ARM嵌入式最小系統(tǒng)的軟硬件架構的改進研究

(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。

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。根據所連接的存儲器數(shù)據總線寬度，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。

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。