1.引言
隨著嵌入式相關技術的迅速發展，嵌入式系統的功能越來越強大，應用接口更加豐富，根據實際應用的需要設計出特定的嵌入式最小系統和應用系統，是嵌入式系統設計的關鍵。目前在嵌入式系統開發的過程中，開發者往往把大量精力投入到嵌入式微處理器MPU(Micro Processing Unit)與眾多外設的連接方式以及應用代碼的開發之中，而忽視了對嵌入式系統最基本、最核心部分的研究。
當前在嵌入式領域中，ARM(Advanced RISC Machines)處理器被廣泛應用于各種嵌入式設備中。由于ARM嵌入式體系結構類似并且具有通用的外圍電路，同時ARM內核的嵌入式最小系統的設計原則及方法基本相同，這使得對嵌入式最小系統的研究在整個系統的開發中具有著至關重要的意義。本文以基于ARM的嵌入式最小系統為平臺，從硬件和軟件兩方面對嵌入式最小系統的架構進行了研究，硬件方面主要介紹了ARM處理器與典型外部存儲器的接口技術，軟件方面重點就嵌入式最小系統的啟動架構做了詳細分析。
2. 嵌入式最小系統
嵌入式最小系統即是在盡可能減少上層應用的情況下，能夠使系統運行的最小化模塊配置。對于一個典型的嵌入式最小系統，以ARM處理器為例，其構成模塊及其各部分功能如圖1所示，其中ARM微處理器、FLASH和SDRAM模塊是嵌入式最小系統的核心部分。
時鐘模塊——通常經ARM內部鎖相環進行相應的倍頻，以提供系統各模塊運行所需的時鐘頻率輸入
Flash存儲模塊——存放啟動代碼、操作系統和用戶應用程序代碼
SDRAM模塊——為系統運行提供動態存儲空間，是系統代碼運行的主要區域
JTAG模塊——實現對程序代碼的下載和調試
UART模塊——實現對調試信息的終端顯示
復位模塊——實現對系統的復位
3. 外存儲器接口技術
ARM處理器與外部存儲器（Flash和SDRAM）的接口技術是嵌入式最小系統硬件設計的關鍵。根據需要選擇合理的接口方式，可以有效的提升嵌入式系統的整體性能。
3.1常用外存儲器簡介
（1）Nor Flash與Nand Flash
Nor Flash也稱為線性Flash，可靠性高、隨機讀取速度快，具有芯片內執行(XIP， eXecute In Place)的特點，這樣應用程序可以直接在Flash閃存內運行，不必再把代碼讀到系統RAM中。常用在擦除和編程操作較少而直接執行代碼的場合。
Nand Flash則是高數據存儲密度的理想解決方案,一般用于數據存儲和文件存儲,以塊為單位進行擦除，具有擦除速度快的優點。
（2）同步動態存儲器SDRAM
SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory）是在早期DRAM的基礎上改進而來的，它是同步內存，并在接口信號中引入了CLK信號，所有數據、地址和控制信號都是和CLK上升沿對齊的。此外SDRAM還在內部引入了一個命令控制器，處理器訪問SDRAM都是通過向命令控制器發送命令來實現的。
3.2 ARM處理器與Flash接口技術
3.2.1ARM處理器與Nor Flash接口技術
Nor Flash 帶有SRAM接口,有足夠的地址引腳，可以很容易的對存儲器內部的存儲單元進行直接尋址。在實際的系統中，可以根據需要選擇ARM處理器與Nor Flash的連接方式。圖2給出了嵌入式最小系統在包含兩塊Nor Flash的情況下，ARM處理器與Nor Flash兩種不同的連接方式。
1）雙Flash獨立片選
該方式是把兩個Nor Flash芯片各自作為一個獨立的單元進行處理。根據不同的應用需要，可以在一塊Flash中存放啟動代碼，而在另一塊Flash中建立文件系統，存放應用代碼。該方式操作方便，易于管理。
（2）雙Flash統一片選
該方式是把兩個Nor Flash芯片合為一個單元進行處理，ARM處理器將它們作為一個并行的處理單元來訪問，本例是將兩個8bit的Nor Flash芯片SST39VF1601用作一個16bit單元來進行處理。對于N(N>2)塊Flash的連接方式可以此作為參考。
3.2.2ARM處理器與Nand Flash接口技術
Nand Flash接口信號比較少，地址，數據和命令總線復用。Nand Flash的接口本質上是一個I/O接口，系統對Nand Flash進行數據訪問的時候，需要先向Nand Flash發出相關命令和參數，然后再進行相應的數據操作。ARM處理器與Nand Flash的連接主要有三種方式，如圖3所示：
運用GPIO管腳方式去控制Nand Flash的各個信號，在速度要求相對較低的時候，能夠較充分的發揮NAND設備的性能。它在滿足NAND設備時域需求方面將會有很大的便利，使得ARM處理器可以很容易的去控制NAND設備。該方式需要處理器提供充足的GPIO。
（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
嵌入式最小系統的外部動態存儲器模塊一般采用SDRAM。現在的大多數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。在實際開發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存儲器容量要求不高的嵌入式系統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. 嵌入式系統啟動架構
啟動架構是嵌入式系統的關鍵技術。掌握啟動架構對于了解嵌入式系統的運行原理有著重要的意義。嵌入式系統在啟動時，引導代碼、操作系統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，在嵌入式系統啟動引導的過程中會有多種情況出現，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，而操作系統本身也多以壓縮映象方式存儲，所以啟動代碼在執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具有芯片內執行（XIP，eXecute In Place）的特點，在嵌入式系統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、操作系統和應用代碼共存于同一塊Nor Flash中。系統上電后，引導代碼首先在Nor Flash中執行，然后把操作系統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中執行引導代碼和操作系統，而只將應用代碼加載到SDRAM中執行。
該架構充分利用了Nor Flash芯片內執行的特點，可有效提升系統性能。不足在于隨著操作系統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(操作系統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。
系統上電后，引導代碼直接在Nor Flash中執行，把Nand Flash中的操作系統和應用代碼加載到速度更高的SDRAM中執行。也可以在Nor Flash中執行引導代碼和操作系統，而只將Nand Flash中的應用代碼加載到SDRAM中執行。該架構是當前嵌入式系統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，然后開始執行該段引導代碼，從而完成對操作系統和應用程序的加載。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，在實際開發中較少使用。
5. 結束語
本文作者創新點：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典型的啟動架構及其選擇標準。
參考文獻:
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［2］ 張崙.32位嵌入式系統硬件設計與調試［M］.北京:機械工業出版社, 2005.60-61.
［3］ NAND Flash Applications Design Guide［EB/OL］. http://www.toshiba.com.