基于A(yíng)RM單片機的嵌入式最小系統架構研究

1. 引言

隨著(zhù)嵌入式相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統的功能越來(lái)越強大，應用接口更加豐富，根據實(shí)際應用的需要設計出特定的嵌入式最小系統和應用系統，是嵌入式系統設計的關(guān)鍵。目前在嵌入式系統開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，開(kāi)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(kāi)發(fā)之中，而忽視了對嵌入式系統最基本、最核心部分的研究。

當前在嵌入式領(lǐng)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(lèi)似并且具有通用的外圍電路，同時(shí)ARM內核的嵌入式最小系統的設計原則及方法基本相同，這使得對嵌入式最小系統的研究在整個(gè)系統的開(kāi)發(fā)中具有著(zhù)至關(guān)重要的意義。本文以基于ARM的嵌入式最小系統為平臺，從硬件和軟件兩方面對嵌入式最小系統的架構進(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)就嵌入式最小系統的啟動(dòng)架構做了詳細分析。

2. 嵌入式最小系統

嵌入式最小系統即是在盡可能減少上層應用的情況下，能夠使系統運行的最小化模塊配置。對于一個(gè)典型的嵌入式最小系統，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的核心部分。

時(shí)鐘模塊——通常經(jīng)ARM內部鎖相環(huán)進(jìn)行相應的倍頻，以提供系統各模塊運行所需的時(shí)鐘頻率輸入
Flash存儲模塊——存放啟動(dòng)代碼、操作系統和用戶(hù)應用程序代碼
SDRAM模塊——為系統運行提供動(dòng)態(tài)存儲空間，是系統代碼運行的主要區域
JTAG模塊——實(shí)現對程序代碼的下載和調試
UART模塊——實(shí)現對調試信息的終端顯示
復位模塊——實(shí)現對系統的復位

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)是嵌入式最小系統硬件設計的關(guān)鍵。根據需要選擇合理的接口方式，可以有效的提升嵌入式系統的整體性能。

3.1常用外存儲器簡(jiǎn)介

（1）Nor Flash與Nand Flash

Nor Flash也稱(chēng)為線(xiàn)性Flash，可靠性高、隨機讀取速度快，具有芯片內執行(XIP， eXecute In Place)的特點(diǎn)，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RAM中。常用在擦除和編程操作較少而直接執行代碼的場(chǎng)合。

Nand Flash則是高數據存儲密度的理想解決方案,一般用于數據存儲和文件存儲,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(dòng)態(tài)存儲器SDRAM

SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory）是在早期DRAM的基礎上改進(jìn)而來(lái)的，它是同步內存，并在接口信號中引入了CLK信號，所有數據、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(gè)命令控制器，處理器訪(fǎng)問(wèn)SDRAM都是通過(guò)向命令控制器發(fā)送命令來(lái)實(shí)現的。

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部的存儲單元進(jìn)行直接尋址。在實(shí)際的系統中，可以根據需要選擇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。