1.引言
隨著嵌入式相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)大,應(yīng)用接口更加豐富,根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要設(shè)計(jì)出特定的嵌入式最小系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng),是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的過程中,開發(fā)者往往把大量精力投入到嵌入式微處理器MPU(Micro Processing Unit)與眾多外設(shè)的連接方式以及應(yīng)用代碼的開發(fā)之中,而忽視了對(duì)嵌入式系統(tǒng)最基本、最核心部分的研究。
當(dāng)前在嵌入式領(lǐng)域中,ARM(Advanced RISC Machines)處理器被廣泛應(yīng)用于各種嵌入式設(shè)備中。由于ARM嵌入式體系結(jié)構(gòu)類似并且具有通用的外圍電路,同時(shí)ARM內(nèi)核的嵌入式最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及方法基本相同,這使得對(duì)嵌入式最小系統(tǒng)的研究在整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)中具有著至關(guān)重要的意義。本文以基于ARM的嵌入式最小系統(tǒng)為平臺(tái),從硬件和軟件兩方面對(duì)嵌入式最小系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行了研究,硬件方面主要介紹了ARM處理器與典型外部存儲(chǔ)器的接口技術(shù),軟件方面重點(diǎn)就嵌入式最小系統(tǒng)的啟動(dòng)架構(gòu)做了詳細(xì)分析。
2. 嵌入式最小系統(tǒng)
嵌入式最小系統(tǒng)即是在盡可能減少上層應(yīng)用的情況下,能夠使系統(tǒng)運(yùn)行的最小化模塊配置。對(duì)于一個(gè)典型的嵌入式最小系統(tǒng),以ARM處理器為例,其構(gòu)成模塊及其各部分功能如圖1所示,其中ARM微處理器、FLASH和SDRAM模塊是嵌入式最小系統(tǒng)的核心部分。
時(shí)鐘模塊——通常經(jīng)ARM內(nèi)部鎖相環(huán)進(jìn)行相應(yīng)的倍頻,以提供系統(tǒng)各模塊運(yùn)行所需的時(shí)鐘頻率輸入
Flash存儲(chǔ)模塊——存放啟動(dòng)代碼、操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序代碼
SDRAM模塊——為系統(tǒng)運(yùn)行提供動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)空間,是系統(tǒng)代碼運(yùn)行的主要區(qū)域
JTAG模塊——實(shí)現(xiàn)對(duì)程序代碼的下載和調(diào)試
UART模塊——實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)試信息的終端顯示
復(fù)位模塊——實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的復(fù)位
3. 外存儲(chǔ)器接口技術(shù)
ARM處理器與外部存儲(chǔ)器(Flash和SDRAM)的接口技術(shù)是嵌入式最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)需要選擇合理的接口方式,可以有效的提升嵌入式系統(tǒng)的整體性能。
3.1常用外存儲(chǔ)器簡介
(1)Nor Flash與Nand Flash
Nor Flash也稱為線性Flash,可靠性高、隨機(jī)讀取速度快,具有芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP, eXecute In Place)的特點(diǎn),這樣應(yīng)用程序可以直接在Flash閃存內(nèi)運(yùn)行,不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。常用在擦除和編程操作較少而直接執(zhí)行代碼的場(chǎng)合。
Nand Flash則是高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的理想解決方案,一般用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和文件存儲(chǔ),以塊為單位進(jìn)行擦除,具有擦除速度快的優(yōu)點(diǎn)。
(2)同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器SDRAM
SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)是在早期DRAM的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的,它是同步內(nèi)存,并在接口信號(hào)中引入了CLK信號(hào),所有數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)都是和CLK上升沿對(duì)齊的。此外SDRAM還在內(nèi)部引入了一個(gè)命令控制器,處理器訪問SDRAM都是通過向命令控制器發(fā)送命令來實(shí)現(xiàn)的。
3.2 ARM處理器與Flash接口技術(shù)
3.2.1ARM處理器與Nor Flash接口技術(shù)
Nor Flash 帶有SRAM接口,有足夠的地址引腳,可以很容易的對(duì)存儲(chǔ)器內(nèi)部的存儲(chǔ)單元進(jìn)行直接尋址。在實(shí)際的系統(tǒng)中,可以根據(jù)需要選擇ARM處理器與Nor Flash的連接方式。圖2給出了嵌入式最小系統(tǒng)在包含兩塊Nor Flash的情況下,ARM處理器與Nor Flash兩種不同的連接方式。
1)雙Flash獨(dú)立片選
該方式是把兩個(gè)Nor Flash芯片各自作為一個(gè)獨(dú)立的單元進(jìn)行處理。根據(jù)不同的應(yīng)用需要,可以在一塊Flash中存放啟動(dòng)代碼,而在另一塊Flash中建立文件系統(tǒng),存放應(yīng)用代碼。該方式操作方便,易于管理。
(2)雙Flash統(tǒng)一片選
該方式是把兩個(gè)Nor Flash芯片合為一個(gè)單元進(jìn)行處理,ARM處理器將它們作為一個(gè)并行的處理單元來訪問,本例是將兩個(gè)8bit的Nor Flash芯片SST39VF1601用作一個(gè)16bit單元來進(jìn)行處理。對(duì)于N(N>2)塊Flash的連接方式可以此作為參考。
3.2.2ARM處理器與Nand Flash接口技術(shù)
Nand Flash接口信號(hào)比較少,地址,數(shù)據(jù)和命令總線復(fù)用。Nand Flash的接口本質(zhì)上是一個(gè)I/O接口,系統(tǒng)對(duì)Nand Flash進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問的時(shí)候,需要先向Nand Flash發(fā)出相關(guān)命令和參數(shù),然后再進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作。ARM處理器與Nand Flash的連接主要有三種方式,如圖3所示:
運(yùn)用GPIO管腳方式去控制Nand Flash的各個(gè)信號(hào),在速度要求相對(duì)較低的時(shí)候,能夠較充分的發(fā)揮NAND設(shè)備的性能。它在滿足NAND設(shè)備時(shí)域需求方面將會(huì)有很大的便利,使得ARM處理器可以很容易的去控制NAND設(shè)備。該方式需要處理器提供充足的GPIO。
(2)運(yùn)用邏輯運(yùn)算方式進(jìn)行連接
在該方式下,處理器的讀和寫使能信號(hào)通過與片選信號(hào)CS進(jìn)行邏輯運(yùn)算后去驅(qū)動(dòng)NAND設(shè)備對(duì)應(yīng)的讀和寫信號(hào)。圖3中b例為SamSung公司ARM7TDMI系列處理器S3C44B0與Nand Flash K9F2808U0C的連接方式。
(3)直接芯片使能
有些ARM處理器如S3C2410內(nèi)部提供對(duì)NAND設(shè)備的相應(yīng)控制寄存器,通過控制寄存器可以實(shí)現(xiàn)ARM處理器對(duì)NAND設(shè)備相應(yīng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)。該方式使得ARM處理器與NAND設(shè)備的連接變得簡單規(guī)范,圖3中c例給出了ARM處理器S3C2410與Nand Flash K9F2808U0C的連接方式。
3.3 ARM處理器與SDRAM接口技術(shù)
嵌入式最小系統(tǒng)的外部動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器模塊一般采用SDRAM。現(xiàn)在的大多數(shù)ARM處理器內(nèi)部都集成有SDRAM控制器,通過它可以很容易的訪問SDRAM內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié)。在實(shí)際開發(fā)中可以根據(jù)需要選用一片或多片SDRAM。圖4中給出了兩種常用的接口方式。
(1)單片SDRAM
圖4 中a例為 ARM處理器S3C44B0與一個(gè)16bit的SDRAM K4S641632d的連接方式。在對(duì)尺寸有嚴(yán)格限制且對(duì)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器容量要求不高的嵌入式系統(tǒng)中常采用此種連接方式。
(2)雙片16bit SDRAM結(jié)合使用
在雙片16bit SDRAM合成一個(gè)32bit SDRAM使用時(shí),ARM處理器的地址線A2接SDRAM的地址線A0,其余地址依次遞增,這是因?yàn)樵赟DRAM中字節(jié)是存儲(chǔ)容量的惟一單位,而此時(shí)SDRAM為32bit位寬。
SDRAM的BA地址線是其內(nèi)部Bank的地址線,代表了SDRAM內(nèi)存的最高位。在圖4中b例的SDRAM總大小是64M(64M= ),需要A25-A0引腳來尋址,所以BA1-BA0連接到了A25-A24引腳上。還需注意的是SDRAM內(nèi)存行地址和列地址是復(fù)用的,所以地址線的數(shù)目一般少于26條,具體連接需要參考ARM處理器和SDRAM的相關(guān)手冊(cè)。
值得注意的是,有些ARM處理器如SamSung公司的ARM940T系列處理器S3C2510 ,其地址總線與其它標(biāo)準(zhǔn)ARM處理器不太一樣,它的地址線分為內(nèi)部地址線和外部地址線兩種類型。根據(jù)所連接的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線寬度,內(nèi)部地址線進(jìn)行相應(yīng)的移位,對(duì)應(yīng)到外部地址線A23-A0,從而對(duì)外提供固定的地址線A23-A0。其實(shí)質(zhì)與典型的ARM處理器是一致的。
4. 嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)架構(gòu)
啟動(dòng)架構(gòu)是嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。掌握啟動(dòng)架構(gòu)對(duì)于了解嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行原理有著重要的意義。嵌入式系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí),引導(dǎo)代碼、操作系統(tǒng)的運(yùn)行和應(yīng)用程序的加載主要有兩種架構(gòu),一種是直接從Nor Flash啟動(dòng)的架構(gòu),另一種是直接從Nand Flash啟動(dòng)的架構(gòu)。
需要注意的是,在嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)引導(dǎo)的過程中會(huì)有多種情況出現(xiàn),如vxWorks的啟動(dòng)代碼BootRom就有壓縮和非壓縮,駐留和非駐留方式之分,而操作系統(tǒng)本身也多以壓縮映象方式存儲(chǔ),所以啟動(dòng)代碼在執(zhí)行和加載過程中需要根據(jù)不同的情況,作出相應(yīng)的處理。
4.1從Nor Flash啟動(dòng)
Nor Flash具有芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP,eXecute In Place)的特點(diǎn),在嵌入式系統(tǒng)中常做為存放啟動(dòng)代碼的首選。從Nor Flash啟動(dòng)的架構(gòu)又可細(xì)分為只使用Nor Flash的啟動(dòng)架構(gòu)和Nor Flash與Nand Flash配合使用的啟動(dòng)架構(gòu)。圖5 給出了這兩種啟動(dòng)架構(gòu)的原理框圖。
4.1.1單獨(dú)使用Nor Flash
在該架構(gòu)中,引導(dǎo)代碼、操作系統(tǒng)和應(yīng)用代碼共存于同一塊Nor Flash中。系統(tǒng)上電后,引導(dǎo)代碼首先在Nor Flash中執(zhí)行,然后把操作系統(tǒng)和應(yīng)用代碼加載到速度更高的SDRAM中運(yùn)行。另一種可行的架構(gòu)是,在Nor Flash中執(zhí)行引導(dǎo)代碼和操作系統(tǒng),而只將應(yīng)用代碼加載到SDRAM中執(zhí)行。
該架構(gòu)充分利用了Nor Flash芯片內(nèi)執(zhí)行的特點(diǎn),可有效提升系統(tǒng)性能。不足在于隨著操作系統(tǒng)和應(yīng)用代碼容量的增加,需要更大容量昂貴的Nor Flash來支撐。
4.1.2 Nor Flash和Nand Flash配合使用
Nor Flash的單獨(dú)使用對(duì)于代碼量較大的應(yīng)用程序會(huì)增加產(chǎn)品的成本投入,一種的改進(jìn)的方式是采用Nor Flash 和Nand Flash配合使用的架構(gòu)。在該架構(gòu)中附加了一塊Nand Flash,Nor Flash(2M或4M)中存放啟動(dòng)代碼和操作系統(tǒng)(操作系統(tǒng)可以根據(jù)代碼量的大小選擇存放于Nor Flash或者Nand Flash),而Nand Flash中存放應(yīng)用代碼,根據(jù)存放的應(yīng)用代碼量的大小可以對(duì)Nand Flash容量做出相應(yīng)的改變。
系統(tǒng)上電后,引導(dǎo)代碼直接在Nor Flash中執(zhí)行,把Nand Flash中的操作系統(tǒng)和應(yīng)用代碼加載到速度更高的SDRAM中執(zhí)行。也可以在Nor Flash中執(zhí)行引導(dǎo)代碼和操作系統(tǒng),而只將Nand Flash中的應(yīng)用代碼加載到SDRAM中執(zhí)行。該架構(gòu)是當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)用最廣泛的啟動(dòng)架構(gòu)之一。
4.1.2從Nand Flash啟動(dòng)
有些處理器如SamSung公司的ARM920T系列處理器S3C2410支持從Nand Flash啟動(dòng)的模式,它的工作原理是將NandFlash中存儲(chǔ)的前4KB代碼裝入一個(gè)稱為Steppingstone(BootSRAM)的地址中,然后開始執(zhí)行該段引導(dǎo)代碼,從而完成對(duì)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的加載。該方式需要處理器內(nèi)部有NAND控制器,同時(shí)還要提供一定大小額外的SRAM空間,有一定的使用局限性,在實(shí)際開發(fā)中較少使用。
5. 結(jié)束語
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):根據(jù)ARM體系結(jié)構(gòu)的相通性,以基于ARM的嵌入式最小系統(tǒng)為平臺(tái),從硬件和軟件兩方面對(duì)其架構(gòu)進(jìn)行了研究。硬件方面就ARM處理器與常用外部存儲(chǔ)器的接口方式進(jìn)行了闡述,軟件方面給出了嵌入式最小系統(tǒng)典型的啟動(dòng)架構(gòu)及其選擇標(biāo)準(zhǔn)。
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