基于ARM單片機的嵌入式最小系統(tǒng)架構研究

1. 引言

隨著嵌入式相關技術的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的功能越來越強大，應用接口更加豐富，根據(jù)實際應用的需要設計出特定的嵌入式最小系統(tǒng)和應用系統(tǒng)，是嵌入式系統(tǒng)設計的關鍵。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)與眾多外設的連接方式以及應用代碼的開發(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。

當前在嵌入式領域中，ARM(Advanced RISC Machines)處理器被廣泛應用于各種嵌入式設備中。由于ARM嵌入式體系結構類似并且具有通用的外圍電路，同時ARM內核的嵌入式最小系統(tǒng)的設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)的架構進行了研究，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，軟件方面重點就嵌入式最小系統(tǒng)的啟動架構做了詳細分析。

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用的情況下，能夠使系統(tǒng)運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內部鎖相環(huán)進行相應的倍頻，以提供系統(tǒng)各模塊運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)和用戶應用程序代碼
SDRAM模塊——為系統(tǒng)運行提供動態(tài)存儲空間，是系統(tǒng)代碼運行的主要區(qū)域
JTAG模塊——實現(xiàn)對程序代碼的下載和調試
UART模塊——實現(xiàn)對調試信息的終端顯示
復位模塊——實現(xiàn)對系統(tǒng)的復位

3. 外存儲器接口技術

ARM處理器與外部存儲器（Flash和SDRAM）的接口技術是嵌入式最小系統(tǒng)硬件設計的關鍵。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、隨機讀取速度快，具有芯片內執(zhí)行(XIP， eXecute In Place)的特點，這樣應用程序可以直接在Flash閃存內運行，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,以塊為單位進行擦除，具有擦除速度快的優(yōu)點。

（2）同步動態(tài)存儲器SDRAM

SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory）是在早期DRAM的基礎上改進而來的，它是同步內存，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)送命令來實現(xiàn)的。

3.2 ARM處理器與Flash接口技術

3.2.1ARM處理器與Nor Flash接口技術

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部的存儲單元進行直接尋址。在實際的系統(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。

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1）雙Flash獨立片選

該方式是把兩個Nor Flash芯片各自作為一個獨立的單元進行處理。根據(jù)不同的應用需要，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

Nand Flash接口信號比較少，地址，數(shù)據(jù)和命令總線復用。Nand Flash的接口本質上是一個I/O接口，系統(tǒng)對Nand Flash進行數(shù)據(jù)訪問的時候，需要先向Nand Flash發(fā)出相關命令和參數(shù)，然后再進行相應的數(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設備的性能。它在滿足NAND設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設備。該方式需要處理器提供充足的GPIO。

（2）運用邏輯運算方式進行連接

在該方式下，處理器的讀和寫使能信號通過與片選信號CS進行邏輯運算后去驅動NAND設備對應的讀和寫信號。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內部提供對NAND設備的相應控制寄存器，通過控制寄存器可以實現(xiàn)ARM處理器對NAND設備相應信號的驅動。該方式使得ARM處理器與NAND設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。

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3.3 ARM處理器與SDRAM接口技術

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處理器內部都集成有SDRAM控制器，通過它可以很容易的訪問SDRAM內部的每一個字節(jié)。在實際開發(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。

（1）單片SDRAM

圖4 中a例為 ARM處理器S3C44B0與一個16bit的SDRAM K4S641632d的連接方式。在對尺寸有嚴格限制且對動態(tài)存儲器容量要求不高的嵌入式系統(tǒng)中常采用此種連接方式。

（2）雙片16bit SDRAM結合使用

在雙片16bit SDRAM合成一個32bit SDRAM使用時，ARM處理器的地址線A2接SDRAM的地址線A0,其余地址依次遞增，這是因為在SDRAM中字節(jié)是存儲容量的惟一單位，而此時SDRAM為32bit位寬。

SDRAM的BA地址線是其內部Bank的地址線，代表了SDRAM內存的最高位。在圖4中b例的SDRAM總大小是64M（64M= ），需要A25-A0引腳來尋址，所以BA1-BA0連接到了A25-A24引腳上。還需注意的是SDRAM內存行地址和列地址是復用的，所以地址線的數(shù)目一般少于26條，具體連接需要參考ARM處理器和SDRAM的相關手冊。

值得注意的是，有些ARM處理器如SamSung公司的ARM940T系列處理器S3C2510 ，其地址總線與其它標準ARM處理器不太一樣，它的地址線分為內部地址線和外部地址線兩種類型。根據(jù)所連接的存儲器數(shù)據(jù)總線寬度，內部地址線進行相應的移位，對應到外部地址線A23-A0,從而對外提供固定的地址線A23-A0。其實質與典型的ARM處理器是一致的。                                                                           

4. 嵌入式系統(tǒng)啟動架構

啟動架構是嵌入式系統(tǒng)的關鍵技術。掌握啟動架構對于了解嵌入式系統(tǒng)的運行原理有著重要的意義。嵌入式系統(tǒng)在啟動時，引導代碼、操作系統(tǒng)的運行和應用程序的加載主要有兩種架構，一種是直接從Nor Flash啟動的架構，另一種是直接從Nand Flash啟動的架構。

需要注意的是，在嵌入式系統(tǒng)啟動引導的過程中會有多種情況出現(xiàn)，如vxWorks的啟動代碼BootRom就有壓縮和非壓縮，駐留和非駐留方式之分，而操作系統(tǒng)本身也多以壓縮映象方式存儲，所以啟動代碼在執(zhí)行和加載過程中需要根據(jù)不同的情況，作出相應的處理。

4.1從Nor Flash啟動

Nor Flash具有芯片內執(zhí)行（XIP，eXecute In Place）的特點，在嵌入式系統(tǒng)中常做為存放啟動代碼的首選。從Nor Flash啟動的架構又可細分為只使用Nor Flash的啟動架構和Nor Flash與Nand Flash配合使用的啟動架構。圖5 給出了這兩種啟動架構的原理框圖。

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4.1.1單獨使用Nor Flash

在該架構中，引導代碼、操作系統(tǒng)和應用代碼共存于同一塊Nor Flash中。系統(tǒng)上電后，引導代碼首先在Nor Flash中執(zhí)行，然后把操作系統(tǒng)和應用代碼加載到速度更高的SDRAM中運行。另一種可行的架構是，在Nor Flash中執(zhí)行引導代碼和操作系統(tǒng)，而只將應用代碼加載到SDRAM中執(zhí)行。

該架構充分利用了Nor Flash芯片內執(zhí)行的特點，可有效提升系統(tǒng)性能。不足在于隨著操作系統(tǒng)和應用代碼容量的增加，需要更大容量昂貴的Nor Flash來支撐。

4.1.2 Nor Flash和Nand Flash配合使用

Nor Flash的單獨使用對于代碼量較大的應用程序會增加產(chǎn)品的成本投入，一種的改進的方式是采用Nor Flash 和Nand Flash配合使用的架構。在該架構中附加了一塊Nand Flash，Nor Flash（2M或4M）中存放啟動代碼和操作系統(tǒng)(操作系統(tǒng)可以根據(jù)代碼量的大小選擇存放于Nor Flash或者Nand Flash)，而Nand Flash中存放應用代碼，根據(jù)存放的應用代碼量的大小可以對Nand Flash容量做出相應的改變。

系統(tǒng)上電后，引導代碼直接在Nor Flash中執(zhí)行，把Nand Flash中的操作系統(tǒng)和應用代碼加載到速度更高的SDRAM中執(zhí)行。也可以在Nor Flash中執(zhí)行引導代碼和操作系統(tǒng)，而只將Nand Flash中的應用代碼加載到SDRAM中執(zhí)行。該架構是當前嵌入式系統(tǒng)中運用最廣泛的啟動架構之一。

4.1.2從Nand Flash啟動

有些處理器如SamSung公司的ARM920T系列處理器S3C2410支持從Nand Flash啟動的模式，它的工作原理是將NandFlash中存儲的前4KB代碼裝入一個稱為Steppingstone(BootSRAM)的地址中，然后開始執(zhí)行該段引導代碼，從而完成對操作系統(tǒng)和應用程序的加載。該方式需要處理器內部有NAND控制器，同時還要提供一定大小額外的SRAM空間，有一定的使用局限性，在實際開發(fā)中較少使用。

5. 結束語

本文作者創(chuàng)新點：根據(jù)ARM體系結構的相通性，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其架構進行了研究。硬件方面就ARM處理器與常用外部存儲器的接口方式進行了闡述，軟件方面給出了嵌入式最小系統(tǒng)典型的啟動架構及其選擇標準。

參考文獻:
［1］ 李別.基于S3C4510B的ARM開發(fā)平臺［J］．微計算機信息，2006，10-2：34-36.
［2］ 張崙.32位嵌入式系統(tǒng)硬件設計與調試［M］.北京:機械工業(yè)出版社, 2005.60-61.
［3］ NAND Flash Applications Design Guide［EB/OL］. http://www.toshiba.com.