詳細(xì)解析ARM嵌入式最小系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)的改進(jìn)研究

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ARM內(nèi)核的嵌入式最小系統(tǒng)的設(shè)計原則及方法基本相同，這使得對嵌入式最小系統(tǒng)的研究在整個系統(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，從硬件和軟件兩方面對嵌入式最小系統(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。對于一個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)行所需的時鐘頻率輸入

Flash存儲模塊——存放啟動代碼、操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序代碼

SDRAM模塊——為系統(tǒng)運(yùn)行提供動態(tài)存儲空間，是系統(tǒng)代碼運(yùn)行的主要區(qū)域

JTAG模塊——實(shí)現(xiàn)對程序代碼的下載和調(diào)試

UART模塊——實(shí)現(xiàn)對調(diào)試信息的終端顯示

復(fù)位模塊——實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的復(fù)位

3. 外存儲器接口技術(shù)

ARM處理器與外部存儲器(Flash和SDRAM)的接口技術(shù)是嵌入式最小系統(tǒng)硬件設(shè)計的關(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)行代碼的場合。

Nand Flash則是高數(shù)據(jù)存儲密度的理想解決方案,一般用于數(shù)據(jù)存儲和文件存儲,以塊為單位進(jìn)行擦除，具有擦除速度快的優(yōu)點(diǎn)。

(2)同步動態(tài)存儲器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，并在接口信號中引入了CLK信號，所有數(shù)據(jù)、地址和控制信號都是和CLK上升沿對齊的。此外SDRAM還在內(nèi)部引入了一個命令控制器，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，可以很容易的對存儲器內(nèi)部的存儲單元進(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Nor Flash芯片各自作為一個獨(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Nor Flash芯片合為一個單元進(jìn)行處理，ARM處理器將它們作為一個并行的處理單元來訪問，本例是將兩個8bit的Nor Flash芯片SST39VF1601用作一個16bit單元來進(jìn)行處理。對于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I/O接口，系統(tǒng)對Nand Flash進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問的時候，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的各個信號，在速度要求相對較低的時候，能夠較充分的發(fā)揮NAND設(shè)備的性能。它在滿足NAND設(shè)備時域需求方面將會有很大的便利，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通過與片選信號CS進(jìn)行邏輯運(yùn)算后去驅(qū)動NAND設(shè)備對應(yīng)的讀和寫信號。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NAND設(shè)備相應(yīng)信號的驅(qū)動。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)的外部動態(tài)存儲器模塊一般采用SDRAM?，F(xiàn)在的大多數(shù)ARM處理器內(nèi)部都集成有SDRAM控制器，通過它可以很容易的訪問SDRAM內(nèi)部的每一個字節(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。