ARM软件访问硬件的核心理论(1) -- CPU访问外设方法

ARM软件访问硬件的核心理论(1) -- CPU访问外设方法

Andrew Huang 

 

 

  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/O－mapped）称为端口映射，另一种是存储空间映射方式（Memory－mapped），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 <

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 <

    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<