引言

SD/MMC存儲器以其成本低廉、存儲容量大、性能優(yōu)良、安全性高等特點(diǎn)越來越廣泛地應(yīng)用于便攜式設(shè)備和家用電子設(shè)備。目前很多移動嵌入式產(chǎn)品采用了外置Nor Flash作為Boot Flash外加SD存儲器作為擴(kuò)展存儲容量的系統(tǒng)方案，或者利用芯片的管理與非器件和MMC存儲器進(jìn)行啟動的方法，這些傳統(tǒng)的啟動方案都會使用到兩種或以上的存儲介質(zhì)，大大增加了芯片互聯(lián)的不穩(wěn)定性，增大了系統(tǒng)面積和成本。本文全面考慮嵌入式芯片啟動過程中涉及到的軟、硬件問題，基于AMBA總線架構(gòu)，通過硬件語言設(shè)計、軟件仿真，以及FPGA驗(yàn)證，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種基于SD/MMC存儲器的直接啟動方案，使得設(shè)計者可以使用SD/MMC作為單一的、非易失性的存儲介質(zhì)，使系統(tǒng)的成本更低、性能更優(yōu)、擴(kuò)展性更強(qiáng)。

系統(tǒng)架構(gòu)及軟、硬件設(shè)計

SoC的啟動設(shè)計是一個系統(tǒng)且復(fù)雜的過程，需要根據(jù)總線技術(shù)綜合考慮構(gòu)建整個系統(tǒng)架構(gòu)。本文中SD/MMC存儲器的直接啟動方案基于AMBA總線架構(gòu)，除了設(shè)計SD/MMC啟動控制器，還需要協(xié)調(diào)內(nèi)核、ESRAM(片上存儲器)、EMI(外部存儲器接口)、PMU(功耗管理單元)、DMA(直接存儲器存取)等完成整個啟動過程。如圖1所示，內(nèi)核、ESRAM、EMI連接在高速AHB總線上，DMA模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在外設(shè)和存儲器之間的直接傳輸，PMU和INTC(中斷控制器)連接在APB總線上，SD/MMC控制器實(shí)現(xiàn)對SD/MMC存儲介質(zhì)的操作。

圖1    SD/MMC直接啟動系統(tǒng)架構(gòu)框圖

直接啟動方案由軟、硬件兩部分組成，對SD/MMC存儲介質(zhì)完成初始化之后由DMA控制器將啟動代碼載入到芯片內(nèi)置存儲空間ESRAM，并且將ESRAM映射到零地址，內(nèi)核開始執(zhí)行指令；軟件代碼實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動配置，完成硬件初始化，設(shè)置中斷向量表，配置系統(tǒng)時鐘、中斷控制器、內(nèi)存控制器、DMA控制器等，并且完成堆棧設(shè)置以及地址重映射等功能。

系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計

為了成功實(shí)現(xiàn)從SD/MMC存儲器的啟動，在整個硬件系統(tǒng)中考慮以下幾個方面的實(shí)現(xiàn)：

1. 對于不同的啟動模式，在上電復(fù)位以后，需要對AMBA總線的地址譯碼電路進(jìn)行不同的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)不同的零地址映射。

2. 在功耗管理模塊中應(yīng)保證系統(tǒng)啟動時與啟動相關(guān)的功能模塊如ESRAM、DMA、SD/MMC控制器的時鐘是默認(rèn)打開的。

3. SD/MMC存儲器在上電之后需要進(jìn)行初始化配置，因而在上電之后，默認(rèn)由DMA控制總線，直到完成數(shù)據(jù)載入的傳輸之后釋放總線，CPU核從零地址開始執(zhí)行程序。

4. 由于啟動過程中涉及到通過DMA實(shí)現(xiàn)代碼的搬運(yùn)，因而DMA的初始參數(shù)配置和時序配置應(yīng)滿足完成代碼傳輸?shù)男枰?/p>

5. 由于SD/MMC啟動對于程序員的設(shè)計而言是一個黑盒子，因而在保證啟動控制器設(shè)計穩(wěn)定性的同時，應(yīng)該考慮設(shè)計中友善的接口，在啟動失敗時應(yīng)有指示信號以便于程序員調(diào)試。

啟動方案的硬件設(shè)計

SD/MMC控制器的頂層設(shè)計如圖2所示，為了實(shí)現(xiàn)上電啟動以后，SD/MMC控制器模塊對SD/MMC存儲器的初始化以及數(shù)據(jù)載入，在已有的代碼基礎(chǔ)上加入SD/MMC啟動控制器，新建SD/MMC_頂層設(shè)計實(shí)現(xiàn)兩個模塊的連接。作為整個芯片設(shè)計的啟動方案之一，模塊設(shè)計中采用Boot_en信號作為使能信號，并在啟動失敗時輸出Boot_error信號作為芯片調(diào)試信號。

圖2    SD/MMC控制器的頂層設(shè)計

硬件設(shè)計的啟動控制器對存儲卡進(jìn)行初始化，并且通過初始化過程中存儲卡對初始化命令的不同響應(yīng)，判斷存儲卡的種類，完成單線多塊(4K)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖3     硬件啟動控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

硬件啟動控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示，在系統(tǒng)上電復(fù)位和時鐘穩(wěn)定之后，硬件啟動控制器進(jìn)入BOOT_IDLE狀態(tài)對Boot_en信號采樣，當(dāng)信號有效則進(jìn)入START狀態(tài)，否則進(jìn)入IDLE狀態(tài)；在START狀態(tài)首先檢查是否有SD/MMC卡連接在卡槽上，之后完成模塊輸入時鐘配置、清除狀態(tài)寄存器、更新輸出時鐘等操作，此時應(yīng)注意將初始化過程中的輸出時鐘頻率設(shè)定在低于400kHz；在完成以上設(shè)置之后發(fā)送CMD0命令，應(yīng)考慮到在上電后存儲卡需要初始化延時(74個輸出時鐘周期，最大時間不超過1ms)，因而在CMD0發(fā)送之前等待80個時鐘時鐘周期；由于CMD0沒有返回值，因而在命令發(fā)送完成后需要等待至少8個輸出時鐘周期，進(jìn)入CRESET_SDAPPCMD狀態(tài)，發(fā)送CMD55命令，如果接收到響應(yīng)，則表示SD卡連接在卡槽上，進(jìn)入CRESET_SDOPCOND狀態(tài)，繼續(xù)完成ACMD41命令的發(fā)送，倘若命令發(fā)送超時，說明卡槽中連接的是MMC卡，進(jìn)入CRESET_MMC狀態(tài)發(fā)送CMD1命令；對ACMD41或者CMD1在命令線上返回的OCR寄存器值，如果包含Busy位(置0)，表示顯示卡仍然在上電啟動或者重啟過程，還沒有為后面的初始化準(zhǔn)備好通信，需要重新發(fā)送命令，直到Busy位被清除(置1)，進(jìn)入READY狀態(tài)。

對于單張卡，上電啟動過程的最大周期不可以超過1s，所以當(dāng)命令返回錯誤的時間或者Busy未被清除的時間超過1s時，則判定啟動過程失敗，進(jìn)入IDLE狀態(tài)并且顯示Boot_error；在READY狀態(tài)發(fā)送CMD2命令，獲取存儲卡的CID信息，之后進(jìn)入IDENT狀態(tài)，針對已經(jīng)判定的存儲卡類型，對SD存儲卡發(fā)送CMD3命令獲取RCA，對MMC存儲卡則通過CMD3命令指定RCA；當(dāng)完成CMD3的發(fā)送后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入STANDBY狀態(tài)，此時可以更新輸出時鐘，使存儲卡工作于更高的工作頻率，并發(fā)送CMD7命令將存儲卡的狀態(tài)由等待(stand_by)轉(zhuǎn)換到傳輸(transfer)；在TRANS狀態(tài)，設(shè)置SD/MMC控制器的發(fā)送FIFO和接收FIFO閾值、發(fā)送數(shù)據(jù)的大小，并發(fā)送CMD17及CMD12用于傳輸4K數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)錯誤或讀數(shù)據(jù)超時，將會顯示Boot_error。

表1    SD/MMC啟動控制器的發(fā)送命令

整個啟動過程中涉及到的SD/MMC命令如表1所示。

圖4     軟件啟動流程

啟動方案的軟件流程

方案的軟件啟動流程如圖4所示，在SD/MMC控制器完成數(shù)據(jù)的載入之后，CPU核獲得AMBA總線的控制權(quán)，開始執(zhí)行啟動程序。首先在零地址讀取中斷向量異常表，顯示切換到SVC模式，這時應(yīng)該禁止所有中斷，包括中斷控制器的IRQ和FIQ中斷，以及屏蔽CPU核中的中斷使能位。由于啟動數(shù)據(jù)載入之后，SD/MMC控制器和DMA控制器會指示出相應(yīng)中斷狀態(tài)，此時應(yīng)先清除中斷狀態(tài)，再配置PMU和EMI控制器，使系統(tǒng)切換到正常工作狀態(tài)。此時可以從SD/MMC存儲器將體積更大的可執(zhí)行鏡像文件載入到速度和容量更大的DDRAM中，配置重映射寄存器之后，在新的存儲介質(zhì)DDRAM中運(yùn)行可執(zhí)行文件。

仿真結(jié)果及FPGA驗(yàn)證

用RTL級的Verilog HDL實(shí)現(xiàn)硬件代碼，并完成啟動軟件的設(shè)計后，采用兩種方式對設(shè)計進(jìn)行了功能和時序的驗(yàn)證。一是使用Synopsys公司的EDA工具VCS進(jìn)行了模擬測試，二是在FPGA上進(jìn)行物理驗(yàn)證測試。

圖5    硬件初始化及數(shù)據(jù)載入仿真波形圖

軟件模擬

進(jìn)行模擬時，采用系統(tǒng)級仿真，通過加載可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼，仿真整個系統(tǒng)啟動過程的實(shí)際環(huán)境。由于受仿真模型的限制，在測試過程中需要將可執(zhí)行的代碼寫入SD/MMC Model，然后重新啟動系統(tǒng)。在重置RESET信號的同時，更改系統(tǒng)啟動模式，如圖5所示， 在15000000ns時刻，系統(tǒng)重置，SD/MMC啟動控制器在完成對卡的初始化之后，在18000000ns時，DMA開始數(shù)據(jù)載入。

圖6    軟件啟動仿真波形圖

如圖6所示，在30400000ns，數(shù)據(jù)傳輸完成，AMBA的控制權(quán)由DMA(圖6中hgrant_m8)轉(zhuǎn)交給CPU內(nèi)核(圖6中hgrant_m1)，在完成系統(tǒng)的初始化配置之后，再次從SD/MMC存儲器中讀出可執(zhí)行的工程鏡像或內(nèi)核操作代碼。由仿真波形可見，模擬結(jié)果正確，滿足設(shè)計要求。

物理驗(yàn)證

受實(shí)驗(yàn)條件所限，在FPGA驗(yàn)證過程中采用Altera公司Nios II嵌入式處理器，通過Avalon-AHB模塊將處理器接口的Avalon總線信號轉(zhuǎn)換到AHB總線，盡可能保證物理實(shí)驗(yàn)與仿真環(huán)境的一致性。去掉功耗控制器而簡單的采用PLL倍頻提供系統(tǒng)時鐘，另外由于EMI控制模塊涉及到FPGA中不可實(shí)現(xiàn)的專用時鐘電路，因而實(shí)驗(yàn)中省略了外部存儲器模塊和地址重映射過程，主要側(cè)重于數(shù)據(jù)傳輸和Boot Loader的驗(yàn)證。

圖7     FPGA驗(yàn)證平臺構(gòu)架框圖

FPGA驗(yàn)證平臺采用Altera Stratix II FPGA和外接SD/MMC卡槽，存儲卡采用Kingston公司的SD卡和Kingmax公司的MMC卡，如圖7所示。采用Synplify Pro綜合，Quartus II 作為下載工具。
表2      Quartus綜合報告

如表2所示，原始控制器中增加SD/MMC啟動控制器所占用的資源不超過20%，即可獲得一種高效的啟動方式。

FPGA調(diào)試中采用8MHz系統(tǒng)時鐘，在9ms內(nèi)完成載入4KB啟動代碼，通過向監(jiān)視寄存器中寫入標(biāo)志位，判定系統(tǒng)啟動負(fù)載過程運(yùn)行正常，通過對比載入前后的啟動代碼，可以判定整個硬件啟動代碼載入正確。通過FPGA板級硬件調(diào)試證明，設(shè)計啟動方案功能正確，驗(yàn)證結(jié)果滿足設(shè)計需求。

結(jié)語

通過軟件仿真和FPGA驗(yàn)證，基于SD/MMC單一存儲器的啟動方案能夠正確的實(shí)現(xiàn)代碼載入和程序啟動，啟動速度和效率都能滿足工程需求，在SoC中實(shí)現(xiàn)了低成本、高效率的直接啟動。