FLASH位宽为81632时，CPU与外设之间地址线的连接方法

Posted 2020-08-12 帅帅的飞猪

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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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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

6. 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

7. 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

 

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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
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)