CPU 地址空间分配原理分析
CPU 地址空间分配原理分析
CPU地址空间分配是硬件开发中的一个重要概念，尤其是对于初学者来说，理解起来可能会有一定的难度。本文将通过理论讲解和实际案例分析，帮助读者深入理解CPU地址空间分配的原理和机制。
前言
对于硬件开发工程师来说，尤其是初学者，地址空间分配原理是比较难以理解的，起码对于我来说，是比较抽象的，可能是我比较笨吧。我们在编程时，芯片手册会直接告诉我们外设的起始地址，比如STM32（cortex-M3）的SRAM的起始地址为0x20000000，其他外围的寄存器也有相关的地址，尤其是对于扩展的RAM芯片，其分配的地址不是0，而是0x68000000，所以这里就会有个疑问，CPU的地址空间分配是什么原理？难道外围芯片的地址就默认不是0吗？等等。
概念1：外围设备的地址都是从0开始
前面讲到，CPU访问外设的地址不是从0开始，这并不意味着外围设备自己的物理地址也不是从0开始的，这样说可能不太严谨，但是从方便理解的角度看，确实是这样的，因为外围设备种类有太多，规定一个非0的起始地址，远没有规定从0开始方便，所以我们有个结论：
外围设备、硬件的物理地址都是从0开始的。包括内存条、显卡、串口等等。
概念2：CPU与外围设备的链路
之所以想不到“外围设备地址都是从0开始”的原因，是因为在相关的教材学习中，使用了CPU-外围链路简化模型，如下图所示：
简化链路
从上图中，我们很容易会联想到，CPU的地址空间是按照约定来分配的。设备的地址之和为CPU的地址范围。这样的模型，只是在应用层面来看的，反而会对原理的理解会有混淆。
标准链路
该图的地址分配电路可能不太严谨，但是对于我们理解是很有帮助的，CPU中也确实有相应功能的硬件，标准图与简化图相比有两点区别：
- 1、外围设备的物理地址的起始都是从0开始的。
- 2、在CPU地址总线和外围设备之间，增加了地址分配电路，地址分配电路负责将CPU的规划分段地址，转换为相应类型的外围设备地址。
地址映射举例
我们以Cortex-M3架构的地址分配为例，STM32F系列就是Cortex-M3架构，该架构在单片机领域中应用非常广泛：
图中的地址分配，显然跟前面讲到的简化链路对应的，比如SRAM的起始地址为0x20000000,我们在编写应用程序时，只需要知道，对于内存的读写，起始地址为0x20000000,CPU会自动的去读写SRAM的，并不会考虑那个地址分配器的工作。
地址分配原理
前面的讲述偏理论，可能还不太容易理解，我们以真实的设备来分析，假如我们现在需要扩展存储器容量，为了降低理解的难度，我们假设CPU为扩展存储器分配的起始地址从0开始。
存储扩展连接方法：
- 1、将个存储器芯片的地址线、片选线、读/写线并联。
- 2、将个存储器芯片的数据线分别接到数据总线的对应位上。
如下图所示：
扩展需求：
假如我们需要扩展64Kx8位存储器，而单片存储器的容量为16Kx8位，则：
- 1、64Kx8 bit需要16位地址线A15-A0, 而16Kx8 bit的片内地址线为A13-A0.
- 2、所以16位地址线的低14位A13~A0作为片内寻址，高两位A15、A14用于片选。
- 3、外围存储器从0x0000开始连续编址，则4块芯片的地址分配为：
- (1) 第1片地址范围：0x0000~0x3FFF
- (2) 第2片地址范围：0x4000~0x7FFF
- (3) 第3片地址范围：0x8000~0xBFFF
- (3) 第3片地址范围：0xC000~0xFFFF
从上图中，我们可以看到：每片芯片的物理访问地址是不同的，但是对于A0~A13来说，都是从0开始的。
硬件电路原理图：
从图中我们可以看到，地址的分段，其实是通过片选实现的，而片选本质上是开关，控制芯片的选通和断开，只不过在地址的角度看，是分段了，但是对于各自芯片来讲，地址还是从0开始的。
小结
1、地址空间的分配是通过地址分配电路来实现的。
2、外围设备的物理地址，一定是从0开始的。
3、应用编程时，外围设备的访问地址非0，这是给程序员用的，但是最后给外围芯片的物理地址一定是从0开始的。