嵌入式設(shè)計(jì)：存儲(chǔ)器以及BootLoader的總結(jié)

在大學(xué)的時(shí)候很少關(guān)心單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用，只是大概的知道RAM和ROM的區(qū)別，甚至只是知道程序下載到ROM中就能運(yùn)行了。其他的如何工作程序如何啟動(dòng)的就不了了知了。因此在接觸嵌入式的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)很多盲區(qū)。在此本人將工作三個(gè)多月以來(lái)接觸到的一些關(guān)于嵌入式新的理解分享給大家，有什么錯(cuò)誤的地方在所難免，希望大家給予指正。

RAM和ROM在單片機(jī)中的相關(guān)應(yīng)用

ROM和RAM指的都是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，ROM是ReadOnlyMemory的縮寫，RAM是RandomAccessMemory的縮寫。ROM在系統(tǒng)停止供電的時(shí)候仍然可以保持?jǐn)?shù)據(jù)，而RAM通常都是在掉電之后就丟失數(shù)據(jù)，典型的RAM就是計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。

RAM有兩大類，一種稱為靜態(tài)RAM(StaticRAM/SRAM)，SRAM速度非?？?，是目前讀寫最快的存儲(chǔ)設(shè)備了，但是它也非常昂貴，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一級(jí)緩沖，二級(jí)緩沖。另一種稱為動(dòng)態(tài)RAM(DynamicRAM/DRAM)，DRAM保留數(shù)據(jù)的時(shí)間很短，速度也比SRAM慢，不過(guò)它還是比任何的ROM都要快，但從價(jià)格上來(lái)說(shuō)DRAM相比SRAM要便宜很多，計(jì)算機(jī)內(nèi)存就是DRAM的。

DRAM分為很多種，常見(jiàn)的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDRRAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等。所謂內(nèi)存就是用來(lái)存放當(dāng)前正在使用的(即執(zhí)行中)的數(shù)據(jù)和程序，我們平常所提到的計(jì)算機(jī)的內(nèi)存指的是動(dòng)態(tài)內(nèi)存(即DRAM)，動(dòng)態(tài)內(nèi)存中所謂的“動(dòng)態(tài)”，指的是當(dāng)我們將數(shù)據(jù)寫入DRAM后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，數(shù)據(jù)會(huì)丟失，因此需要一個(gè)額外設(shè)電路進(jìn)行內(nèi)存刷新操作。

ROM也有很多種，PROM是可編程的ROM，PROM和EPROM(可擦除可編程ROM)兩者區(qū)別是，PROM是一次性的，也就是軟件灌入后，就無(wú)法修改了，這種是早期的產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)不可能使用了，而EPROM是通過(guò)紫外光的照射擦出原先的程序，是一種通用的存儲(chǔ)器。另外一種EEPROM是通過(guò)電子擦出，價(jià)格很高，寫入時(shí)間很長(zhǎng)，寫入很慢。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，最原始的單片機(jī)比如at89c51，內(nèi)部集成了ROM，RAM。ROM用來(lái)存儲(chǔ)編好的程序、常數(shù)、表格等，當(dāng)單片機(jī)掉電ROM中的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，因此單片機(jī)掉電再上電還會(huì)繼續(xù)運(yùn)行;RAM可以存放用戶的臨時(shí)變量、還有單片機(jī)內(nèi)部的特殊寄存器等，單片機(jī)掉電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，當(dāng)在上電后程序執(zhí)行，重新初始化寄存器和變量的值。

在這里簡(jiǎn)單說(shuō)一下MCS-51的程序執(zhí)行流程，MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)，采用典型的哈佛結(jié)構(gòu)，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器完全獨(dú)立，擁有各自的尋址系統(tǒng)，包括片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都擁有自己獨(dú)立的尋址系統(tǒng)。所以，在地址空間上允許重疊。如：程序存儲(chǔ)器的地址空間中有0000H這個(gè)單元，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也有0000H這個(gè)單元，片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中還有0000H這個(gè)單元。

89S51片內(nèi)有4kB的程序存儲(chǔ)單元，其地址為0000H—0FFFH，單片機(jī)啟動(dòng)復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為0000H，所以系統(tǒng)將從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。在這里會(huì)跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)，但是據(jù)說(shuō)在跳轉(zhuǎn)到main函數(shù)之前，還會(huì)做一些判斷的處理，具體沒(méi)有研究過(guò)。

Flash在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)在很多的芯片內(nèi)部都是用flash，或者是外掛Flash來(lái)存儲(chǔ)程序。目前的Flash主要有兩種NORFlash和NADNFlash。

NORFlash的讀取和我們常見(jiàn)的SDRAM的讀取是一樣，用戶可以直接運(yùn)行裝載在NORFLASH里面的代碼，這樣可以減少SRAM的容量從而節(jié)約了成本。

NANDFlash沒(méi)有采取內(nèi)存的隨機(jī)讀取技術(shù)，它的讀取是以一次讀取一塊的形式來(lái)進(jìn)行的，通常是一次讀取512個(gè)字節(jié)，采用這種技術(shù)的Flash比較廉價(jià)。用戶不能直接運(yùn)行NANDFlash上的代碼，因此好多使用NANDFlash的開(kāi)發(fā)板除了使用NANDFlah以外，還作上了一塊小的NORFlash來(lái)運(yùn)行啟動(dòng)代碼。

一般小容量的用NORFlash，因?yàn)槠渥x取速度快，多用來(lái)存儲(chǔ)操作系統(tǒng)等重要信息，而大容量的用NANDFLASH。NORFlash可以擁有SDRAM的接口，擁有更多的地址線來(lái)方便讀取內(nèi)存中的每一個(gè)字節(jié);NANDflashAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達(dá)到高存儲(chǔ)密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應(yīng)用NAND的困難在于flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。

SerialFlash擁有spi的接口可以頁(yè)讀、任意地址讀。并且它可以有四線SPI，雙線SPI的DDR接口。它可以利用spi的外部地址總線的方式來(lái)直接在外部flash中運(yùn)行程序，不過(guò)運(yùn)行速度是個(gè)有待考慮的問(wèn)題。

嵌入式BootLoader

在嵌入式中一些產(chǎn)品中，采用的啟動(dòng)方式中，根據(jù)不同的芯片結(jié)構(gòu)而不同。拿計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)引導(dǎo)加載程序由BIOS和位于硬盤MBR中的OSBootLoader組成，其實(shí)BIOS就是一段固化程序，現(xiàn)在很多嵌入式的芯片內(nèi)部都會(huì)有一段類似的程序來(lái)，這段程序的用途通俗的講就是來(lái)加載BootLoader的。計(jì)算機(jī)也一樣，BIOS在完成系統(tǒng)硬件檢測(cè)和資源分配后，將硬盤MBR中的BootLoader讀到系統(tǒng)的RAM中，然后將控制權(quán)交給OSBootLoader，BootLoader的主要任務(wù)就是將內(nèi)核映像從硬盤讀到RAM中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點(diǎn)運(yùn)行，即開(kāi)啟操作系統(tǒng)。

我們常說(shuō)的嵌入式的BootLoader其實(shí)就是和上面提到的OSBootLoader差不多，只不過(guò)很多嵌入式的CPU沒(méi)有BIOS那樣的固化程序，他們上電復(fù)位到0x0000000地址后一般是BootLoader的開(kāi)始地址。有些嵌入式的CPU會(huì)有片內(nèi)的ROM，會(huì)有一段固化的程序，去加載BootLoader。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)BootLoader有兩種模式，一種叫做DownLoader，一種叫做loader;DownLoader這種模式中主要是程序員開(kāi)發(fā)階段需要一種模式，這種模式主要是通過(guò)調(diào)試器將程序代碼下載到內(nèi)部RAM中去，然后通過(guò)BootLoader寫到目標(biāo)機(jī)的Flash或者其他存儲(chǔ)設(shè)備中去。這種模式只是在開(kāi)發(fā)人員在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)階段使用的一種模式。在項(xiàng)目完成后的成品中，BootLoader會(huì)一直工作在loader模式中。其大概做的事情就是硬件設(shè)備初始化，為BootLoader以后的工作設(shè)定先決條件;設(shè)置堆棧、檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射，將系統(tǒng)映像或者程序代碼段從Flash上讀取到內(nèi)部RAM中，有的系統(tǒng)會(huì)加載到SDRAM中，還有的會(huì)直接在外部FLASH上運(yùn)行。