嵌入式系統(tǒng)的掉電保護方案設(shè)計

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計過程中，系統(tǒng)的掉電保護越來越受到重視。本文介紹的方法是在用ARM7系列芯片S3C4510B和μClinux構(gòu)建的嵌入式平臺上實現(xiàn)的。整個掉電保護實現(xiàn)的基本思路是：產(chǎn)生掉電信號，捕捉掉電信號和處理掉電信號。重點介紹這個過程的具體實現(xiàn)。

系統(tǒng)防掉電設(shè)計的目的是：采用一種機制，使得系統(tǒng)在意外失去供電的情況下，可以保證系統(tǒng)運行狀態(tài)的確定性以及記錄數(shù)據(jù)的完整性;當(dāng)系統(tǒng)供電恢復(fù)后，現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以及時恢復(fù)，避免應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生混亂。我們知道，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)中越來越多地應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)。由于操作系統(tǒng)的引入，數(shù)據(jù)的讀寫往往是通過文件的方式完成，而不是直接對存儲單元地址操作。用文件讀寫方式操作數(shù)據(jù)，在程序的運行過程中往往將數(shù)據(jù)暫存在易失性的存儲空間，如SDRAM，一旦系統(tǒng)意外失電，這些數(shù)據(jù)往往被丟失。因此，當(dāng)系統(tǒng)意外失電時必須采取一定的措施進行系統(tǒng)的掉電保護，以避免系統(tǒng)產(chǎn)生混亂?？偟恼f來，防掉電程序的主要思路就是：產(chǎn)生掉電信號，捕捉掉電信號，處理掉電信號和數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場狀態(tài)的恢復(fù)。

如果不引入操作系統(tǒng)，直接對存儲單元進行數(shù)據(jù)操作，每次操作的數(shù)據(jù)量小，可以利用中斷服務(wù)的方式進行掉電保護;而用文件的方式進行數(shù)據(jù)操作，數(shù)據(jù)量一般比較大，因此基于中斷服務(wù)的方式進行掉電保護已經(jīng)不再可靠。本文研究的對象是基于操作系統(tǒng)的較為復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計過程中的掉電保護。

1 掉電保護方案實現(xiàn)的系統(tǒng)基礎(chǔ)

掉電保護是在由ARM體系的硬件平臺和μClinux嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。

ARM7系列的微處理器支持八種類型的中斷處理。外部中斷請求會在外部中斷引腳有效(一般是低電平)，并且程序狀態(tài)寄存器相關(guān)位(即CPSR的I控制位)設(shè)置為允許時得到處理器響應(yīng)。響應(yīng)后處理器進入中斷工作模式，PC被裝人中斷向量0x00000018。在這個地址單元存放中斷服務(wù)程序人口地址，中斷服務(wù)程序就可以被執(zhí)行。在掉電保護方案中，中斷服務(wù)程序很簡單，就是將表示掉電的全局變量置位即可。這樣可以縮短程序執(zhí)行時間。

Flash存儲器是一種可在系統(tǒng)(in system)進行電擦寫，電后信息不丟失的存儲器。它具有低功耗、大容量、可整片或分扇區(qū)在系統(tǒng)編程(燒寫)、擦除等特點，并且可由內(nèi)部嵌入的算法完成對芯片的操作，因而在各種嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種非易失性存儲器。Flash在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。常用的Flash為8位或16位的數(shù)據(jù)寬度，編程電壓為單3.3V。與Flash存儲器相比較，SDRAM不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲器，且具有讀/寫的屬性，因此，SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，CPU首先從復(fù)位地址0x0處讀取啟動代碼，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼一般應(yīng)調(diào)入SDRAM中運行，以提高系統(tǒng)的運行速度，同時，系統(tǒng)及用戶堆棧、運行數(shù)據(jù)也都放在SDRAM中。SDRAM的存儲單元可以理解為一個電容，總是傾向于放電，為避免數(shù)據(jù)丟失，必須定時刷新(充電)。因此，要在系統(tǒng)中使用SDRAM，就要求微處理器具有刷新控制邏輯，或在系統(tǒng)中另外加入刷新控制邏輯電路，特別的情況是在系統(tǒng)失電后，要采取一種有效的機制確保將sDRAM中的數(shù)據(jù)寫入F1ash中。

2 基于掉電保護方案的硬件設(shè)計

圖1是一種典型的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計方案。系統(tǒng)的微處理器采用S3c4510B，是基于ARM7體系結(jié)構(gòu)的。SDRAM是一種易失性存儲器作為程序的運行空間，類似于PC機的內(nèi)存;Flash作為程序存儲空間是非易失性的。程序運行過程中的數(shù)據(jù)往往緩存在sDRAM中，在系統(tǒng)失電時必須寫往Flash。