ARM嵌入式最小系统的软硬件架构的改进研究

(2)运用逻辑运算方式进行连接

在该方式下，处理器的读和写使能信号通过与片选信号CS进行逻辑运算后去驱动NAND设备对应的读和写信号。图3中b例为SamSung公司ARM7TDMI系列处理器S3C44B0与Nand Flash K9F2808U0C的连接方式。

(3)直接芯片使能

有些ARM处理器如S3C2410内部提供对NAND设备的相应控制寄存器，通过控制寄存器可以实现ARM处理器对NAND设备相应信号的驱动。该方式使得ARM处理器与NAND设备的连接变得简单规范，图3中c例给出了ARM处理器S3C2410与Nand Flash K9F2808U0C的连接方式。

3.3 ARM处理器与SDRAM接口技术

嵌入式最小系统的外部动态存储器模块一般采用SDRAM。现在的大多数ARM处理器内部都集成有SDRAM控制器，通过它可以很容易的访问SDRAM内部的每一个字节。在实际开发中可以根据需要选用一片或多片SDRAM。图4中给出了两种常用的接口方式。

(1)单片SDRAM

图4 中a例为 ARM处理器S3C44B0与一个16bit的SDRAM K4S641632d的连接方式。在对尺寸有严格限制且对动态存储器容量要求不高的嵌入式系统中常采用此种连接方式。

(2)双片16bit SDRAM结合使用

在双片16bit SDRAM合成一个32bit SDRAM使用时，ARM处理器的地址线A2接SDRAM的地址线A0,其余地址依次递增，这是因为在SDRAM中字节是存储容量的惟一单位，而此时SDRAM为32bit位宽。

SDRAM的BA地址线是其内部Bank的地址线，代表了SDRAM内存的最高位。在图4中b例的SDRAM总大小是64M(64M= )，需要A25-A0引脚来寻址，所以BA1-BA0连接到了A25-A24引脚上。还需注意的是SDRAM内存行地址和列地址是复用的，所以地址线的数目一般少于26条，具体连接需要参考ARM处理器和SDRAM的相关手册。

值得注意的是，有些ARM处理器如SamSung公司的ARM940T系列处理器S3C2510 ，其地址总线与其它标准ARM处理器不太一样，它的地址线分为内部地址线和外部地址线两种类型。根据所连接的存储器数据总线宽度，内部地址线进行相应的移位，对应到外部地址线A23-A0,从而对外提供固定的地址线A23-A0。其实质与典型的ARM处理器是一致的。

4. 嵌入式系统启动架构

启动架构是嵌入式系统的关键技术。掌握启动架构对于了解嵌入式系统的运行原理有着重要的意义。嵌入式系统在启动时，引导代码、操作系统的运行和应用程序的加载主要有两种架构，一种是直接从Nor Flash启动的架构，另一种是直接从Nand Flash启动的架构。

需要注意的是，在嵌入式系统启动引导的过程中会有多种情况出现，如vxWorks的启动代码BootRom就有压缩和非压缩，驻留和非驻留方式之分，而操作系统本身也多以压缩映象方式存储，所以启动代码在执行和加载过程中需要根据不同的情况，作出相应的处理。

4.1从Nor Flash启动

Nor Flash具有芯片内执行(XIP，eXecute In Place)的特点，在嵌入式系统中常做为存放启动代码的首选。从Nor Flash启动的架构又可细分为只使用Nor Flash的启动架构和Nor Flash与Nand Flash配合使用的启动架构。图5 给出了这两种启动架构的原理框图。

4.1.1单独使用Nor Flash

在该架构中，引导代码、操作系统和应用代码共存于同一块Nor Flash中。系统上电后，引导代码首先在Nor Flash中执行，然后把操作系统和应用代码加载到速度更高的SDRAM中运行。另一种可行的架构是，在Nor Flash中执行引导代码和操作系统，而只将应用代码加载到SDRAM中执行。

该架构充分利用了Nor Flash芯片内执行的特点，可有效提升系统性能。不足在于随着操作系统和应用代码容量的增加，需要更大容量昂贵的Nor Flash来支撑。

4.1.2 Nor Flash和Nand Flash配合使用

Nor Flash的单独使用对于代码量较大的应用程序会增加产品的成本投入，一种的改进的方式是采用Nor Flash 和Nand Flash配合使用的架构。在该架构中附加了一块Nand Flash，Nor Flash(2M或4M)中存放启动代码和操作系统(操作系统可以根据代码量的大小选择存放于Nor Flash或者Nand Flash)，而Nand Flash中存放应用代码，根据存放的应用代码量的大小可以对Nand Flash容量做出相应的改变。

系统上电后，引导代码直接在Nor Flash中执行，把Nand Flash中的操作系统和应用代码加载到速度更高的SDRAM中执行。也可以在Nor Flash中执行引导代码和操作系统，而只将Nand Flash中的应用代码加载到SDRAM中执行。该架构是当前嵌入式系统中运用最广泛的启动架构之一。

4.1.2从Nand Flash启动

有些处理器如SamSung公司的ARM920T系列处理器S3C2410支持从Nand Flash启动的模式，它的工作原理是将NandFlash中存储的前4KB代码装入一个称为Steppingstone(BootSRAM)的地址中，然后开始执行该段引导代码，从而完成对操作系统和应用程序的加载。该方式需要处理器内部有NAND控制器，同时还要提供一定大小额外的SRAM空间，有一定的使用局限性，在实际开发中较少使用。

5. 结束语

本文作者创新点：根据ARM体系结构的相通性，以基于ARM的嵌入式最小系统为平台，从硬件和软件两方面对其架构进行了研究。硬件方面就ARM处理器与常用外部存储器的接口方式进行了阐述，软件方面给出了嵌入式最小系统典型的启动架构及其选择标准。