詳細解析ARM嵌入式最小系統的軟硬件架構的改進(jìn)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A(yíng)RM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A(yíng)RM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。

1)雙Flash獨立片選

該方式是把兩個(gè)Nor Flash芯片各自作為一個(gè)獨立的單元進(jìn)行處理。根據不同的應用需要，可以在一塊Flash中存放啟動(dòng)代碼，而在另一塊Flash中建立文件系統，存放應用代碼。該方式操作方便，易于管理。

(2)雙Flash統一片選

該方式是把兩個(gè)Nor Flash芯片合為一個(gè)單元進(jìn)行處理，ARM處理器將它們作為一個(gè)并行的處理單元來(lái)訪(fǎng)問(wèn)，本例是將兩個(gè)8bit的Nor Flash芯片SST39VF1601用作一個(gè)16bit單元來(lái)進(jìn)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(shù)

Nand Flash接口信號比較少，地址，數據和命令總線(xiàn)復用。Nand Flash的接口本質(zhì)上是一個(gè)I/O接口，系統對Nand Flash進(jìn)行數據訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)候，需要先向Nand Flash發(fā)出相關(guān)命令和參數，然后再進(jìn)行相應的數據操作。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(gè)信號，在速度要求相對較低的時(shí)候，能夠較充分的發(fā)揮NAND設備的性能。它在滿(mǎn)足NAND設備時(shí)域需求方面將會(huì )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(jìn)行連接

在該方式下，處理器的讀和寫(xiě)使能信號通過(guò)與片選信號CS進(jìn)行邏輯運算后去驅動(dòng)NAND設備對應的讀和寫(xiě)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(guò)控制寄存器可以實(shí)現ARM處理器對NAND設備相應信號的驅動(dòng)。該方式使得ARM處理器與NAND設備的連接變得簡(jiǎn)單規范，圖3中c例給出了ARM處理器S3C2410與Nand Flash K9F2808U0C的連接方式。

3.3 ARM處理器與SDRAM接口技術(shù)

嵌入式最小系統的外部動(dòng)態(tài)存儲器模塊一般采用SDRAM?，F在的大多數ARM處理器內部都集成有SDRAM控制器，通過(guò)它可以很容易的訪(fǎng)問(wèn)SDRAM內部的每一個(gè)字節。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中可以根據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。