基于ARM9内核的软硬件平台设计
合。LPC3180采用NAND Flash作为整个系统的程序存储区域,在系统启动时通过片上ROM的bootstrap程序,从NAND Flash加载并执行外部引导程序来实现整个系统的启动步骤。因此,整个软件系统采取了图5所示的设计结构。
![](../img/eep/emb/emb-47059yyzqlecvaha.jpg)
图5 软件系统结构框图
(1) 系统引导程序Bootloader
由于启动过程首先从片内的bootstrap程序开始,因此系统采取二级Bootloader设计,包括第一级Sibl和第二级Uboot。
其中Sibl是bootstrap加载并执行的第一个引导程序,在程序大小上受到bootstrap加载的限制,因此设计上尽量做到了小型化和功能专一。它除了完成最基本的硬件初始化以外,主要功能是实现其他程序(包括Uboot)从NAND Flash的加载,完成下一级Bootloader运行之前的内存地址空间分布。
第二级Bootloader采用功能强大的sourceforge开源软件Uboot。Uboot的主要功能是完成嵌入式操作系统启动前的底层硬件初始化,并为Linux内核提供启动参数,最终引导操作系统Linux内核启动。另外,为了实现程序镜像文件编程写入NAND Flash,Uboot嵌入了一个NAND子系统,通过 Uboot的用户命令行实现对NAND Flash的读/写操作,可将程序镜像写入NAND Flash指定的地址空间。
(2) 嵌入式操作系统
LPC3180 内部集成了ARM926EJS处理器内核,带存储器管理单元MMU,支持多数主流嵌入式操作系统。系统通过编写板级支持代码,移植了 Linux2.6.10作为平台操作系统,利用稳定的Linux2.6内核实现任务调度、进程管理、内存管理等功能,同时,针对Linux的可配置性,对内核进行裁剪和硬件驱动代码添加,系统实现了一个小型但功能强大的内核程序,适应了嵌入式系统存储资源相对紧缺的状况。
5 系统启动流程分析
由上面的软件结构组成分析可知,整个系统启动流程分为3个步骤:
① 系统上电后,首先从片上ROM固化的bootstrap程序执行。bootstrap用于完成外部引导程序下载并跳入执行。bootstrap运行过程首先读输入引脚GPIO_01。如果GPIO_01置为高,则从NAND Flash下载程序引导系统启动;如果置为低,则依次检测USB接口和UART5接口,通过外部连接下载引导程序。系统通过设置GPIO_IO跳线来控制bootstrap启动过程,本例将GPIO_01置为高,从NAND Flash下载程序。
② 系统启动的第二阶段是运行bootstrap下载的引导程序Sibl。Sibl完成系统必要的初始化后,从NAND Flash加载镜像程序到指定的SDRAM空间。镜像程序在起始位置添加了64字节的头信息,用于Sibl识别和加载,头信息数据结构如下:
struct image_header {
uint32_tih_magic;/*镜像头信息同步字,Sibl通过该字识别程序*/
uint32_tih_hcrc;/*镜像头信息CRC校验码*/
uint32_tih_time;/*存储镜像创建时间*/
uint32_tih_size;/*镜像数据大小*/
uint32_tih_load;/*镜像加载地址*/
uint32_tih_ep;/*镜像入口地址*/
uint32_tih_dcrc;/*镜像数据CRC校验码*/
uint8_tih_os;/*操作系统信息*/
uint8_tih_arch;/*CPU体系结构类型*/
uint8_tih_type;/*镜像类型*/
uint8_tih_comp;/*压缩类型*/
uint8_tih_name[32];/*镜像名称*/
}
Sibl 从NAND Flash起始地址开始搜索。如果读到镜像同步字ih_magic,则识别镜像程序,并根据偏移地址读取程序大小ih_size和加载地址 ih_load,将程序加载到指定的SDRAM空间;加载完成后根据CRC校验码ih_dcrc对SDRAM数据进行CRC检测;最后根据镜像类型 ih_type判断镜像是否可执行,若可执行,则跳入镜像入口地址ih_ep,否则Sibl继续搜索NAND Flash镜像程序。
镜像程序使用U-boot提供的工具mkimage添加头信息,命令格式如下:
mkimage-A arch-O os-T type-C comp-a addr-e ep-n name-d data_file image
![](../img/eep/emb/emb-47060zvnfuppk0mg.jpg)
图6 系统启动过程内存空间分布图
③ 完成Sibl加载后,内存空间分布如图6所示,系统进入启动流程的第三阶段U-boot。U-boot完成Linux内核镜像的解压缩和操作系统启动前的初始化,最终跳入内核入口地址,完成对Linux的引导。
6 系统性能分析
系统构建提供了一个完整的LPC3180嵌入式软硬件平台,下面对LPC3180浮点运算能力进行测试和分析。测试方法是使用一个浮点运算密集的算法,用 ADS编译器分别编译使能硬件VFP和软浮点运算两个版本的测试程序,并在不同的CPU时钟频率下比较运行时间,结果如表1所列。
分析实验数据,可以得出结论:VFP协处理器在相同时钟频率下,提高了5倍左右的浮点运算性能。因此,LPC3180平台结合VFP协处理器,能够实现复杂的浮点运算密集算法。在微控制器中集成硬件浮点运算单元,这使得微控制器的数据处理能力大大提高,能够胜任多数的数字信号处
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