ARM嵌入式最小系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)的改進(jìn)研究

(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(xiě)使能信號(hào)通過(guò)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(xiě)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(guò)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(jiǎn)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?，F(xiàn)在的大多數(shù)ARM處理器內(nèi)部都集成有SDRAM控制器，通過(guò)它可以很容易的訪問(wèn)SDRAM內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié)。在實(shí)際開(kāi)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(lái)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(lèi)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(guò)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(guò)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(lái)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(chēng)為Steppingstone(BootSRAM)的地址中，然后開(kāi)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(kāi)發(fā)中較少使用。

5. 結(jié)束語(yǔ)

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)。