嵌入式設(shè)計經(jīng)驗(yàn)分享:存儲器以及BootLoader的一些總結(jié)
在大學(xué)的時候很少關(guān)心單片機(jī)內(nèi)部存儲器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用,只是大概的知道RAM和ROM的區(qū)別,甚至只是知道程序下載到ROM中就能運(yùn)行了。其他的如何工作程序如何啟動的就不了了知了。因此在接觸嵌入式的時候就會出現(xiàn)很多盲區(qū)。在此本人將工作三個多月以來接觸到的一些關(guān)于嵌入式新的理解分享給大家,有什么錯誤的地方在所難免,希望大家給予指正。
RAM和ROM在單片機(jī)中的相關(guān)應(yīng)用
ROM和RAM指的都是半導(dǎo)體存儲器,ROM是Read Only Memory的縮寫,RAM是Random Access Memory的縮寫。ROM在系統(tǒng)停止供電的時候仍然可以保持?jǐn)?shù)據(jù),而RAM通常都是在掉電之后就丟失數(shù)據(jù),典型的RAM就是計算機(jī)的內(nèi)存。
RAM有兩大類,一種稱為靜態(tài)RAM(Static RAM/SRAM),SRAM速度非常快,是目前讀寫最快的存儲設(shè)備了,但是它也非常昂貴,所以只在要求很苛刻的地方使用,譬如CPU的一級緩沖,二級緩沖。另一種稱為動態(tài)RAM(Dynamic RAM/DRAM),DRAM保留數(shù)據(jù)的時間很短,速度也比SRAM慢,不過它還是比任何的ROM都要快,但從價格上來說DRAM相比SRAM要便宜很多,計算機(jī)內(nèi)存就是DRAM的。
DRAM分為很多種,常見的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等。所謂內(nèi)存就是用來存放當(dāng)前正在使用的(即執(zhí)行中)的數(shù)據(jù)和程序,我們平常所提到的計算機(jī)的內(nèi)存指的是動態(tài)內(nèi)存(即DRAM),動態(tài)內(nèi)存中所謂的“動態(tài)”,指的是當(dāng)我們將數(shù)據(jù)寫入DRAM后,經(jīng)過一段時間,數(shù)據(jù)會丟失,因此需要一個額外設(shè)電路進(jìn)行內(nèi)存刷新操作。
ROM也有很多種,PROM是可編程的ROM,PROM和EPROM(可擦除可編程ROM)兩者區(qū)別是,PROM是一次性的,也就是軟件灌入后,就無法修改了,這種是早期的產(chǎn)品,現(xiàn)在已經(jīng)不可能使用了,而EPROM是通過紫外光的照射擦出原先的程序,是一種通用的存儲器。另外一種 EEPROM是通過電子擦出,價格很高,寫入時間很長,寫入很慢。
簡單來說,最原始的單片機(jī)比如at89c51,內(nèi)部集成了 ROM,RAM。ROM用來存儲編好的程序、常數(shù)、表格等,當(dāng)單片機(jī)掉電ROM中的數(shù)據(jù)不會丟失,因此單片機(jī)掉電再上電還會繼續(xù)運(yùn)行;RAM可以存放用戶的臨時變量、還有單片機(jī)內(nèi)部的特殊寄存器等,單片機(jī)掉電后數(shù)據(jù)會丟失,當(dāng)在上電后程序執(zhí)行,重新初始化寄存器和變量的值。
在這里簡單說一下MCS-51的程序執(zhí)行流程,MCS-51單片機(jī)的存儲器組織結(jié)構(gòu),采用典型的哈佛結(jié)構(gòu),即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器完全獨(dú)立,擁有各自的尋址系統(tǒng),包括片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器與片外數(shù)據(jù)存儲器都擁有自己獨(dú)立的尋址系統(tǒng)。所以,在地址空間上允許重疊。如:程序存儲器的地址空間中有0000H這個單元,片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器也有0000H這個單元,片外數(shù)據(jù)存儲器中還有0000H這個單元。
89S51片內(nèi)有4kB的程序存儲單元,其地址為0000H— 0FFFH,單片機(jī)啟動復(fù)位后,程序計數(shù)器的內(nèi)容為0000H,所以系統(tǒng)將從0000H單元開始執(zhí)行程序。在這里會跳轉(zhuǎn)到main函數(shù),但是據(jù)說在跳轉(zhuǎn)到 main函數(shù)之前,還會做一些判斷的處理,具體沒有研究過。
Flash在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用
現(xiàn)在很多的芯片內(nèi)部都是用flash,或者是外掛Flash來存儲程序。目前的Flash主要有兩種NOR Flash和NADN Flash。
NOR Flash的讀取和我們常見的SDRAM的讀取是一樣,用戶可以直接運(yùn)行裝載在NOR FLASH里面的代碼,這樣可以減少SRAM的容量從而節(jié)約了成本。
NAND Flash沒有采取內(nèi)存的隨機(jī)讀取技術(shù),它的讀取是以一次讀取一塊的形式來進(jìn)行的,通常是一次讀取512個字節(jié),采用這種技術(shù)的Flash比較廉價。用戶不能直接運(yùn)行NAND Flash上的代碼,因此好多使用NAND Flash的開發(fā)板除了使用NAND Flah以外,還作上了一塊小的NOR Flash來運(yùn)行啟動代碼。
一般小容量的用NOR Flash,因?yàn)槠渥x取速度快,多用來存儲操作系統(tǒng)等重要信息,而大容量的用NAND FLASH。NOR Flash可以擁有 SDRAM的接口,擁有更多的地址線來方便讀取內(nèi)存中的每一個字節(jié);NAND flash AND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度,可以達(dá)到高存儲密度,并且寫入和擦除的速度也很快。應(yīng)用NAND的困難在于flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。
Serial Flash 擁有spi的接口可以頁讀、任意地址讀。并且它可以有四線SPI,雙線SPI的DDR接口。它可以利用spi的外部地址總線的方式來直接在外部flash中運(yùn)行程序,不過運(yùn)行速度是個有待考慮的問題。
嵌入式Boot Loader
在嵌入式中一些產(chǎn)品中,采用的啟動方式中,根據(jù)不同的芯片結(jié)構(gòu)而不同。拿計算機(jī)的啟動來說,計算機(jī)引導(dǎo)加載程序由BIOS和位于硬盤MBR中的OS Boot Loader組成,其實(shí)BIOS就是一段固化程序,現(xiàn)在很多嵌入式的芯片內(nèi)部都會有一段類似的程序來,這段程序的用途通俗的講就是來加載Boot Loader的。計算機(jī)也一樣,BIOS在完成系統(tǒng)硬件檢測和資源分配后,將硬盤MBR中的Boot Loader讀到系統(tǒng)的RAM中,然后將控制權(quán)交給OS Boot Loader,Boot Loader的主要任務(wù)就是將內(nèi)核映像從硬盤讀到RAM中,然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點(diǎn)運(yùn)行,即開啟操作系統(tǒng)。
我們常說的嵌入式的Boot Loader其實(shí)就是和上面提到的OS Boot Loader差不多,只不過很多嵌入式的CPU沒有BIOS那樣的固化程序,他們上電復(fù)位到0x0000000地址后一般是Boot Loader的開始地址。有些嵌入式的CPU會有片內(nèi)的ROM,會有一段固化的程序,去加載Boot Loader。
簡單來說Boot Loader有兩種模式,一種叫做Down Loader,一種叫做loader;DownLoader這種模式中主要是程序員開發(fā)階段需要一種模式,這種模式主要是通過調(diào)試器將程序代碼下載到內(nèi)部 RAM中去,然后通過Boot Loader 寫到目標(biāo)機(jī)的Flash或者其他存儲設(shè)備中去。這種模式只是在開發(fā)人員在項(xiàng)目開發(fā)階段使用的一種模式。在項(xiàng)目完成后的成品中,Boot Loader會一直工作在loader 模式中。其大概做的事情就是硬件設(shè)備初始化,為Boot Loader以后的工作設(shè)定先決條件;設(shè)置堆棧、檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射,將系統(tǒng)映像或者程序代碼段從Flash上讀取到內(nèi)部RAM中,有的系統(tǒng)會加載到 SDRAM中,還有的會直接在外部FLASH上運(yùn)行。