S3C2410外围存储系统的研究与设计

　　０　引言

　　Ｓａｍｓｕｎｇ公司推出的基于ＡＲＭ９２０Ｔ内核的１６／３２位ＲＩＳＣ微处理器Ｓ３Ｃ２４１０，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。为了降低整个系统的成本，Ｓ３Ｃ２４１０提供了丰富的内部设备。其中加强的ＡＲＭ体系结构ＭＭＵ用于支持ＷｉｎＣＥ，ＥＰＯＣ３２和Ｌｉｎｕｘ。随着技术的进步和发展，电子产品的功能日益强大，而嵌入式操作系统可以有效地管理各项功能，并且能够缩短产品开发周期，因此将微处理器与嵌入式操作系统进行联合开发成为一种趋势，然而微处理器的片内存储资源有限，若要进行嵌入式系统的移植，必须扩展其存储系统。对于嵌入式系统的开发人员来说，深入理解其存储系统原理和有效地管理存储系统对正确高效地设计嵌入式系统的硬件和底层软件编程具有重要的意义［１］。

　　１　Ｓ３Ｃ２４１０的寻址原理

　　ＡＲＭ９２０Ｔ内核提供了３２位的地址总线，可以访问４Ｇ（２３２）的线性地址空间，而Ｓ３Ｃ２４１０的内部地址总线是３０ｂｉｔ（ＨＡＤＤＲ［２９：０］），能够访问的外部地址空间是２３０，即１Ｇ的地址空间０ｘ００００００００～０ｘ３ＦＦＦＦＦＦＦＦ，可见Ｓ３Ｃ２４１０仅利用了ＡＲＭ９２０Ｔ的３２位地址总线的低３０位，并且是一一对应相连的［１］。由表１可知Ｓ３Ｃ２４１０将１Ｇ的外部地址空间分成了８个存储器组，每个组的大小为１２８Ｍ，其中６个用于ＲＯＭ、ＳＲＡＭ等存储器，２个用于ＲＯＭ、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ等存储器。基于芯片体积及成本的考虑，当Ｓ３Ｃ２４１０对外寻址时，采用了部分译码的方式，即低位地址线用于外围存储器的片内寻址，而高位地址线用于外围存储器的片外寻址。如表１所示，由于每个存储器组的起始地址及空间大小固定，对于系统要访问的任意外部地址，Ｓ３Ｃ２４１０可以方便地利用内部地址总线的高３位ＨＡＤＤＲ［２９：２７］来选择该地址属于哪一个存储器组（Ｂａｎｋ），从而激活相应的Ｂａｎｋ选择信号，并且使用外部地址总线Ａ［２６：０］来实现相应Ｂａｎｋ的内部寻址，寻址范围为１２８Ｍ（２２７），从而使得其外围地址访问空间为１ＧＢ（１２８ＭＢ×８）。Ｓ３Ｃ２４１０正是通过这种机制来完成外部地址空间的寻址全过程。

　　　Ｓ３Ｃ２４１０访问ＳＤＲＡＭ地址空间的过程比较难理解，这主要和ＳＤＲＡＭ的存储结构有关。为了更深入地理解其寻址机制，笔者以ＳＤＲＡＭ芯片ＨＹ５７Ｖ５６１６２０Ｂ（３２ＭＢ）为例进行详细地说明。该芯片的内部存储结构是４Ｂａｎｋｓ×４Ｍ×１６Ｂｉｔ，即共有４个Ｂａｎｋ，每个Ｂａｎｋ中有４Ｍ个半字（１６Ｂｉｔ）。Ｂａｎｋ地址可以通过ＢＡ［１：０］与地址总线的高位相连来确定，具体ＢＡ［１：０］与哪个地址位相连，不同的ＳＤＲＡＭ存储系统有不同的方案，详见参考文献［３］。而每个Ｂａｎｋ中的存储单元由行地址和列地址来标识［１］，该芯片通过行地址锁存引脚ｎＲＡＳ和列地址锁存引脚ｎＣＡＳ分别与Ｓ３Ｃ２４１０的引脚ｎＳＲＡＳ（ＳＤＲＡＭ行地址选通信号）和ｎＳＣＡＳ（ＳＤＲＡＭ列地址选通信号）连接，从地址总线获得行地址和列地址。而且列地址的位数可以在ＢＡＮＫＣＯＮｎ（ｎ＝６，７）的中的ＳＣＡＮ——ＢＡＮＫＣＯＮｎ　［１：０］来配置，００＝８－ｂｉｔ，０１＝９－ｂｉｔ，１０＝１０－ｂｉｔ，其复位值为００，即８ｂｉｔ。

　　在实际工作中，如图１所示，在第３个总线时钟，ｎＳＣＳ为低电平，表示ＳＤＲＡＭ被选中，并且地址线的Ｂａｎｋ地址与相应的行地址同时发出，这个命令称之为“行有效”或“行激活”（Ｒｏｗ　Ａｃｔｉｖｅ）。此时ＳＤＲＡＭ将行地址锁存（ｎＳＲＡＳ有效），但还没有执行写命令（ｎＷＥ为高电平），因为没有列地址（ｎＳＣＡＳ为高电平），存储单元无法确定。经过Ｔｒｃｄ（ＲＡＳ至ＣＡＳ延迟）后，ＳＤＲＡＭ再次被选中（ｎＳＣＳ为低电平），此时ｎＳＣＡＳ为低电平，指示ＳＤＲＡＭ此时地址线上的地址为列地址，同时ｎＷＥ有效，写操作被执行。可见发送列地址寻址命令与具体的操作命令（是读还是写），这两个命令也是同时发出的，所以一般都会以“读／写命令”来表示列寻址，相关的列地址被选中之后，将会触发数据传输。至此，Ｓ３Ｃ２４１０对ＳＤＲＡＭ的寻址就完成了。可见，Ｓ３Ｃ２４１０将地址总线上的地址分成行地址和列地址并分开传输给ＳＤＲＡＭ。基于上述的寻址机制，由ＢＡ［１：０］和１２根地址线就可以寻址３２Ｍ或更大的地址空间了。

　　图　１　Ｓ３Ｃ２４１０　ＳＤＲＡＭ时序图

　　２　存储器控制器和相关引脚介绍

　　２．１寄存器介绍

　　Ｓ３Ｃ２４１０存储器控制器主要有：总线带宽和等待控制寄存器（ＢＷＳＣＯＮ）；总线控制寄存器（ＢＡＮＫＣＯＮＮ：ｎＧＣＳ０－ｎＧＣＳ５）；ＢＡＮＫ控制寄存器（ＢＡＮＫＣＯＮｎ：ｎＧＣＳ６－ｎＧＣＳ７）；刷新控制寄存器（ＲＥＦＲＥＳＨ）；ＢＡＮＫＳＩＺＥ寄存器；ＳＤＲＡＭ模式寄存器集寄存器（ＭＲＳＲ）等，详情请见参考文献［３］。

　　２．２相关引脚

　　Ｓ３Ｃ２４１０提供了相关的引脚来控制存储器访问：

　　组选择信号：ｎＧＣＳ０－ｎＧＣＳ５，ｎＧＣＳ６（ｎＳＣＳ０），ｎＧＣＳ７（ｎＳＣＳ１）引脚用来选择相应的存储器组。

　　访问控制信号：为了实现ＡＲＭ存储器访问指令ＬＤＲ／ＳＴＲ字节、半字和字访问的三种方式，在Ｓ３Ｃ２４１０的存储器组中，除了Ｂａｎｋ０以外的所有地址空间都可以通过编程设置为８位、１６位或３２位对准访问，Ｂａｎｋ０可以设置为１６位或３２位。引脚ｎＷＢＥ［３：０］（写字节使能）实现８ｂｉｔ　ＲＯＭ芯片组的三种访问方式，或者ＳＲＡＭ不使用ＵＢ／ＬＢ（在ＢＷＳＣＯＮ中设置）的情况下，与ＵＢ／ＬＢ连接。引脚ｎＢＥ［３：０］（在使用ＳＲＡＭ情况下的字节允许信号）在ＳＲＡＭ使用ＵＢ／ＬＢ（是否使用可在ＢＷＳＣＯＮ中设置）的情况下与ＵＢ／ＬＢ连接。ＤＱＭ［３：０］（ＳＤＲＡＭ数据屏蔽信号）引脚实现对ＳＤＲＡＭ的三种访问。还有ｎＷＡＩＴ、ｎＸＢＲＥＱ／ｎＸＢＡＣＫ引脚。

　　３　硬件电路设计

　　在本嵌入式系统开发实验中，Ｓ３Ｃ２４１０扩展的存储系统采用了英国Ｉｎｔｅｌ公司的１６Ｍ　Ｅ２８Ｆ１２８Ｊ３Ａ－１５０　ＮＯＲ　Ｆｌａｓｈ芯片，以及Ｈｙｎｉｘ公司的３２Ｍ　ＨＹ５７Ｖ５６１６２０Ｂ　ＳＤＲＡＭ芯片。地址空间分配如下：Ｆｌａｓｈ为Ｂａｎｋ０中的０ｘ００００００００～０ｘ０７ＦＦＦＦＦＦ地址段，而ＳＤＲＡＭ为Ｂａｎｋ６中的０ｘ３０００００００～０ｘ３７ＦＦＦＦＦＦ地址段，具体的电路连接如图２。

　　图　２　Ｓ３Ｃ２４１０　与Ｆｌａｓｈ、ＳＤＲＡＭ的电路连接图

　　４　存储系统初始化

　　Ｕ－Ｂｏｏｔ是德国ＤＥＮＸ小组的开发用于多种嵌入式ＣＰＵ的开放源代码ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序，目前版本是１．１．６，本实验使用的是Ｕ－Ｂｏｏｔ－１．１．４。Ｕ－Ｂｏｏｔ是在ｐｐｃｂｏｏｔ以及ａｒｍｂｏｏｔ的基础上发展而来，现已非常成熟和稳定，已经在许多嵌入式系统开发过程中被采用。其支持多种目标操作系统，其中对Ｌｉｎｕｘ的支持完善，是嵌入式Ｌｉｎｕｘ　Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ的选择。

　　由于本实验Ｌｉｎｕｘ要移植的开发板是基于ｓ３ｃ２４１０的开发板，在Ｕ－Ｂｏｏｔ中已有移植成功的ｓｍｄｋ２４１０开发板，故以ｓｍｄｋ２４１０开发板上运行的Ｕ－Ｂｏｏｔ为模板设计适合本实验的Ｕ－Ｂｏｏｔ。有关存储系统的初始化修改如下：

　　（１）Ｆｌａｓｈ驱动程序采用了ｂｏａｒｄ／Ｃｍｉ／Ｆｌａｓｈ．ｃ，由于ｃｍｉ中的ｆｌａｓｈ．ｃ在写入时要交换字节，因而删除了它的ｗｒｉｔｅ＿ｓｈｏｒｔ（）和ｗｒｉｔｅ＿ｂｕｆｆ（）函数，利用ｂｏａｒｄ／ｅｐ７３１２／Ｆｌａｓｈ．ｃ中的ｗｒｉｔｅ＿ｗｏｒｄ（）和ｗｒｉｔｅ＿ｂｕｆｆ（）函数，并且把ｆｌａｓｈ．ｃ中的ＦＬＡＳＨ＿ＢＡＳＥ０＿ＰＲＥＬＩＭ改为ＣＦＧ＿ＦＬＡＳＨ＿ＢＡＳＥ。把ＦＬＡＳＨ＿ＢＬＯＣＫ＿ＳＩＺＥ改为０ｘ２００００，（Ｅ２８Ｆ１２８Ｊ３Ａ　ｆｌａｓｈ中块的大小是１２８Ｋ）。

　　（２）Ｂｏａｒｄ／　ｓｍｄｋ２４１０／ｓｍｄｋ２４１０．ｃ中函数ｄｒａｍ＿ｉｎｉｔ（）定义了ＳＤＲＡＭ的真实地址和实际大小。由于本实验中，ＳＤＲＡＭ的大小为３２Ｍ，所以修改Ｉｎｃｌｕｄｅ／ｃｏｎｆｉｇｓ／Ｓｍｄｋ２４１０．ｈ中的ＰＨＹＳ＿ＳＤＲＡＭ＿１＿ＳＩＺＥ，改为０ｘ０２００００００。

　　（３）将如下代码替代原来在Ｉｎｃｌｕｄｅ／ｃｏｎｆｉｇｓ／Ｓｍｄｋ２４１０．ｈ的／＊ＦＬＡＳＨ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ＊／一栏中的内容。

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＰＨＹＳ＿ＦＬＡＳＨ＿１　０ｘ００００００００　　　　　　　　　　　　　　　　／＊　Ｆｌａｓｈ　Ｂａｎｋ　＃１　＊／

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＰＨＹＳ＿ＦＬＡＳＨ＿ＳＩＺＥ　０ｘ０１００００００　　　　　　　　　　　／＊　１６　ＭＢ　＊／

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＣＦＧ＿ＦＬＡＳＨ＿ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＣＦＧ＿ＦＬＡＳＨ＿ＢＡＳＥ　ＰＨＹＳ＿ＦＬＡＳＨ＿１

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＣＦＧ＿ＭＯＮＩＴＯＲ＿ＢＡＳＥ　ＰＨＹＳ＿ＦＬＡＳＨ＿１

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＣＦＧ＿ＭＡＸ＿ＦＬＡＳＨ＿ＢＡＮＫＳ　１　　　　　　　　／＊　ｍａｘ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｍｅｍｏｒｙ　ｂａｎｋｓ　＊／

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＣＦＧ＿ＭＡＸ＿ＦＬＡＳＨ＿ＳＥＣＴ　１２８　　　　　　　　　　　　　　／＊　ｍａｘ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｓｅｃｔｏｒｓ　ｏｎ　ｏｎｅ　ｃｈｉｐ　＊／

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＣＦＧ＿ＦＬＡＳＨ＿ＥＲＡＳＥ＿ＴＯＵＴ　（２＊ＣＦＧ＿ＨＺ）　　　　／＊　Ｔｉｍｅｏｕｔ　ｆｏｒ　Ｆｌａｓｈ　Ｅｒａｓｅ　＊／

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＣＦＧ＿ＦＬＡＳＨ＿ＷＲＩＴＥ＿ＴＯＵＴ　（２＊ＣＦＧ＿ＨＺ）　　　／＊　Ｔｉｍｅｏｕｔ　ｆｏｒ　Ｆｌａｓｈ　Ｗｒｉｔｅ　＊／

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＣＦＧ＿ＥＮＶ＿ＩＳ＿ＩＮ＿ＦＬＡＳＨ　１

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＣＦＧ＿ＥＮＶ＿ＡＤＤＲ　（ＰＨＹＳ＿ＦＬＡＳＨ＿１　＋　０ｘ６００００）

　　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＣＦＧ＿ＥＮＶ＿ＳＩＺＥ　０ｘ２００００　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　／＊　Ｔｏｔａｌ　Ｓｉｚｅ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｓｅｃｔｏｒ　＊／

　　如上分析，ＳＤＲＡＭ和Ｆｌａｓｈ的初始化信息分别在ｓｍｄｋ２４１０．ｃ和ｆｌａｓｈ．ｃ文件中定义了，是通过ｌｉｂ＿ａｒｍ／ｂｏａｒｄ．ｃ文件的ｄｉｓｐｌａｙ＿ｄｒａｍ＿ｃｏｎｆｉｇ（）和ｄｉｓｐｌａｙ＿ｆｌａｓｈ＿ｃｏｎｆｉｇ（）函数来显示的。

　　５　结束语

　　本文结合实际实验，分析了Ｓ３Ｃ２４１０的存储系统原理，完成了其外围存储系统的硬件电路设计和软件初始化，成功实现了对Ｓ３Ｃ２４１０存储系统的存取访问。开发人员可以根据笔者的研究和设计思路，同时结合所需的存储容量和类型进行高效的存储系统设计。