摘  要: 通過對title="OMAP">OMAP啟動方式的分析，針對OMAP需要從外部Flash啟動、耗時大、風險高的缺點，提出了一種多級啟動的Boot Loader設計方案。該方案通過兩級啟動，在RAM中運行Boot Loader，降低了代碼運行的風險，減小了Boot過程的耗時。實驗證明，使用該方法拷貝程序的耗時能夠減少20％左右。
關鍵詞：Boot Loader；OMAP；多級啟動

    開放式多媒體應用平臺（OMAP）是TI公司推出的，適用于下一代嵌入式終端設計的高集成度雙核心處理器。它將一顆善于進行數據處理的DSP內核與一顆控制性能很強的ARM內核集成在一個芯片中，既改進了普通DSP處理器缺乏外部控制能力的缺點，也彌補了普通ARM處理器無法進行大運算量數據處理的不足。與單核心處理器相比，OMAP雙核結構處理器能夠完成以前需要兩顆處理器才能完成的工作，可以得到更低的系統功耗與成本，因而廣泛應用于嵌入式終端中。
    Boot Loader是嵌入式系統的重要組成部分，它是在操作系統啟動之前運行的初始化加載程序，用于設置操作系統運行的硬件環境并將Flash中存儲的操作系統加載到RAM中運行。
1 OMAP的啟動方式
　OMAP多采用外部Flash啟動方式。以OMAP5910為例，它包含一顆TMS320C55x DSP核心以及一顆ARM925核心,其中MPU（ARM925）為主控核心,它可以控制DSP內核的啟動、復位等操作。OMAP5910上電時，MPU首先啟動，從地址0x00000000開始讀取指令，運行程序。一般應在0x00000000地址處放置一條跳轉指令，令其指向Boot Loader啟動程序的入口處，OMAP5910啟動后跳轉至Boot Loader程序處執行硬件環境設置及操作系統加載工作。根據OMAP5910的地址空間映射關系[1]，0x00000000地址屬于EMIFS（慢速片外存儲器接口）總線，CS0空間，用于連接外部Flash，因而OMAP5910的啟動階段的程序在外部Flash中進行取指操作。
　在實際應用中發現，如果操作系統占用空間比較大，使得Boot Loader需要從Flash中拷貝的代碼量很大，那么系統的啟動過程會耗費較長的時間。由于MPU需要在Flash中取指，又要將同一空間中其他部分的數據搬移到不同的RAM（DSP運行的內部SRAM以及MPU運行的SDRAM）中，從而使得程序取指錯誤的概率增加。經過測試發現，隨著Flash擦寫次數的增多，Flash性能下降，這種錯誤的概率會顯著增加。這種錯誤體現到應用中，就會造成整個系統在啟動過程中偶爾出現莫明其妙的死機，只能通過斷電重新啟動才能解決，因而這種啟動方式存在較大的隱患。
2 多級啟動Boot Loader
2.1 設計思想
   考慮到啟動過程中MPU需要從Flash中取指，這種操作既有風險且取指周期又長，因而應盡量減少在Flash中的取指動作。而RAM作為高速存取設備，其讀寫周期比Flash要短得多，因而將代碼拷貝過程中的指令放到RAM中進行取指操作，既能降低取指周期，又能降低載入系統時的風險。通過上述分析，可以設計一種多級載入的BOOT過程，首先用一段盡量短的程序將傳統意義上的Boot Loader拷貝到一段空白（載入操作系統時不會占用）的RAM中，之后再跳轉到RAM中的Boot Loader程序入口，執行真正的Boot Loader程序。與操作系統相比，Boot Loader程序代碼要短得多，拷貝時間基本可以忽略，因而運行風險也小很多。這段程序在Flash中運行，任務是拷貝Boot Loader程序，可以稱之為Mini Loader。
2.2 具體過程
   多級Boot Loader啟動過程分為Mini Loader、System Loader以及Flasher 3個部分。
   (1) Mini Loader
   Mini Loader在Flash中運行，其目的是從Flash中將Boot Loader程序拷貝到RAM中。為了盡量減小Flash中運行程序的數量就需要Mini Loader盡量短小，故而Mini Loader在進行拷貝動作之前只需要配置與外部總線EMIFS、EMIFF相關的寄存器。具體流程如圖1所示。同時還要注意需要設置MPU的中斷向量表0x00000000的跳轉地址為Mini Loader的程序入口。

    (2) System Loader
    該部分為傳統意義上的Boot Loader過程，完成硬件環境相關設置及初始化，并將操作系統載入到RAM中運行。需要注意的是,MPU本身的中斷向量表須載入到內部SRAM中，其他操作系統部分可以載入到外部SDRAM中。
　由于OMAP平臺為雙核心結構，因此 System Loader除了需要載入MPU系統本身之外，還需要配置DSP的載入及啟動過程。DSP有3種啟動方法:Flash引導方式與ARM載入方式，參考文獻[2]對這兩種方式進行了對比分析。本設計采用ARM載入方式，這樣可以通過ARM動態配置DSP部分的代碼，控制DSP核心的處理流程。與參考文獻[2]所不同的是，本方法中DSP程序采用與MPU操作系統相同的方式存儲，也存入Flash中，而不是作為常量數組編入Boot Loader程序中，這種方式較參考文獻[2]中的方法更加便于管理，單獨對DSP程序進行升級也更加方便，而且減小了System Loader的程序長度，更有利于多級啟動方式。
　因為OMAP本身的GPIO（MUPIO）有限，所以大多設計都要采用FPGA作為外圍擴展控制器，用來擴展更多的控制端口以及通信端口。一般FPGA本身無法存儲程序，其程序存儲在片外ROM中，FPGA上電之后可以通過多種方式自行加載到ROM中運行。本設計通過MPU加載FPGA程序，并將FPGA固件程序也存儲于同一Flash中，這樣省去了一片FPGA專用ROM，既方便代碼管理，又降低了硬件成本和設計復雜度。以XILINX公司的XC2S系列FPGA為例，其加載程序時可采用串行加載模式，選擇FPGA為從模式，將OMAP本身的MCBSP配置為SPI主模式，工作于時鐘停止模式，包含一個時鐘周期延時，輸出時鐘信號高有效，采用幀同步模式，每個數據幀8 bit。給FPGA載入程序時，要將存儲于Flash中的FPGA程序代碼讀出，由于XILINX開發工具ISE輸出的HEX文件以字節（8 bit）為單位，而Flash中存儲的內容以雙字（32 bit）為單位（由ARM指令長度而定），因而從Flash中讀出32 bit的數據之后需要按照從高到低的字節順序發送。而且，ISE的HEX文件每字節bit排列順序與MCBSP的傳輸順序正好相反，因此每個字節內部需要將bit反向重排。
　System Loader流程如圖2所示，啟動順序與本小節所述順序正好相反，這是因為FPGA一般多用于進行硬件設備的控制，所以需要最先啟動；而DSP由于其自身特點，多用于數據處理工作，作為MPU的協處理器使用，因此需要在MPU操作系統啟動之前做好準備。

   (3)Flasher
　Flasher過程主要負責向Flash中燒寫編譯好的程序目標碼，主要包括Boot Loader、MPU、DSP、FPGA等部分。采用RS232串行端口與主機相連，實現程序目標碼的下載。傳輸協議采用大多數編譯器都支持的Intel Hex格式[5]。Intel Hex格式采用ASCII字符表示方式，這樣程序目標碼的每個字節需要用2個ASCII字符來表示，包含冗余信息較大，而且Intel Hex格式僅含目標碼的地址信息與具體內容，而無法區分目標碼的類別,因而需要對Intel Hex進行擴展，以降低冗余并支持更多的操作。擴展的Hex不使用ASCII字符，而直接使用原數據格式，這樣可以降低一半數據量。為了與Intel Hex格式有所區分，采用“；”作為前綴標識，格式如表1所示。同時對數據類型進一步擴展，用以區分各種目標碼類別，如表2所示。

   可以看出，表2中僅包括擦除各種類型目標碼的指令，而沒有包含寫入目標碼時區分類別的具體指令，這是因為寫入時各種不同類型的目標碼可以直接通過地址來區分，每種類型目標碼都有自己單獨的地址段，相互之間沒有交叉。Flasher流程如圖3所示，通過解析Hex記錄格式，來判斷命令類型，從而進行相應的操作。其中校驗模式用于驗證Flash中所存儲的程序代碼是否與串行端口上收到的數據一致。所有程序更新結束之后，通過重新啟動命令復位OMAP芯片，使整個系統重新啟動。   

    　　
3 拷貝程序耗時對比測試
   采用Intel公司RD48F3000P0ZBQ0 Flash存儲器以及三星K4M56163PG移動版SDRAM與OMAP5910相連，組成OMAP5910運行所需的最小系統，OMAP運行頻率144 MHz。分別采用傳統啟動方式（程序在Flash中運行）以及本文所述的啟動方式（程序在RAM中運行）從Flash中拷貝相同長度的數據到SDRAM中，測試其耗時。每次拷貝數據量選取64 KB～8 192 KB，每種數據量每種方式測試5次，具體時間如表3所示，其中表3（a）為程序在RAM中運行時的耗時，表3（b）為程序在Flash中運行時的耗時。由表中數據對比可以看出，拷貝數據量較大時，本文中所述的RAM拷貝方式優勢比較明顯，有大約20％的提高，對于目前的嵌入式操作系統來說，基本內核的代碼量都比較大，因而采用本文所述的方式能夠帶來比較大的耗時改善。

　OMAP作為一種整合了ARM控制能力與DSP數據處理能力的雙核心處理器已經廣泛應用于各種嵌入式設備中，但大多數OMAP處理器通過外部Flash啟動，既浪費時間又有較高風險。本文針對OMAP啟動過程中的這一缺陷，設計的多級啟動Boot Loader較之傳統方式有較大的性能改善，目前已在數字集群手持終端、網絡多媒體可視電話等項目中得到成功應用，并取得很好的效果。
　　
參考文獻
[1] Texas Instruments OMAP5910 dual-core processor technical reference manual. 2003.
[2] 呂喜在，蘇紹 ，黃飛，等，開放式多媒體應用平臺OMAP5910雙核程序裝載方法[J]. 微計算機信息，2005，21（9-2）：94-95.
[3] 李興紅.基于OMAP的嵌入式系統開發[J].數據采集與處理，2008,23:181-184.
[4] 李毅，李連云，張偉宏等.Bootloader面向不同結構Flash的實現[J].計算機工程，2008,34(4)：82-86.
[5] Intel  Corporation. . Intel hexadecimal object file format specification revision A. 1988.
[6] 張石，常皓，佘黎煌，等. 基于OMAP5910的移動媒體播放機設計[J]. 電子技術應用，2007，33(2)：27-29.