適于OMAP的多級(jí)啟動(dòng)Boot Loader
Boot Loader是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，它是在操作系統(tǒng)啟動(dòng)之前運(yùn)行的初始化加載程序，用于設(shè)置操作系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境并將Flash中存儲(chǔ)的操作系統(tǒng)加載到RAM中運(yùn)行。
1 OMAP的啟動(dòng)方式
OMAP多采用外部Flash啟動(dòng)方式。以O(shè)MAP5910為例，它包含一顆TMS320C55x DSP核心以及一顆ARM925核心,其中MPU（ARM925）為主控核心,它可以控制DSP內(nèi)核的啟動(dòng)、復(fù)位等操作。OMAP5910上電時(shí)，MPU首先啟動(dòng)，從地址0x00000000開始讀取指令，運(yùn)行程序。一般應(yīng)在0x00000000地址處放置一條跳轉(zhuǎn)指令，令其指向Boot Loader啟動(dòng)程序的入口處，OMAP5910啟動(dòng)后跳轉(zhuǎn)至Boot Loader程序處執(zhí)行硬件環(huán)境設(shè)置及操作系統(tǒng)加載工作。根據(jù)OMAP5910的地址空間映射關(guān)系[1]，0x00000000地址屬于EMIFS（慢速片外存儲(chǔ)器接口）總線，CS0空間，用于連接外部Flash，因而OMAP5910的啟動(dòng)階段的程序在外部Flash中進(jìn)行取指操作。
在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，如果操作系統(tǒng)占用空間比較大，使得Boot Loader需要從Flash中拷貝的代碼量很大，那么系統(tǒng)的啟動(dòng)過程會(huì)耗費(fèi)較長的時(shí)間。由于MPU需要在Flash中取指，又要將同一空間中其他部分的數(shù)據(jù)搬移到不同的RAM（DSP運(yùn)行的內(nèi)部SRAM以及MPU運(yùn)行的SDRAM）中，從而使得程序取指錯(cuò)誤的概率增加。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，隨著Flash擦寫次數(shù)的增多，F(xiàn)lash性能下降，這種錯(cuò)誤的概率會(huì)顯著增加。這種錯(cuò)誤體現(xiàn)到應(yīng)用中，就會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中偶爾出現(xiàn)莫明其妙的死機(jī)，只能通過斷電重新啟動(dòng)才能解決，因而這種啟動(dòng)方式存在較大的隱患。
2 多級(jí)啟動(dòng)Boot Loader
2.1 設(shè)計(jì)思想
考慮到啟動(dòng)過程中MPU需要從Flash中取指，這種操作既有風(fēng)險(xiǎn)且取指周期又長，因而應(yīng)盡量減少在Flash中的取指動(dòng)作。而RAM作為高速存取設(shè)備，其讀寫周期比Flash要短得多，因而將代碼拷貝過程中的指令放到RAM中進(jìn)行取指操作，既能降低取指周期，又能降低載入系統(tǒng)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。通過上述分析，可以設(shè)計(jì)一種多級(jí)載入的BOOT過程，首先用一段盡量短的程序?qū)鹘y(tǒng)意義上的Boot Loader拷貝到一段空白（載入操作系統(tǒng)時(shí)不會(huì)占用）的RAM中，之后再跳轉(zhuǎn)到RAM中的Boot Loader程序入口，執(zhí)行真正的Boot Loader程序。與操作系統(tǒng)相比，Boot Loader程序代碼要短得多，拷貝時(shí)間基本可以忽略，因而運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)也小很多。這段程序在Flash中運(yùn)行，任務(wù)是拷貝Boot Loader程序，可以稱之為Mini Loader。
2.2 具體過程
多級(jí)Boot Loader啟動(dòng)過程分為Mini Loader、System Loader以及Flasher 3個(gè)部分。
(1) Mini Loader
Mini Loader在Flash中運(yùn)行，其目的是從Flash中將Boot Loader程序拷貝到RAM中。為了盡量減小Flash中運(yùn)行程序的數(shù)量就需要Mini Loader盡量短小，故而Mini Loader在進(jìn)行拷貝動(dòng)作之前只需要配置與外部總線EMIFS、EMIFF相關(guān)的寄存器。具體流程如圖1所示。同時(shí)還要注意需要設(shè)置MPU的中斷向量表0x00000000的跳轉(zhuǎn)地址為Mini Loader的程序入口。
(2) System Loader
該部分為傳統(tǒng)意義上的Boot Loader過程，完成硬件環(huán)境相關(guān)設(shè)置及初始化，并將操作系統(tǒng)載入到RAM中運(yùn)行。需要注意的是,MPU本身的中斷向量表須載入到內(nèi)部SRAM中，其他操作系統(tǒng)部分可以載入到外部SDRAM中。
由于OMAP平臺(tái)為雙核心結(jié)構(gòu)，因此 System Loader除了需要載入MPU系統(tǒng)本身之外，還需要配置DSP的載入及啟動(dòng)過程。DSP有3種啟動(dòng)方法:Flash引導(dǎo)方式與ARM載入方式，參考文獻(xiàn)[2]對(duì)這兩種方式進(jìn)行了對(duì)比分析。本設(shè)計(jì)采用ARM載入方式，這樣可以通過ARM動(dòng)態(tài)配置DSP部分的代碼，控制DSP核心的處理流程。與參考文獻(xiàn)[2]所不同的是，本方法中DSP程序采用與MPU操作系統(tǒng)相同的方式存儲(chǔ)，也存入Flash中，而不是作為常量數(shù)組編入Boot Loader程序中，這種方式較參考文獻(xiàn)[2]中的方法更加便于管理，單獨(dú)對(duì)DSP程序進(jìn)行升級(jí)也更加方便，而且減小了System Loader的程序長度，更有利于多級(jí)啟動(dòng)方式。
因?yàn)镺MAP本身的GPIO（MUPIO）有限，所以大多設(shè)計(jì)都要采用FPGA作為外圍擴(kuò)展控制器，用來擴(kuò)展更多的控制端口以及通信端口。一般FPGA本身無法存儲(chǔ)程序，其程序存儲(chǔ)在片外ROM中，F(xiàn)PGA上電之后可以通過多種方式自行加載到ROM中運(yùn)行。本設(shè)計(jì)通過MPU加載FPGA程序，并將FPGA固件程序也存儲(chǔ)于同一Flash中，這樣省去了一片F(xiàn)PGA專用ROM，既方便代碼管理，又降低了硬件成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。以XILINX公司的XC2S系列FPGA為例，其加載程序時(shí)可采用串行加載模式，選擇FPGA為從模式，將OMAP本身的MCBSP配置為SPI主模式，工作于時(shí)鐘停止模式，包含一個(gè)時(shí)鐘周期延時(shí)，輸出時(shí)鐘信號(hào)高有效，采用幀同步模式，每個(gè)數(shù)據(jù)幀8 bit。給FPGA載入程序時(shí)，要將存儲(chǔ)于Flash中的FPGA程序代碼讀出，由于XILINX開發(fā)工具ISE輸出的HEX文件以字節(jié)（8 bit）為單位，而Flash中存儲(chǔ)的內(nèi)容以雙字（32 bit）為單位（由ARM指令長度而定），因而從Flash中讀出32 bit的數(shù)據(jù)之后需要按照從高到低的字節(jié)順序發(fā)送。而且，ISE的HEX文件每字節(jié)bit排列順序與MCBSP的傳輸順序正好相反，因此每個(gè)字節(jié)內(nèi)部需要將bit反向重排。
System Loader流程如圖2所示，啟動(dòng)順序與本小節(jié)所述順序正好相反，這是因?yàn)镕PGA一般多用于進(jìn)行硬件設(shè)備的控制，所以需要最先啟動(dòng)；而DSP由于其自身特點(diǎn)，多用于數(shù)據(jù)處理工作，作為MPU的協(xié)處理器使用，因此需要在MPU操作系統(tǒng)啟動(dòng)之前做好準(zhǔn)備。
(3)Flasher
Flasher過程主要負(fù)責(zé)向Flash中燒寫編譯好的程序目標(biāo)碼，主要包括Boot Loader、MPU、DSP、FPGA等部分。采用RS232串行端口與主機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)程序目標(biāo)碼的下載。傳輸協(xié)議采用大多數(shù)編譯器都支持的Intel Hex格式[5]。Intel Hex格式采用ASCII字符表示方式，這樣程序目標(biāo)碼的每個(gè)字節(jié)需要用2個(gè)ASCII字符來表示，包含冗余信息較大，而且Intel Hex格式僅含目標(biāo)碼的地址信息與具體內(nèi)容，而無法區(qū)分目標(biāo)碼的類別,因而需要對(duì)Intel Hex進(jìn)行擴(kuò)展，以降低冗余并支持更多的操作。擴(kuò)展的Hex不使用ASCII字符，而直接使用原數(shù)據(jù)格式，這樣可以降低一半數(shù)據(jù)量。為了與Intel Hex格式有所區(qū)分，采用“；”作為前綴標(biāo)識(shí)，格式如表1所示。同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)類型進(jìn)一步擴(kuò)展，用以區(qū)分各種目標(biāo)碼類別，如表2所示。
可以看出，表2中僅包括擦除各種類型目標(biāo)碼的指令，而沒有包含寫入目標(biāo)碼時(shí)區(qū)分類別的具體指令，這是因?yàn)閷懭霑r(shí)各種不同類型的目標(biāo)碼可以直接通過地址來區(qū)分，每種類型目標(biāo)碼都有自己單獨(dú)的地址段，相互之間沒有交叉。Flasher流程如圖3所示，通過解析Hex記錄格式，來判斷命令類型，從而進(jìn)行相應(yīng)的操作。其中校驗(yàn)?zāi)Ｊ接糜隍?yàn)證Flash中所存儲(chǔ)的程序代碼是否與串行端口上收到的數(shù)據(jù)一致。所有程序更新結(jié)束之后，通過重新啟動(dòng)命令復(fù)位OMAP芯片，使整個(gè)系統(tǒng)重新啟動(dòng)。
3 拷貝程序耗時(shí)對(duì)比測試
采用Intel公司RD48F3000P0ZBQ0 Flash存儲(chǔ)器以及三星K4M56163PG移動(dòng)版SDRAM與OMAP5910相連，組成OMAP5910運(yùn)行所需的最小系統(tǒng)，OMAP運(yùn)行頻率144 MHz。分別采用傳統(tǒng)啟動(dòng)方式（程序在Flash中運(yùn)行）以及本文所述的啟動(dòng)方式（程序在RAM中運(yùn)行）從Flash中拷貝相同長度的數(shù)據(jù)到SDRAM中，測試其耗時(shí)。每次拷貝數(shù)據(jù)量選取64 KB～8 192 KB，每種數(shù)據(jù)量每種方式測試5次，具體時(shí)間如表3所示，其中表3（a）為程序在RAM中運(yùn)行時(shí)的耗時(shí)，表3（b）為程序在Flash中運(yùn)行時(shí)的耗時(shí)。由表中數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，拷貝數(shù)據(jù)量較大時(shí)，本文中所述的RAM拷貝方式優(yōu)勢比較明顯，有大約20％的提高，對(duì)于目前的嵌入式操作系統(tǒng)來說，基本內(nèi)核的代碼量都比較大，因而采用本文所述的方式能夠帶來比較大的耗時(shí)改善。
OMAP作為一種整合了ARM控制能力與DSP數(shù)據(jù)處理能力的雙核心處理器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種嵌入式設(shè)備中，但大多數(shù)OMAP處理器通過外部Flash啟動(dòng)，既浪費(fèi)時(shí)間又有較高風(fēng)險(xiǎn)。本文針對(duì)OMAP啟動(dòng)過程中的這一缺陷，設(shè)計(jì)的多級(jí)啟動(dòng)Boot Loader較之傳統(tǒng)方式有較大的性能改善，目前已在數(shù)字集群手持終端、網(wǎng)絡(luò)多媒體可視電話等項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，并取得很好的效果。
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