一種支持ISP的Flash在嵌入式設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

引言

在基于VxWorks的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中，板卡支持包BSP(Board Support Package)的開發(fā)是非常重要而又閑難的一個(gè)環(huán)節(jié)。因?yàn)椴荒艽_定硬件系統(tǒng)是否正常丁作，而后續(xù)應(yīng)用開發(fā)都是以此為基礎(chǔ)。

在實(shí)際開發(fā)中，為了提高開發(fā)效率，大多是采用以一個(gè)與目標(biāo)板硬件相似的BSP為模板，并在此基礎(chǔ)上修改移植。在這個(gè)過程中．除了CPU以外，另一個(gè)重要的器件就是裝有啟動(dòng)程序的Flash器件。

2 系統(tǒng)介紹

采用高性能PowerPC系列器件PPC440EPx為核心設(shè)計(jì)的一款符合CPCI標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式單板計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)集成了豐富的外設(shè)接口和調(diào)試接口，可用于設(shè)備控制、設(shè)備管理、通信設(shè)備中的通信控制、協(xié)議處理、路由處理和網(wǎng)關(guān)處理等。其主要是面向航空設(shè)備和軍用車載設(shè)備的應(yīng)用。

在調(diào)試階段，系統(tǒng)的啟動(dòng)是通過執(zhí)行Boot flash中存儲(chǔ)的bootrom映像文件完成的。Boot Flash器件采用ST公司的PSD835，通過EBC總線與PPC440EPx相連。EBC總線是PPC440EPx的并行總線。其可以與8位，16位或32位的外部設(shè)備通信，最多可支持6個(gè)不同時(shí)序要求的設(shè)備。其中，片選0分配給Boot Flash。上電時(shí)，PowerPC會(huì)自動(dòng)訪問BootFlash，進(jìn)行系統(tǒng)初始化。操作系統(tǒng)是VxWorks，其映像文件放在NAND Flash中。

3 軟件開發(fā)流程

軟件系統(tǒng)的開發(fā)流程是：首先設(shè)計(jì)bootrom映像文件，并將其燒寫到Flash器件中(該器件稱為Boot ROM)。上電后，bootrom程序進(jìn)行相應(yīng)初始化后與Host主機(jī)通信，將操作系統(tǒng)映像文件下載到嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)的RAM中運(yùn)行。如果程序不正確或需更新，則重新通過bootrom程序?qū)⑿碌挠诚裎募螺d到RAM中。

當(dāng)所有程序都調(diào)試成功，整個(gè)系統(tǒng)作為產(chǎn)品發(fā)布。此時(shí)，則需將操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序映像文件燒寫到在大容量的flash器件中(如NAND Flash)，系統(tǒng)自動(dòng)將從Flash中復(fù)制到RAM中執(zhí)行。

4 bootrom設(shè)計(jì)方案的選擇

bootrom應(yīng)是一個(gè)短小精悍的程序，可初始化系統(tǒng)工作和通信接口(通常是串行接口和以太網(wǎng)接口)；系統(tǒng)作為產(chǎn)品發(fā)布無(wú)需bootrom程序；調(diào)試 bootrom時(shí)，需頻繁地將修改后的映像文件燒寫到Boot ROM中。實(shí)現(xiàn)該Boot ROM電路有多種方案，如表1所示．

方案1是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，成本低，可選擇的Flash器件多。但在調(diào)試bootrom時(shí)，更新程序非常不方便。需要焊裝Flash器件，很容易導(dǎo)致器件和 PCB板的物理?yè)p壞，而且效率非常低；而方案2從邏輯電路上來(lái)看，與方案1是一樣的。但其由于其使用夾具，器件裝卸簡(jiǎn)單，程序更新比方案1方便。但夾具成本較高，可靠性差，并且一般夾具體積較大，這就增加了PCB的布局、布線難度。上述兩種方案，F(xiàn)lash的編程都需從PCB上取下，用編程器燒寫。顯然，這樣的工作效率較低。方案3則采用支持ISP功能的Flash器件來(lái)實(shí)現(xiàn)Boot ROM，這就使得程序更新變得非常方便，極大提高工作效率。因此，根據(jù)嵌入式開發(fā)實(shí)際情況，為節(jié)約成本、提高工作效率，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇方案3。考慮到 bootrom映像文件一般較小，選用ST公司的512 KB的Flash器件PSD835。

5 PSD835在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

5．1 硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用PSD835的主Flash作為Boot ROM。同時(shí)，還使用該器件的PLD資源實(shí)現(xiàn)一些控制和初始化配置功能。如圖1所示，PSD835的存儲(chǔ)器通過其CPU接口與PPC440EPx的外部總線接口(EBC)相連。

連接電路比較簡(jiǎn)單，只需將EBC的片選信號(hào)、讀信號(hào)、地址和數(shù)據(jù)信號(hào)分別與PSD835的對(duì)應(yīng)引腳相連即可。其他引腳被該器件的PLD使用，主要完成串口工作模式、PPC440EPx啟動(dòng)方式、片選信號(hào)的設(shè)置，以及網(wǎng)絡(luò)控制信號(hào)的產(chǎn)生等功能。

在設(shè)計(jì)實(shí)際硬件電路時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　　(1)因?yàn)樽罱K產(chǎn)品要通過NAND Flash啟動(dòng)，因此片選0可通過撥碼開關(guān)或CPLD分別在PSD835和NAND flash的片選信號(hào)之間切換。PPC440EPx有8個(gè)bootstrap選項(xiàng)(設(shè)置CPU的時(shí)鐘、啟動(dòng)、寄存器的初始值等)，可以使用CPLD進(jìn)行改變；

　　(2)PPC440EPx的EBC總線無(wú)復(fù)用地址和數(shù)據(jù)信號(hào)。因此，數(shù)據(jù)總線與F端口相連。低16位的地址總線與PSD835的ADIO15～AD100相連，高位地址與A端口相連；

　　(3)PPC440EPx的EBC的數(shù)據(jù)總線的最高位是Data0，地址總線的最高位是Addr2。連接時(shí)，注意不要將順序接反；

　　(4)為了提高編程速度，添加了2個(gè)JTAG信號(hào)：teRR和TSTAT。

5．2 PSD835的功能和編程設(shè)計(jì)

PSD835的Flash編程和PLD邏輯功能的實(shí)現(xiàn)，需要使用FlashLINK下載線(硬件)和PSDsoft EXPRESS(軟件)。FlashLINK其實(shí)就是一個(gè)JTAG和并口的轉(zhuǎn)換器；PSDsoftEXPRESS是PSD系列器件的設(shè)計(jì)軟件。利用該工具軟件定義器件的引腳功能、映射存儲(chǔ)器、配置PLD等。所有的定義和配置與程序固件一起生成obj文件。該文件通過FlashLINK下載到PSD器件中。另外，利用該工具軟件還可以完成擦除、校驗(yàn)、上載、空白檢查等功能。而整個(gè)設(shè)計(jì)過程也非常簡(jiǎn)單，只需根據(jù)其設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)單點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可完成PSD設(shè)計(jì)。圖2 為PSD設(shè)計(jì)流程。

根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單描述如下：首先建立一個(gè)丁程文件。然后根據(jù)實(shí)際電路在下拉框中選擇廠家和CPU型號(hào)，以及將用到的控制信號(hào)，再選擇使用的PSD器件型號(hào)和封裝。最后定義CPU和PSD連接的方式(即8位或16位總線模式，復(fù)用或非復(fù)用總線等等)。

該系統(tǒng)使用AMCC公司的PPC440EPx型CPU，下拉框中無(wú)該選項(xiàng)。這時(shí)可選擇other，控制信號(hào)根據(jù)EBC總線的定義選擇RD和WR。PSD與CPU數(shù)據(jù)總線為8位，地址和數(shù)據(jù)無(wú)復(fù)用，未使用ALE信號(hào)。

在設(shè)計(jì)階段所做的設(shè)置較多，首先，定義電路中所使用的引腳。定義其名字、引腳是CPLD的輸入還是輸出，或是CPU的I／O；同時(shí)還要配置該引腳是組合邏輯還是時(shí)序邏輯；定義頁(yè)寄存器的使用。系統(tǒng)中EBC的地址信號(hào)線足夠多，因此將頁(yè)寄存器作為PLD的輸入信號(hào)；定義PSD器件內(nèi)部存儲(chǔ)器、寄存器的地址映射以及片選信號(hào)的邏輯表達(dá)式。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)使用512 KB的主Flash存放啟動(dòng)代碼，因此，其地址空間被定義在0xFFF80000～0xFFFFFFFF(BSP中定義)。實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，只使用20根地址信號(hào)線。因此，將主Flash地址定義在0x80000～0xFFFFF。則片選fs0在0x80000～0x8FFFF，則片選 fs1在0x90000～0x9FFFF。以此類推片選fs2～fs7的地址空間。其他的存儲(chǔ)空間可分配在0x00000～0x7FFFF。片選信號(hào)的邏輯表達(dá)式為將EBC總線片選0取反；定義輸出信號(hào)以及內(nèi)部節(jié)點(diǎn)信號(hào)的邏輯。這實(shí)際上就是完成CPLD功能的設(shè)計(jì)。

附加定義中可設(shè)置安全位、用戶代碼、設(shè)置頁(yè)保護(hù)。如果設(shè)置安全位，所有編程工具將不能訪問PSD的內(nèi)容。用戶代碼用于版本管理。對(duì)于具有保護(hù)功能的頁(yè)， CPU就只能對(duì)其進(jìn)行讀操作(通過JTAG口或編程器改變其內(nèi)容)。適配是檢查器件是否能滿足上述的各種配置，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)告文件。啟動(dòng)代碼 bootrom．hex文件和上述的各種配置融合為一個(gè)．obj文件。設(shè)計(jì)中需要注意：bootrom映像文件不能太大(不能超過512 KB)；主Flash的8個(gè)頁(yè)都要指向同一個(gè)映像文件；映像文件的名字bootrom．hex最好改為不是以hex為后綴(如改為bootrom．a(chǎn))，否則會(huì)出錯(cuò)。將生成的．obj文件燒寫到器件內(nèi)部。正確完成上述流程就可調(diào)試程序。

6 結(jié)論

從PSD835的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，該器件主要是應(yīng)用于16位的單片機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)嵌入式系統(tǒng)中 BSP開發(fā)以及PSD835器件的特點(diǎn)，將該器件靈活運(yùn)用于基于32位RISC器件PPC440EPx的嵌入式系統(tǒng)中，降低BSP的開發(fā)難度，提高工作效率。以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的CPCI單板計(jì)算機(jī)已成功應(yīng)用于某航載數(shù)據(jù)采集分析記錄儀。