【嵌入式系统】存储器映射与寄存器映射原理

一、存储器映射

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图1 存储器映射

存储器在产家制作完成后是一片没有任何信息的物理存储器，而CPU要进行访存就涉及到内存地址的概念，因此存储器映射就是为物理内存按一定编码规则分配地址的行为。值得注意，存储器映射一般是由产家规定，用户不能随意更改。
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图2 STM32芯片存储器映射

注1

STM32中，I-Code Bus与D-Code Bus默认映射到0x00000000 ~ 0x1FFFFFFF内存地址段；AHB系统总线默认映射到0x20000000 ~ 0xDFFFFFFF和0xE0100000 ~ 0xFFFFFFFF两个内存地址段；APB外设总线默认映射到0xE0040000 ~ 0xE00FFFFF内存地址段，但由于TPIU、ETM以及ROM表占用部分空间，实际可用地址区间为0xE0042000~0xE00FF000

二、寄存器映射

寄存器映射是在存储器映射的基础上进行的。

以STM32为例，操作硬件本质上就是操作寄存器。在存储器片上外设区域，四字节为一个单元，每个单元对应不同的功能。当我们控制这些单元时就可以驱动外设工作，我们可以找到每个单元的起始地址，然后通过C 语言指针的操作方式来访问这些单元。但若每次都是通过这种方式访问地址，不好记忆且易出错。这时我们可以根据每个单元功能的不同，以功能为名给这个内存单元取一个别名，这个别名实质上就是寄存器名字。给已分配好地址(通过存储器映射实现)的有特定功能的内存单元取别名的过程就叫寄存器映射。
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图3 寄存器映射

下面以GPIO寄存器CRL为例，先给出CRL定义如下：

typedef struct
{
  __IO uint32_t CRL;
  __IO uint32_t CRH;
  __IO uint32_t IDR;
  __IO uint32_t ODR;
  __IO uint32_t BSRR;
  __IO uint32_t BRR;
  __IO uint32_t LCKR;
} GPIO_TypeDef;

在实际使用时，会有GPIOA->CRL=0x0000 0000这种写法，表示将16进制数0赋值给GPIOA的CRL寄存器所在的存储单元。而GPIOA->CRL就构造了一个寄存器映射。具体过程如下：

#define PERIPH_BASE      ((uint32_t)0x40000000)

这里属于存储器级别的映射，将外设基地址映射到0x40000000，可对应图2

#define APB2PERIPH_BASE       (PERIPH_BASE + 0x10000)

这里对外设基地址进行偏移量为0x10000的地址偏移，偏移到APB2总线对应外设区。

#define GPIOA_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)

这里对APB2外设基地址进行偏移量为0x0800的地址偏移，偏移到GPIOA对应区域。

#define GPIOA               ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)

这里将GPIOA宏定义为GPIOA基地址经过强制类型转换为GPIO_TypeDef的指针，这样的作用是使GPIOA结构体内对应的成员按顺序填充内存区域，如图3所示。因此GPIOA的CRL寄存器就是作为GPIOA基地址后的第一个内存块，GPIOA->CRL的本质就是这个内存块的地址，或者说是用GPIOA->CRL给这个地址取了个形象的别名，即寄存器映射。