LV16-10-存储器系统-01-CortexM3

发表于 分类于 ， ， 本文字数： 7k 阅读时长 ≈ 25 分钟

本文主要是Cortex-M3存储器系统的一些的相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

点击查看使用工具及版本
Windows windows11
Ubuntu Ubuntu16.04的64位版本
VMware® Workstation 16 Pro 16.2.3 build-19376536
SecureCRT Version 8.7.2 (x64 build 2214) - 正式版-2020年5月14日
开发板 正点原子 i.MX6ULL Linux阿尔法开发板
uboot NXP官方提供的uboot，NXP提供的版本为uboot-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga(使用的uboot版本为U-Boot 2016.03)
linux内核 linux-4.15(NXP官方提供)
STM32开发板 正点原子战舰V3(STM32F103ZET6)
点击查看本文参考资料
  • 通用
分类 网址说明
官方网站https://www.arm.com/ARM官方网站，在这里我们可以找到Cotex-Mx以及ARMVx的一些文档
https://www.st.com/content/st_com/zh.htmlST官方网站，在这里我们可以找到STM32的相关文档
https://www.stmcu.com.cn/意法半导体ST中文官方网站，在这里我们可以找到STM32的相关中文参考文档
http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.htmlFatFs文件系统官网
教程书籍《ARM Cortex-M3权威指南》ARM公司专家Joseph Yiu（姚文祥）的力作，中文翻译是NXP的宋岩
《ARM Cortex-M0权威指南》
《ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南》
开发论坛http://47.111.11.73/forum.php开源电子网，正点原子的资料下载及问题讨论论坛
https://www.firebbs.cn/forum.php国内Kinetis开发板-野火/秉火（刘火良）主持的论坛，现也做STM32和i.MX RT
https://www.amobbs.com/index.php阿莫（莫进明）主持的论坛，号称国内最早最火的电子论坛，以交流Atmel AVR系列单片机起家，现已拓展到嵌入式全平台，其STM32系列帖子有70W+。
http://download.100ask.net/index.html韦东山嵌入式资料中心，有些STM32和linux的相关资料也可以来这里找。
博客参考http://www.openedv.com/开源网-原子哥个人博客
http://blog.chinaaet.com/jihceng0622博主是原Freescale现NXP的现场应用工程师
cortex-m-resources这其实并不算是一个博客，这是ARM公司专家Joseph Yiu收集整理的所有对开发者有用的官方Cortex-M资料链接（也包含极少数外部资源链接）
  • STM32
STM32STM32 HAL库开发实战指南——基于F103系列开发板野火STM32开发教程在线文档
STM32库开发实战指南——基于野火霸道开发板野火STM32开发教程在线文档
  • SD卡
SD Association提供了SD存储卡和SDIO卡系统规范
点击查看相关文件下载
STM32F103xx英文数据手册STM32F103xC/D/E系列的英文数据手册
STM32F103xx中文数据手册STM32F103xC/D/E系列的中文数据手册
STM32F10xxx英文参考手册（RM0008）STM32F10xxx系列的英文参考手册
STM32F10xxx中文参考手册（RM0008）STM32F10xxx系列的中文参考手册
Arm Cortex-M3 处理器技术参考手册-英文版Cortex-M3技术参考手册-英文版
STM32F10xxx Cortex-M3编程手册-英文版(PM0056)STM32F10xxx/20xxx/21xxx/L1xxxx系列Cortex-M3编程手册-英文版
SD卡相关资料——最新版本有关SD卡的一些资料可以从这里下载
SD卡相关资料——历史版本有关SD卡的一些历史版本资料可以从这里下载，比如后边看的SD卡2.0协议
SD 2.0 协议标准完整版这是一篇关于SD卡2.0协议的中文文档，还是比较有参考价值的，可以一看

本篇笔记主要来自于《Cortex-M3权威指南》的第五章存储器系统。其实有一部分概念在后边一篇笔记中才有所体现，比如什么是寄存器？。

一、存储器映射

CM3 只有一个单一固定的存储器映射。这一点极大地方便了软件在各种 CM3 单片机间的移植。举个简单的例子，各款 CM3 单片机的 NVIC 和 MPU 都在相同的位置布设寄存器，使得它们变得通用。尽管如此， CM3 定出的条条框框是粗线条的，它依然允许芯片制造商灵活地分配存储器空间，以制造出各具特色的单片机产品。存储空间的一些位置用于调试组件等私有外设，这个地址段被称为“ 私有外设区”。私有外设区的组件包括：

（1）闪存地址重载及断点单元(FPB)

（2）数据观察点单元(DWT)

（3）指令跟踪宏单元(ITM)

（4）嵌入式跟踪宏单元(ETM)

（5）跟踪端口接口单元(TPIU)

（6）ROM 表

1. 预定义的存储器映射

Cortex-M3预定义的存储器映射如下：

image-20230506194638996

这个存储器映射只是个粗线条的模板，半导体厂家会提供更展开的图示，来表明芯片中片上外设的具体分布， RAM 与 ROM 的容量和位置信息。

2. 代码区域512M

CM3 的地址空间是 4GB, 程序可以在代码区，内部 SRAM 区以及外部 RAM 区中执行。但是因为指令总线与数据总线是分开的， 最理想的是把程序放到代码区， 从而使取指和数据访问各自使用自己的总线，并行不悖。

image-20230506195402557

3. 内部SRAM区域512M

内部 SRAM 区的大小是 512MB，用于让芯片制造商连接片上的 SRAM，这个区通过系统总线来访问。在这个区的下部，有一个 1MB 的位带区：

image-20230506194933625

该位带区还有一个对应的 32MB 的“位带别名(alias)区”，容纳了 8M 个“位变量”（对比 8051 的只有 128 个位）。位带区对应的是最低的 1MB 地址范围，而位带别名区里面的每个字对应位带区的一个比特。位带操作只适用于数据访问，不适用于取指。通过位带的功能，可以把多个布尔型数据打包在单一的字中，却依然可以从位带别名区中，像访问普通内存一样地使用它们。位带别名区中的访问操作是原子的，消灭了传统的“读－改－写”三步曲。位带操作的细节后边再说。

4. 片上外设区域 512M

地址空间的另一个 512MB 范围由片上外设（的寄存器）使用。这个区中也有一条 32MB的位带别名，以便于快捷地访问外设寄存器。例如，可以方便地访问各种控制位和状态位。要注意的是，外设内不允许执行指令。

image-20230506195152880

5. 两个1GB

image-20230506195233716

这两个 1GB 的范围，分别用于连接外部 RAM 和外部设备，它们之中没有位带。两者的区别在于外部 RAM 区允许执行指令，而外部设备区则不允许。

6. 最后的512M

最后还剩下 0.5GB 的隐秘地带， CM3 内核的闺房就在这里面，包括了系统级组件，内部私有外设总线 s，外部私有外设总线 s，以及由提供者定义的系统外设。

image-20230506195554329

私有外设总线有两条：

  • AHB 私有外设总线，只用于 CM3 内部的 AHB 外设，它们是： NVIC, FPB, DWT 和 ITM。

  • APB 私有外设总线，既用于 CM3 内部的 APB 设备，也用于外部设备（这里的“外部”是对内核而言）。 CM3 允许器件制造商再添加一些片上 APB 外设到 APB 私有总线上，它们通过 ABP 接口来访问。

NVIC 所处的区域叫做“系统控制空间（ SCS）”，在 SCS 里的还有 SysTick、 MPU 以及代码调试控制所用的寄存器：

image-20230506195649606

最后，未用的提供商指定区也通过系统总线来访问，但是不允许在其中执行指令。CM3 中的 MPU 是选配的，由芯片制造商决定是否配上。

二、存储器访问属性

CM3 在定义了存储器映射之外，还为存储器的访问规定了 4 种属性，分别是：
（1）可否缓冲(Bufferable)

（2）可否缓存(Cacheable)

（3）可否执行(Executable)

（4）可否共享(Sharable)

如果配了 MPU，则可以通过它配置不同的存储区，并且覆盖缺省的访问属性。 CM3 片内没有配备缓存，也没有缓存控制器，但是允许在外部添加缓存。通常，如果提供了外部内存，芯片制造商还要附加一个内存控制器，它可以根据可否缓存的设置，来管理对片内和片外 RAM 的访问操作。

地址空间可以通过另一种方式分为 8 个 512MB 等份：

（1）代码区（ 0x0000_0000‐ 0x1FFF_FFFF）。该区是可以执行指令的，缓存属性为 WT（“写通”，Write Through），即不可以缓存。此区亦可写数据。在此区上的数据操作是通过数据总线接口的（读数据使用 D‐Code，写数据使用 System），且在此区上的写操作是缓冲的。

（2）SRAM 区（ 0x2000_0000 – 0x3FFF_FFFF）。此区用于片内 SRAM，写操作是缓冲的，并且可以选择 WB‐WA(Write Back, Write Allocated)缓存属性。此区亦可以执行指令，以允许把代码拷贝到内存中执行——常用于固件升级等维护工作。

（3）片上外设区(0x4000_0000 – 0x5FFF_FFFF)。该区用于片上外设，因此是不可缓存的，也不可以在此区执行指令（这也称为 eXecute Never, XN。 ARM 的参考手册大量使用此术语）。

（4）外部 RAM 区的前半段（ 0x6000_0000 ‐ 0x7FFF_FFFF）。该区用于片外 RAM，可缓存（缓存属性为 WB‐WA），并且可以执行指令。

（5）外部RAM区的后半段(0x8000_0000 - 0x9FFF_FFFF)。除了不可缓存(WT)外，同前半段。

（6）外部外设区的前半段(0xA000_0000 - 0xBFFF_FFFF)。用于片外外设的寄存器，也用于多核系统中的共享内存（需要严格按顺序操作，即不可缓冲)。该区也是个不可执行区。

（7）外部外设区的后半段(0xC000_0000 - 0xDFFF_FFFF)。目前与前半段的功能完全一致。

（8）系统区(0xE000_0000 - 0xFFFF_FFFF)。此区是私有外设和供应商指定功能区。此区不可执行代码。系统区涉及到很多关键部位，因此访问都是严格序列化的(不可缓存，不可缓冲)。而供应商指定功能区则是可以缓存和缓冲的。

写通，写回，与写时申请：

写回(Write Back)：写入的数据先逗留在缓存中，待到必要时再落实到最终目的地，这也是cache 的最基本职能，用于改善数据传送的效率。

写通(Write Through)：写操作“穿透”中途的缓存，直接落入最终的目的地中。可见，写通操作架空了cache，但它使写操作的结果立即生效。这常用于和片上外设或其它处理器共享的内存中，如显卡的显存，片上外设寄存器，以及双核系统中的共享内存。写通操作和C中的“volatile””有密切的联系。

写时申请(Write Allocate)：译者也不太清楚啦~

三、存储器的缺省访问许可

CM3有一个缺省的存储访问许可，它能防止使用户代码访问系统控制存储空间，保护NVIC、MPU等关键部件。缺省访问许可在下列条件时生效：

（1）没有配备MPU

（2）配备了MPU，但是MPU被除能

如果启用了MPU，则 MPU可以在地址空间中划出若干个regions，并为不同的 region规定不同的访问许可权限。缺省的存储器访问许可权限如下表：

image-20230506201000094

当一个用户级访问被阻止时，会立即产生一个总线fault。

四、位带操作

1. 位带区与位带别名区关系

支持了位带操作后，可以使用普通的加载/存储指令来对单一的比特进行读写。在CM3中，有两个区中实现了位带，其中一个是 SRAM 区的最低 1MB 范围 第二个则是片内外设区的最低 1MB 范围。这两个区中的地址除了可以像普通的 RAM 一样使用外，它们还都有自己的“位带别名区”，位带别名区把每个比特膨胀成一个 32 位的字。当通过位带别名区访问这些字时，就可以达到访问原始比特的目的 。

  • 位带区与位带别名区的膨胀关系图
image-20230506201208372
  • 下图从另一个侧面演示比特的膨胀对应关系
image-20230506201252943

2. 位带操作举例

2.1 位带写操作

举例：我们要是想要设置地址 0x2000_0000 中的比特 2，则使用位带操作的设置过程如下图所示：

image-20230506201333734

对应的汇编如下：

image-20230506201402578

2.2 位带读操作

位带读操作相对简单些

image-20230506201525794

对应的汇编为：

image-20230506201552944

3. 基本原理

位带操作的概念其实多年前就有了， 那还是8051单片机开创的先河。CM3 使用如下术语来表示位带存储的相关地址 ：

  • 位带区： 支持位带操作的地址区
  • 位带别名： 对别名地址的访问最终作用到位带区的访问上（注意：这中间有一个地址映射过程）

在位带区中，每个比特都映射到别名地址区的一个字——这是只有LSB有效的字。当一个别名地址被访问时，会先把该地址变换成位带地址。对于读操作，读取位带地址中的一个字，再把需要的位右移到LSB，并把 LSB返回。对于写操作，把需要写的位左移至对应的位序号处，然后执行一个原子的“读一改一写”过程。支持位带操作的两个内存区的范围是：

  • 0x2000_0000‐0x200F_FFFF（ SRAM 区中的最低 1MB）
image-20230506194933625

对 SRAM 位带区的某个比特，记它所在字节地址为 A，位序号为n（0≤ n ≤ 7）则该比特位在别名区的地址为： 

1
2
// “*4”表示一个字为 4 个字节，“*8”表示一个字节中有 8 个比特。
AliasAddr = 0x22000000 + ((A - 0x2000000) * 8 + n) * 4 = 0x22000000 + (A - 0x20000000) * 32 + n * 4
  • 0x4000_0000‐0x400F_FFFF（片上外设区中的最低 1MB）
image-20230506195152880

对 片上外设区的某个比特，记它所在字节地址为 A，位序号为n（0≤ n ≤ 7）则该比特位在别名区的地址为： 

1
2
// “*4”表示一个字为 4 个字节，“*8”表示一个字节中有 8 个比特。
AliasAddr = 0x42000000 + ((A - 0x4000000) * 8 + n) * 4 = 0x42000000 + (A - 0x40000000) * 32 + n * 4

4. 位带别名重映射

4.1 SRAM区

位带区 等效别名地址
0x2000000.0 0x2200000.0
0x2000000.1 0x2200004.0
0x2000000.2 0x2200008.0
…… ……
0x2000000.31 0x220007C.0
0x2000004.0 0x2200080.0
0x2000004.1 0x2200084.0
0x2000004.2 0x2200088.0
…… ……
0x200FFFFC.31 0x23FFFFFC.0

4.2 片上外设区

位带区 等效别名地址
0x4000000.0 0x4200000.0
0x4000000.1 0x4200004.0
0x4000000.2 0x4200008.0
…… ……
0x4000000.31 0x420007C.0
0x4000004.0 0x4200080.0
0x4000004.1 0x4200084.0
0x4000004.2 0x4200088.0
…… ……
0x400FFFFC.31 0x43FFFFFC.0

4.3 一个实例

（1）在地址0x20000000处写入0x3355AACC

（2）读取地址0x22000008。本次读访问将读取0x20000000，并提取比特2，值为1。

（3）往地址0x22000008处写0。本次操作将被映射成对地址0x20000000的“读一改一写”操作（原子的)，把比特⒉清 0。

（4）现在再读取0x20000000，将返回0x3355AAC8 ( bit[2]已清零)。

位带别名区的字只有LSB有意义。另外，在访问位带别名区时，不管使用哪一种长度的数据传送指令(字/半字/字节)，都把地址对齐到字的边界上，否则会产生不可预料的结果。

5. 位带操作的好处

位带操作有什么优越性呢?最容易想到的就是通过GPIO的管脚来单独控制每盏LED的点亮与熄灭。另一方面,也对操作串行接口器件提供了很大的方便(典型如74HC165，CD4094)。总之位带操作对于硬件I/O密集型的底层程序最有用处了。

CM3中还有一个称为“bit-bang”的概念，它通常是通过“bit-band”实现的，但是它俩在学术上是两个不同的概念。位带操作还能用来化简跳转的判断。当跳转依据是某个位时，以前必须这样做:（1）读取整个寄存器（2）掩蔽不需要的位（3）比较并跳转。现在只需:（1）从位带别名区读取状态位（2）比较并跳转。使代码更简洁 。

这只是位带操作优越性的初等体现，位带操作还有一个重要的好处是在多任务中，用于实现共享资源在任务间的“互锁”访问。多任务的共享资源必须满足一次只有一个任务访问它——亦即所谓的“原子操作”。以前的读一改一写需要3条指令，导致这中间留有两个能被中断的空当。于是可能会出现如下图所示的紊乱危象:

image-20230506203822570

同样的紊乱危象可以出现在多任务的执行环境中。其实，上图所演示的情况可以看作是多任务的一个特例：主程序是一个任务， ISR 是另一个任务，这两个任务并发执行。

通过使用 CM3 的位带操作，就可以消灭上例中的紊乱危象。 CM3 把这个“读－改－写”做成一个硬件级别支持的原子操作，不能被中断，如下图：

image-20230506203904832

6. 在C语言中使用位带

不幸的是，在 C 编译器中并没有直接支持位带操作。比如， C 编译器并不知道同一块内存能够使用不同的地址来访问，也不知道对位带别名区的访问只对 LSB 有效。欲在 C 中使用位带操作，最简单的做法就是#define 一个位带别名区的地址。例如： 

1
2
3
4
5
6
7
8
#define DEVICE_REG0      ((volatile unsigned long *) (0x40000000))
#define DEVICE_REG0_BIT0 ((volatile unsigned long *) (0x42000000))
#define DEVICE_REG0_BIT1 ((volatile unsigned long *) (0x42000004))

*DEVICE_REG0 = 0xAB; // 地址访问寄存器

*DEVICE_REG0 = *DEVICE_REG0 | 0x2; // 使用传统方法设置 bit1
*DEVICE_REG0_BIT1 = 0x1;           // 通过位带别名地址设置 bit1

为简化位带操作，也可以定义一些宏。比如，我们可以建立一个把”位带地址+位序号“转换成别名地址的宏，再建立一个把别名地址转换成指针类型的宏：

1
2
3
4
5
//把“位带地址＋位序号”转换成别名地址的宏
#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000) + 0x2000000 + ((addr & 0xFFFFF) << 5) + (bitnum << 2))

//把该地址转换成一个指针
#define MEM_ADDR(addr) *((volatile unsigned long *) (addr))

在此基础上，我们就可以如下改写代码：

1
2
3
MEM_ADDR(DEVICE_REG0) = 0xAB; //使用正常地址访问寄存器
MEM_ADDR(DEVICE_REGO) = MEM_ADDR(DEVICE_REGO) | 0x2;// 传统做法
MEM_ADDR(BITBAND(DEVICE_REGO, 1)) = 0x1;            // 使用位带别名地址

注意：当使用位带功能时，要访问的变量必须用 volatile 来定义。因为 C 编译器并不知道同一个比特可以有两个地址。所以就要通过volatile，使得编译器每次都如实地把新数值写入存储器，而不再会出于优化的考虑，在中途使用寄存器来操作数据的复本，直到最后才把复本写回（这和 cache的原理是一样的)。