嵌入式系統(tǒng)快速重啟的研究

     本文論述了嵌入式系統(tǒng)的啟動(dòng)過程，由于嵌入式系統(tǒng)在每次重啟的時(shí)候都要執(zhí)行一次代碼的拷貝過程，這樣會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間。對于我們來說，只要內(nèi)存沒有斷電，里面就有我們的代碼，而沒有必要重新拷貝一次。本文就這一點(diǎn)，對于嵌入式系統(tǒng)的快速重啟做了充分研究，在文章的最后給出了具體實(shí)現(xiàn)過程，其應(yīng)用甚是廣泛，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)技術(shù)也跟著迅猛發(fā)展起來了，而伴隨著嵌入式的應(yīng)用也很變得非常廣泛。

ARM芯片為了保證指令運(yùn)行的實(shí)時(shí)性，指令沒有直接在FLASH里面運(yùn)行，而是先把flash里面的數(shù)據(jù)拷貝到讀取速度比較快的SDRAM里面，然后運(yùn)行，這樣就提高了運(yùn)行速度。但是由于程序的固定性，在我們重新啟動(dòng)的時(shí)候，會(huì)再次拷貝代碼。我們知道SDRAM是掉電不保存數(shù)據(jù)的，但是，如果 SDRAM沒有掉電，里面的數(shù)據(jù)是不會(huì)丟失的。而我們重啟的時(shí)候并沒有給芯片斷電，而這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)又要重新拷貝一次代碼，造成了時(shí)間的浪費(fèi)。

當(dāng)然在工業(yè)上，我們的系統(tǒng)啟動(dòng)起來之后，往往重新啟動(dòng)的可能性較少，這樣每次啟動(dòng)浪費(fèi)的時(shí)間也就可以忽略不計(jì)了。不過，在我們使用數(shù)碼相機(jī)的時(shí)候，要搶拍一個(gè)鏡頭，這個(gè)時(shí)間可能就是毫秒級的，在每次開機(jī)的時(shí)候都需要幾秒的啟動(dòng)時(shí)間，是無法忍耐的。而也不能一直開機(jī)，便攜式的相機(jī)電池的電量太有限了。我們經(jīng)常的一種解決辦法是將系統(tǒng)切換到低功耗模式，而僅僅是低功耗模式還是要浪費(fèi)電量。而我們想，如果只給SDRAM供電，作為待機(jī)模式，每次按下復(fù)位鍵的時(shí)候就直接跳到SDRAM中運(yùn)行，而不必再次復(fù)制代碼。這就實(shí)現(xiàn)了快速啟動(dòng)，電池的供電時(shí)間也相應(yīng)的延長了。

Samsung ARM系列S3C2440處理器簡介

在這里所使用的S3C2440處理器是Samsung公司推出的基于ARM920T核的32位RISC微處理器。S3C2440具有低功耗、低成本和高性能的特點(diǎn)，已成為PDA、智能手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)終端以及智能設(shè)備的終端產(chǎn)品等的熱門解決方案之一。

S3C2440內(nèi)部資源豐富、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、接口眾多，具有相互獨(dú)立的16kB指令緩存和16kB數(shù)據(jù)緩存，帶有MMU虛擬存儲單元和AMBA總線接口。

S3C2440支持的內(nèi)外圍設(shè)備包括外部存儲控制器、中斷控制器、LCD控制器、8通道10bit精度的ADC和觸摸屏控制器、SD/MMC卡控制器、4通道DMA、4通道具有PWM功能的定時(shí)器、具有日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門狗定時(shí)器、3通道UART（包含IRDA紅外線數(shù)據(jù)通訊口）、USB主機(jī)/設(shè)備接口、I2C總線接口、I2S數(shù)字音頻總線接口、2通道SPI總線接口、通用I/O端口以及具有鎖相環(huán)功能片上時(shí)鐘發(fā)生器等、同時(shí)也可以柑橘需要進(jìn)行功能擴(kuò)展從而支持以太網(wǎng)接口、PCMCIA接口及IDE接口等。

S3C2440外部存儲器電路圖

在這里我們使用FLASH作為程序和數(shù)據(jù)固化的存儲器，使用SDRAM作為系統(tǒng)啟動(dòng)之后， 程序運(yùn)行的區(qū)域。而S3C2440核內(nèi)部4k的SRAM固定作為最初的啟動(dòng)代碼使用，地址是從0x0000_0000開始的。

這里使用nGCS6將SDRAM的地址編址到0x3000_0000位置處，使用ADDR尋址，使用DAT讀取和寫入需要的數(shù)據(jù)，使用FCON控制信號控制SDRAM的狀態(tài)。

使用FCON控制FLASH的狀態(tài)，根據(jù)DATA按照時(shí)序送入數(shù)據(jù)和命令，做相應(yīng)的處理。

這三部分就構(gòu)成了ARM運(yùn)行的最小系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)流程

① 上電，復(fù)位完成；② 嵌入式ARM核自動(dòng)把flash里面最低的4k啟動(dòng)代碼復(fù)制到SRAM里面，并從SRAM的0x0000_0000地址開始執(zhí)行；③ 完成一些必要的初始化工作，將FLASH中的代碼拷貝到SDRAM中；④ 跳轉(zhuǎn)到SDRAM中運(yùn)行；通過以上步驟，就進(jìn)入了我們的應(yīng)用程序，或者是操作系統(tǒng)。

在我們需要復(fù)位的時(shí)候， 即nRESET管腳出現(xiàn)一個(gè)向下的脈沖，即出現(xiàn)復(fù)位。當(dāng)nRESET信號為低電平時(shí)，ARM處理器放棄任何指令的執(zhí)行，并從增加的字地址處取指令；當(dāng) nRESET信號變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，ARM處理器進(jìn)行如下操作：1.將當(dāng)前的PC值和CPSR值寫入R14_svc和SPSR_svc，已經(jīng)保存的PC和 SPSR的值是未知的；2.強(qiáng)制M[4:0]為10011（超級用戶模式），將CPSR中的“I”和“F”位設(shè)為1，并將T位清零；3.強(qiáng)制PC從0x00地址取下一條指令。4.恢復(fù)為ARM狀態(tài)開始執(zhí)行。即程序會(huì)跳到0x0000_0000這個(gè)地址位置，開始執(zhí)行上面所述的第三步和第四步。

我們知道從flash里面讀取數(shù)據(jù)比起SDRAM是想當(dāng)慢的，而這里又要進(jìn)行一次代碼的拷貝工作，這也是一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)間。不過這個(gè)時(shí)候我們可以發(fā)現(xiàn)，我們并沒有斷電，SDRAM里面放的數(shù)據(jù)還是我們代碼，我們沒有必要重新拷貝這些代碼了，在下次啟動(dòng)的時(shí)候，只需直接跳轉(zhuǎn)到SDRAM中運(yùn)行，做一些初始化工作就可以了。這樣重新啟動(dòng)速度就相當(dāng)迅速了。

快速重啟思想

核心思想：在Bootloader里面，程序執(zhí)行到復(fù)制程序的一塊，可以判斷PC當(dāng)前計(jì)數(shù)在哪個(gè)存儲器里面，如果在SRAM中，就把代碼復(fù)制到SDRAM里面，如果在SDRAM中，就直接跳過復(fù)制程序這一段，然后繼續(xù)執(zhí)行。

根據(jù)上面這個(gè)思想， 可以先將地址為0x0000_0000這里的跳轉(zhuǎn)指令直接改成跳轉(zhuǎn)到SDRAM存儲器，如LDR PC,=0x3000_0000。

這樣在Reset的時(shí)候，我們就可以直接從0x0000_0000地址跳到0x3000_0000開始運(yùn)行。這樣我們就達(dá)到了快速啟動(dòng)的目的。

如圖2 所示， 在系統(tǒng)加電的時(shí)候，程序從地址為 0x0000_0000開始的SRAM處運(yùn)行，如上圖1所示。


然后，程序在SRAM中將代碼自身復(fù)制到地址為0x3000_0000開始處，如圖2中2所示。


在將代碼復(fù)制完之后將地址為0x0000_0000處的復(fù)位中斷跳轉(zhuǎn)矢量改為跳轉(zhuǎn)到0x3000_0000，如圖2中3所示。


然后程序跳轉(zhuǎn)到SDRAM中，地址為相對于0x3000_0000的一個(gè)偏移量，這個(gè)偏移量為當(dāng)前地址距0x0000_0000的偏移量，如圖2中4所示。

在圖2中5中，如果用戶使用了Reset按鍵，重新啟動(dòng)系統(tǒng)，我們就可以從地址為0x0000_00000處直接跳轉(zhuǎn)到0x3000_0000這個(gè)位置，開始進(jìn)行硬件初始化等工作，這次就不會(huì)有代碼拷貝的過程了。

快速重啟軟件流程

下面是系統(tǒng)自開機(jī)開始， 程序修改復(fù)位跳轉(zhuǎn)指令的流程圖，在修改0x0000_0000處的跳轉(zhuǎn)指令可用如下數(shù)據(jù)替代：

使用LDR PC, =0x3000_0000指令，反匯編后得到的32位指令數(shù)據(jù)是0xE3A0_F5C0，將其放到0x0000_0000處即可。

而修改0x0000_0000處的數(shù)據(jù)，可用如下指令：

程序經(jīng)過以上配置，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速重啟。

結(jié)論

系統(tǒng)的快速重啟，應(yīng)用將非常廣泛。即使是嵌入式系統(tǒng)慢慢的也將變得很復(fù)雜，系統(tǒng)所占的空間也在慢慢的變大，這樣一個(gè)復(fù)制過程將嚴(yán)重影響很多設(shè)備的使用，最簡單的就是數(shù)碼相機(jī)了。