嵌入式系統(tǒng)的掉電保護設(shè)計方案

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計過程中，系統(tǒng)的掉電保護越來越受到重視。本文介紹的方法是在用ARM7系列芯片S3C4510B和μClinux構(gòu)建的嵌入式平臺上實現(xiàn)的。整個掉電保護實現(xiàn)的基本思路是：產(chǎn)生掉電信號，捕捉掉電信號和處理掉電信號。重點介紹這個過程的具體實現(xiàn)。

系統(tǒng)防掉電設(shè)計的目的是：采用一種機制，使得系統(tǒng)在意外失去供電的情況下，可以保證系統(tǒng)運行狀態(tài)的確定性以及記錄數(shù)據(jù)的完整性;當(dāng)系統(tǒng)供電恢復(fù)后，現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以及時恢復(fù)，避免應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生混亂。我們知道，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)中越來越多地應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)。由于操作系統(tǒng)的引入，數(shù)據(jù)的讀寫往往是通過文件的方式完成，而不是直接對存儲單元地址操作。用文件讀寫方式操作數(shù)據(jù)，在程序的運行過程中往往將數(shù)據(jù)暫存在易失性的存儲空間，如SDRAM，一旦系統(tǒng)意外失電，這些數(shù)據(jù)往往被丟失。因此，當(dāng)系統(tǒng)意外失電時必須采取一定的措施進行系統(tǒng)的掉電保護，以避免系統(tǒng)產(chǎn)生混亂。總的說來，防掉電程序的主要思路就是：產(chǎn)生掉電信號，捕捉掉電信號，處理掉電信號和數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場狀態(tài)的恢復(fù)。

如果不引入操作系統(tǒng)，直接對存儲單元進行數(shù)據(jù)操作，每次操作的數(shù)據(jù)量小，可以利用中斷服務(wù)的方式進行掉電保護;而用文件的方式進行數(shù)據(jù)操作，數(shù)據(jù)量一般比較大，因此基于中斷服務(wù)的方式進行掉電保護已經(jīng)不再可靠。本文研究的對象是基于操作系統(tǒng)的較為復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計過程中的掉電保護。

1 掉電保護方案實現(xiàn)的系統(tǒng)基礎(chǔ)

掉電保護是在由ARM體系的硬件平臺和μClinux嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。

ARM7系列的微處理器支持八種類型的中斷處理。外部中斷請求會在外部中斷引腳有效(一般是低電平)，并且程序狀態(tài)寄存器相關(guān)位(即CPSR的I控制位)設(shè)置為允許時得到處理器響應(yīng)。響應(yīng)后處理器進入中斷工作模式，PC被裝人中斷向量0x00000018。在這個地址單元存放中斷服務(wù)程序人口地址，中斷服務(wù)程序就可以被執(zhí)行。在掉電保護方案中，中斷服務(wù)程序很簡單，就是將表示掉電的全局變量置位即可。這樣可以縮短程序執(zhí)行時間。

Flash存儲器是一種可在系統(tǒng)(in system)進行電擦寫，電后信息不丟失的存儲器。它具有低功耗、大容量、可整片或分扇區(qū)在系統(tǒng)編程(燒寫)、擦除等特點，并且可由內(nèi)部嵌入的算法完成對芯片的操作，因而在各種嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種非易失性存儲器。Flash在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。常用的Flash為8位或16位的數(shù)據(jù)寬度，編程電壓為單3.3V。與Flash存儲器相比較，SDRAM不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲器，且具有讀/寫的屬性，因此，SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，CPU首先從復(fù)位地址0x0處讀取啟動代碼，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼一般應(yīng)調(diào)入SDRAM中運行，以提高系統(tǒng)的運行速度，同時，系統(tǒng)及用戶堆棧、運行數(shù)據(jù)也都放在SDRAM中。SDRAM的存儲單元可以理解為一個電容，總是傾向于放電，為避免數(shù)據(jù)丟失，必須定時刷新(充電)。因此，要在系統(tǒng)中使用SDRAM，就要求微處理器具有刷新控制邏輯，或在系統(tǒng)中另外加入刷新控制邏輯電路，特別的情況是在系統(tǒng)失電后，要采取一種有效的機制確保將sDRAM中的數(shù)據(jù)寫入F1ash中。

2 基于掉電保護方案的硬件設(shè)計

圖1是一種典型的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計方案。系統(tǒng)的微處理器采用S3c4510B，是基于ARM7體系結(jié)構(gòu)的。SDRAM是一種易失性存儲器作為程序的運行空間，類似于PC機的內(nèi)存;Flash作為程序存儲空間是非易失性的。程序運行過程中的數(shù)據(jù)往往緩存在sDRAM中，在系統(tǒng)失電時必須寫往Flash。



在系統(tǒng)中，需要使用5V和3.3V的直流穩(wěn)壓電源。其中,S3C4510B及部分外圍器件需3.3V電源，另外部分器件需5V電源。為簡化系統(tǒng)電源電路的設(shè)計，要求整個系統(tǒng)的輸入電壓為高質(zhì)量的5V的直流穩(wěn)壓電源。有別于一般的電源回路設(shè)計，本系統(tǒng)的電源回路設(shè)計過程中增加了有關(guān)掉電保護的設(shè)計。包含這個設(shè)計的系統(tǒng)電源電路如圖2所示。



這個電源回路除了可以提供5v和3.3v的電源以外，還為系統(tǒng)掉電保護提供了延時及預(yù)警功能，通過軟件的配合可以實現(xiàn)系統(tǒng)的掉電保護機制。正常情況下，由供電回路1給整個系統(tǒng)供電。當(dāng)系統(tǒng)由于意外原因掉電時，由于輸入的比較電壓降低，這樣MAX809 模塊輸出電壓產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)為系統(tǒng)提供掉電中斷預(yù)警信號，中斷請求通過外部中斷引腳XREQ0產(chǎn)生;同時供電回路2開始啟用。通過大電容C3、c4放電，繼續(xù)為系統(tǒng)提供一段供電電壓，支持掉電中斷服務(wù)程序完成。供電回路2只給最小系統(tǒng)供電，并不給耗電量大的外圍部件供電。這樣，給最小系統(tǒng)的供電時間足夠長，可以完成敏感數(shù)據(jù)的保護操作。

通過軟件測算，電容放電可供最小系統(tǒng)工作時間在0.5～4.5S之間。這種測算方法很簡單.編寫一個掉電中斷服務(wù)子程序，這個程序只是不斷進行時間刷新操作。同樣，可以通過軟件測定在這段時間里向Flash擦寫2～3MB?？梢姡诓捎眠@種硬件體制的情況下，系統(tǒng)掉電保護能夠得到可靠的保證。

3 掉電信號處理軟件方法的實現(xiàn)

在μClinux系統(tǒng)下，掉電信號的捕捉有兩種方式可以進行。一種是運用系統(tǒng)調(diào)用，即采用void(*signal(intslg，void(*func)(int)))(int)。這個函數(shù)可以為特定的中斷信號安排制訂的執(zhí)行函數(shù)，用參數(shù)func傳遞。在μCllnux中，共有31個系統(tǒng)中斷信號，其中掉電信號為SIGPWR。假設(shè)掉電中斷服務(wù)處理程序為void interrupt-service(int)，則中斷服務(wù)與信號關(guān)聯(lián)的方式為：signal(SIGPWR，interrupt_service)。這種方式充分利用系統(tǒng)調(diào)用，實現(xiàn)簡單。在掉電保護方案設(shè)計初期也是采用這種機制。但事實證明這種機制并不可靠，其原因是Linux內(nèi)核產(chǎn)生和管理信號的機制并不完善，有可能存在信號丟失。查閱有關(guān)Unix或L1nux的相關(guān)資料，可以發(fā)現(xiàn)這種狀況也普遍存在于某些其他版本的Linux和Unix中。

另一種方式是采用守候進程的方式，開通一個進程，此進程專門等待中斷信號。主程序根據(jù)數(shù)據(jù)操作對象的不同，將自己的流程方案劃分成若干原子操作，所謂原子操作即劃定的程序塊要么完全執(zhí)行，要么不執(zhí)行。每個操作對應(yīng)惟一狀態(tài)標(biāo)志。在每個原子操作前，主進程都將會通過管道通信的方式閱讀中斷信號。如果中斷信號產(chǎn)生，主進程首先保存狀態(tài)標(biāo)志，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)寫往Flash后退出，電源恢復(fù)后，主進程首先根據(jù)標(biāo)志字確定系統(tǒng)恢復(fù)方案。圖3用流程圖的方式實現(xiàn)這一過程。



下面是實現(xiàn)這一過程的程序片斷：




結(jié)語

基于該方案設(shè)計的稅控收款機在實際運行過程中，掉電保護功能完備。此掉電保護設(shè)計方法應(yīng)用對象基于ARM和μClinux構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)，在32位嵌入式系統(tǒng)開學(xué)中具有典玨型代表意義。因此在嵌人式系統(tǒng)設(shè)計中具有推廣價值。