通过存储控制器访问外设

  SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器）也就是通常所说的内存。内存的工作原理、控制时序、及相关控制器的配置方法一直是嵌入式系统学习、开发过程中的一个难点。我们从其硬件的角度来分析其原理，然后再引出SDRAM的驱动编写过程。

  内存是代码的执行空间，以PC机为例，程序是以文件的形式保存在硬盘里面的，程序在运行之前先由操作系统装载入内存中，由于内存是RAM（随机访问存储器），可以通过地址去定位一个字节的数据，CPU在执行程序时将PC的值设置为程序在内存中的开始地址， CPU会依次的从内存里取址，译码，执行，在内存没有被初始化之前，内存好比是未建好的房子，是不能读取和存储数据的，因此我们要想让MTOS运行在内存里必须进行内存的初始化。

通用存储设备：

  在介绍内存工作原理之前有必要了解下存储设备的存储方式：ROM，RAM

  ROM(Read-Only Memory)：只读存储器，是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。其特性是一旦储存资料就无法再将之改变或删除。通常用在不需经常变更资料的电子或电脑系统中，资料并且不会因为电源关闭而消失。如：PC里面的BIOS。

  BIOS（basic input output system）：基本输入输出系统，它的作用：

    1）自检及初始化

      开机后BIOS最先被启动，然后它会对电脑的硬件设施进行完全彻底的检验和测试，如果发现问题，       会分两种情况处理：

      一.严重故障停机，不给出任何提示或信号

      二.非严重故障，则给出屏幕提示或声音警报信号，等待用户处理

      如果未发现问题，则将硬件设施设置为备用状态，然后启动操作系统，把对电脑的控制权交给用户。

    2）程序服务

       BIOS直接与电脑的Input或output设备打交道，通过特定的数据端口发出命令，传送或接受各种外部设备的数据，实现软件程序对硬件的直接操作。

    3）设置中断

       开机时，BIOS会告诉CUP各硬件设备的中断号，当用户发出使用某个设备的指令后，CPU就根据中断号使用相应的硬件来完成工作，再根据中断号跳回去执行原来的工作

  RAM(Random Access Memory) ：随机访问存储器，存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。可以理解为，当你给定一个随机有效的访问地址，RAM会返回其存储内容(随机寻址)，它访问速度与地址的无关。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间内随机访问使用的程序。计算机系统里内存地址是一个四字节对齐的地址（32位机），CPU的取指，执行，存储都是通过地址进行的，因此它可以用来做内存。

RAM按照硬件设计的不同，随机存储器又分为DRAM（Dynamic RAM)动态随机存储器和SRAM（Static RAM) 静态随机存储器。

  DRAM：它的基本原件是小电容，电容可以在两个极板上短时间内保留电荷，可以通过两极之间有无电压差代表计算机里的0和1，由于电容的物理特性，要定期的为其充电，否则数据会丢失。对电容的充电过程叫做刷新，但是制作工艺较简单，体积小，便于集成化，经常做为计算机里内存制作原件。比如：PC的内存，SDRAM, DDR, DDR2, DDR3等，缺点：由于要定期刷新存储介质，存取速度较慢。

  SRAM：它是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。因此其存取速度快，但是体积较大，功耗大，成本高，常用作存储容量不高，但存取速度快的场合，比如CPU的L1 cache，L2cache(一级，二级缓存) ，寄存器。

 

为了满足开发的需要s3c2440在出厂时搭载了三种存储介质：

（1）NOR FLASH（2M）：ROM存储器，通常用来保存BootLoader，引导系统启动

（2）NAND FLASH（1G/2G，型号不一样，Nandflash大小不一样）：保存操作系统映像文件和文件系统

（3）SDRAM（64M）：内存，执行程序

  NOR FLASH：它的特点是支持XIP芯片内执行（eXecute In Place），这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中，也就是说可以随机寻址。NOR FLASH的成本较高。

  NAND FLASH：它能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。其成本较低，不支持XIP。可做嵌入式里的数据存储介质。如：手机存储卡，SD卡等。

  S3C2440对外引出27根地址线ADDR0-ADDR26，因此从地址线数目来看S3C2440对外访问的范围只有128MB；而S3C2440的存储管理器的1G地址空间分为8个BANK，cpu同时还引出了8根片选信号nGCS0-nGCS7,分别对应着BANK0-BANK7,当nGCSx引脚拉低即可选中对应的外接设备。这样S3C2440的寻址空间就有1GB了。S3C2440作为32位的cpu，理论可以寻址范围是4GB，一部分用于访问外设--1GB，一部分是cpu内部寄存器的地址，剩下的地址空间没有使用。（注意：这里是物理地址）

       

  上图是s3c2440的内存控制器地址空间分布图，左侧图对应不使用Nand flash启动时(通过跳线设置)，存储器Bank分布图，通常在这种启动方式里选择Norflash启动，将Nor flash焊接在Bank0， 系统上电后，CPU从Bank0的开始地址0x00000000开始取指运行。上图右侧是选择从Nand flash引导启动(通过跳线设置)，系统上电后，CPU会自动将Nandflash里前4K的数据复制到S3C2440内部一个4K大小 SRAM类型存储器里（叫做Steppingstone），然后从Steppingstone取指启动。

 其中Bank0~Bank5可以焊接ROM或SRAM类型存储器，Bank6~Bank7可以焊接ROM，SRAM，SDRAM类型存储器，也就是说，S3C2440的SDRAM内存应该焊接在Bank6~Bank7上，最大支持内存256M，Bank0~Bank5通常焊接一些用于引导系统启动小容量ROM，具体焊接什么样存储器，多大容量，根据每个开发板生产商不同而不同，比如s3c2440开发板将2M的Norflash焊接在了Bank0上，用于存放系统引导程序Bootloader，将两片32M，16Bit位宽SDRAM内存焊接在Bank6和Bank7上，并联形成64M，32位内存。

                 

    sdram内部是一个存储阵列，就像表格一样，将数据填进去，而sdram有四个这样的表格，这4个表格就叫逻辑 Bank（Logical Bank，简称 L-Bank）。 由于技术、成本等原因，不可能只做一个全容量的 L-Bank，而且最重要的是，由于 SDRAM的工作原理限制，单一的 L-Ban k将会造成非常严重的寻址冲突，大幅降低内存效率。所以人们在 SDRAM内部分割成多个 L-Bank，目前基本都是 4个（这也是SDRAM规范中的最高L-Bank数量），由此可见，在进行寻址时就要先确定是哪个 L-Bank，然后在这个选定的 L-Bank中选择相应的行与列进行寻址。因此对内存的访问，一次只能是一个 L-Bank工作。对表格进行检索需要先指定一个行，再指定一个列。

               

   cpu对sdram访问：

     1）cpu发出片选信号nSCS0/nSCS6的有效信号，通过选中存储控制器的BANK6来选中sdram芯片（其中nSCS0与nSCS6是同一个引脚的两种功能，拉低哪一个对引脚效果都是一样的）

     2）使用ADDR24和ADDR25作为L-Bank的选择信号，可以选择SDRAM的L-Bank的四个中任意一个

     3）对选中的芯片进行统一的行和列寻址，根据sdram芯片的列地址线数设置存储管理器的相关寄存器，cpu就会从4GB地址中自动分配L-bank选择信号，行地址信号，列地址信号，然后先后发出行地址信号，列地址信号。L-bank选择信号在发出行地址信号的同时并维持到列地址信号结束。

在下图中可以清楚看到行地址和列地址共用地址线ADDR2-ADDR14（BANK6位宽是32，ADDR0/1没有使用），并用sdram的行地址脉冲选择信号nSRAS和列地址脉冲选择信号nSCAS进行区别。当nSRAS有效时，ADDR2-ADDR14上发出的是行地址信号，对应着32位地址空间的bit[23:11];当nSCAS信号有效时，ADDR2-ADDR10上发出的是列地址信号，对应32位地址空间的bit[10:2]。

                

     4)找到存储单元后，对被选芯片进行统一数据传输。Jz2440上用两块SDRAM并联组成32位的位宽，与CPU的32根数据线相连，这样CPU每次可以向内存读取或发送32位的数据。由于BANK6的起始地址是0x30000000,它用13根地址线可寻址64MB,即：寻址范围是0x30000000-0x33FFFFFF。

    SDRAM总的容量（SDRAM寻址空间大小）是2^13*2^9*4 （BANK数）*4 （位宽）/1024/1024=64MB

          

  s3c2440的存储控制器共有13个，而BANK0-BANK5仅仅设置BWSCON和BANKCONx(x=0~5),BANK6,BANK7外接SDRAM时，除了上面需要进行上面两个寄存器的配置，还需要配置REFRESH,BANKDIZE,MRSRB6,MRSRB7。

  存储寄存器的操作：

  首先从NAND Flash启动cpu，cpu会通过内部的硬件将NAND flash开始的4KB数据复制到内部的sram中去，并在0地址开始执行。

  用汇编语言设置好存储控制器，使外接的sdram可用，然后将程序本身从sram复制到sdram中执行。

 

/*********************************************************

**head.s

**功能：设置SDRAM,将程序复制到SDRAM,然后到SDRAM继续执行
**********************************************************/   

.equ        MEM_CTL_BASE,      0x48000000             //相当于c中的宏定义

.equ        SDRAM_BASK,        0x30000000

.text

.global _start

_start:

        bl  disable_watch_dog               //关闭看门狗，否则cpu将会不断进行重启

      bl  memsetup                        //进行存储控制器的设置

      bl  copy_steppingstone_to_sdram     //复制代码到sdram

      ldr pc, =on_sdram                   //跳到sdram中继续执行

on_sdram:

      ldr sp,=0x34000000                  //设置堆栈

      bl  main                            //调用main函数

halt_loop:

      b   halt_loop

disable_watch_dog:

      mov r1,  #0x53000000                //看门狗地址

      mov r2,  #0x0                       //写入0

      str r2,  [r1]

      mov pc,  lr                         //返回

memsetup:

      mov r1,  #MEM_CTL_BASE              //存储控制器的13个寄存器的开始地址

      adrl r2,mem_crg_val                //13个寄存器初始值的地址

      add r3,  r1,#52                    //13*4=52

1:  
    ldr r4,     [r2], #4            @ 读取设置值，并让r2加4
    str r4,     [r1], #4            @ 将此值写入寄存器，并让r1加4
    cmp r1,     r3                  @ 判断是否设置完所有13个寄存器
    bne 1b                          @ 若没有写成，继续
    mov pc,     lr                  @ 返回

.align 4
mem_cfg_val:
    @ 存储控制器13个寄存器的设置值
    .long   0x22011110      @ BWSCON
    .long   0x00000700      @ BANKCON0
    .long   0x00000700      @ BANKCON1
    .long   0x00000700      @ BANKCON2
    .long   0x00000700      @ BANKCON3  
    .long   0x00000700      @ BANKCON4
    .long   0x00000700      @ BANKCON5
    .long   0x00018005      @ BANKCON6
    .long   0x00018005      @ BANKCON7
    .long   0x008C07A3      @ REFRESH
    .long   0x000000B1      @ BANKSIZE
    .long   0x00000030      @ MRSRB6
    .long   0x00000030      @ MRSRB7

copy_steppingstone_to_sdram:
    @ 将Steppingstone的4K数据全部复制到SDRAM中去
    @ Steppingstone起始地址为0x00000000，SDRAM中起始地址为0x30000000
    
    mov r1, #0
    ldr r2, =SDRAM_BASE
    mov r3, #4*1024
1:  
    ldr r4, [r1],#4     @ 从Steppingstone读取4字节的数据，并让源地址加4
    str r4, [r2],#4     @ 将此4字节的数据复制到SDRAM中，并让目地地址加4
    cmp r1, r3          @ 判断是否完成：源地址等于Steppingstone的未地址？
    bne 1b              @ 若没有复制完，继续
    mov pc,     lr      @ 返回