有多少读写操作,编译后生产多少机器操作指令.否则如下代码,将不产生指令
   int a; a++ ; a-- ;
但是在硬件编程中,一次操作都可能表示特定含意.如果省略,往往出错。

6.完成同样一个功能,在不同字节序下,设置的寄存器的数字是不是一样?
   不一样,小端字节序是与手册相同顺序,即个数位表示第0位。大端字节序正好相反.

基本操作
  向寄存器赋值
   rGPBCON = 0x1000;
   
  向寄存器取值
    unsigned int val = rGPBCON;

位操作-置位操作

把第0位置1
 rGPGCON | = 0x1;
把第3位置1
  rGPGCON |= 0x8;
把第n位置1
  rGPGCON |= (0x1 <<n);
把第12,13位分别置1
   rGPGON|= (0x3) << 12;
把第10,15位分别置1
    rGPGON | = ( 0x01 << 10 ) | (0x01 << 15) ;
把(0x0 <<n)表示什么含意?
    rGPGON = (0x01 << 2) | (0x0 <<1) | (0x0 <<0);
表示占位,对应位是默认值不变.
 
位操作-清位操作
  把第1位清0
     rGPGCON &= ~(0x1);
第3位清洗0
     rGPGCON &= ~(0x8);
第n位清0
    rGPGCON &= ~(0x1 << n);
第12,13清0
    rGPGCON &= ~(0x3 << 12);
第10,15位清0
  rGPGCON &= ~((0x1 <<10) | (0x1<<15));  //<--较优
  rGPGCON &= ~(0x1 <<10)  &  ~(0x1<<15);
位操作-取位操作
  把第一位取出来
      rGBACON & 0x01
把第3位取出来
      rGBACON & 0x8
精确知道n位是1,还是0
      (rGBACON & (0x1<<n)) == (0x1<<n))


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