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嵌入式硬件平台设计要点(一) 编址

已有 1661 次阅读2008-9-1 07:16 |系统分类:单片机

【蛋疼系列】第一章编址

前言：
    最近花了一点时间研究了一下一个日本古董级产品的系统电路，基于双8086的，以及看了一下飞思卡尔的ARM11核心片子i.MAX31的datasheet，忽然想写一些多年来玩MCU的所谓经验，自信能比某些单片机书籍写得要好。水平有限，错误难免，请拍砖，俺大方接受。

                              第1章编址

1.1 如何编址

    如何在MCU系统中，对其地址空间内的各种存储器、外设、IO准确唯一地编址，在李广弟的《单片机基础》（2000年8月，北航出版社）中已经阐述得很清楚，但是例子过于简单，也没总结出什么原则性的东西。对于一些memory map比较复杂的系统，这个问题是很重要的，应该把握一些原则来进行分析和设计。确定系统中的memory map是硬件平台设计的第一步。

    首先需要分两种情况考虑：你所用的CPU是程序、存储、寄存器、IO统一编址呢，还是程序、存储和IO分别编址。但无论怎样，我们在确定每片空间时的原则是一样的，就是要按应用需要分配，而且要唯一，即一个地址对应一个存储单元（字节或者字）。

    对于特定的CPU，其寄存器和IO所位处的地址空间，我们一般都不能动。因此确定memory map的关键是处理好程序（一般是ROM）和数据存储（一般是RAM或flash）的地址编址。（复杂的系统还可能有一大堆的外设地址）

    多数嵌入式CPU在上电复位或受控复位后，都是从0000H地址开始取指令，8086是个例外，是从FFFF0H处开始取指令，原因是8086的代码段寄存器CS复位后值为FFFFH，偏移4位后就是FFFF0H了。

    因此在编址时，系统的程序ROM（启动代码）必须编制在CPU上电后取指的地址，例如0000H。至于执行完这段启动代码后，系统是跳转到程序ROM的别的地方，还是跳转到数据存储空间去继续取指，那是以后的事。

    在目前大容量存储技术发达的21世纪来说，系统中的程序ROM一般一块搞定，或者是片内FLASH搞定，不必要设计成多块，但是在我研究的小日本80年代的某个产品中，一块CPU对应的ROM都有10块8块，这是题外话。

    相对于程序ROM，数据存储则很可能会很多片，因为一个复杂的系统中可能需要有nand flash，同时需要SRAM，SDRAM，DDR……等，以及还有各种特殊外设映射给CPU的地址，因此在设计时主要的编址工作在这里。

    编址的工作实际上就是两件事情：一是确定数据总线的字长（8位，16位， 32位……），二是确定如何准确给出存储芯片（或外设芯片，以下省略）的片选信号。

    确定数据总线的字长，影响着CPU与存储芯片的地址线的连接。因为CPU的编址数据宽度并不一定与存储器的存储单元宽度一致，举例说，8086是按照字节编址的，意思是说0000H这样的地址是对应一个字节，0001H地址则对应下一个字节，以此类推。但是对于16位宽的存储器（大部分都是），它的地址线上的一个0000H地址对应着一个16位字长的存储单元也即2个字节。这种情况下，在设计原理图时，CPU的地址线就不能跟存储器的地址线一一对连，而应该往前偏移一位，如本该A15-A00 对应存储器的A15-A00的，现在应该改为A16-A01对应连接存储器的A15-A00。这样，无论A00是0还是1，一次读写操作都涉及到2字节的内容。对于这种情况，一般在硬件电路上需要连接高字节和低字节的控制引脚，如80186CPU有UBE和LBE引脚。或者如ARM44b0，可以通过设置内部寄存器来配置数据总线宽度，这样就无需在外部连接UBE和LBE。

    确定如何准确给出各存储芯片的片选信号，这就是体现设计者对地址空间如何进行分配的关键所在。当代码中要访问某个地址时，该地址的数值出现在地址总线上，每片存储芯片都能收到，而到底哪一片芯片该响应此地址，决定于片选信号（一般称为CS或CE），在那一刻没有被CS或CE的芯片，都得当哑巴，不能把自己的数据放到总线上。编址问题，核心就是如何构造准确的片选信号问题，而构造片选信号问题，核心就是如何摆弄各存储芯片的高位地址线的问题。

    举个例子，譬如说要在地址空间总计64kB的51单片机中分配3片4kB的SRAM地址空间，简单起见，假设是从最低地址处开始分配。

    4kB意味着有12根地址线A00-A11，而51的64kB地址空间是对应着16根地址线A00-A15的，那么对于每片SRAM来说，51多出来的4根地址线：A15-A12就是其高位地址线，产生它们自身片选信号就从这几根高位地址线里作文章。

    如何作文章？仔细看李广弟的书就能清楚了。李广弟提到了两种方法，一种是线选法，一种是译码法。除了极其简单的系统外，要唯一、准确地编址都必须使用译码法。

    理解了上面的描述后，更进一步，假如这3片4K 的SRAM 需要分配在0x8000开始的空间呢，或者更难一点，需分配在任意一个地址开始的空间，那又该如何设计呢？我所研究的系统中，8086的1M的地址空间中划分了非常多的地址，包括存储器地址和外设地址，译码电路非常复杂，需要大量的与、非门器件参与，当然今天一般是采用CPLD来统筹管理复杂外部地址的译码逻辑。

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本章题外废话：玩过很多款CPU，体现的是知识；能在很短时间内玩转一款新CPU，体现的是能力。

（待续）

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