摘要：引導(dǎo)程序的開發(fā)是系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)的重要組成部分。針對基于8051核的某控制系統(tǒng)芯片的具體要求，提出了一種系統(tǒng)芯片引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)策略。該策略思路是：當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后,開始執(zhí)行固化在系統(tǒng)芯片中的引導(dǎo)程序，并加載存儲于片外串行接口Flash的用戶程序到片內(nèi)SRAM中；加載完成后，程序無條件跳到SRAM中執(zhí)行用戶程序。在分析該系統(tǒng)芯片組成的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了引導(dǎo)程序開發(fā)面臨的問題、解決的思路、引導(dǎo)程序的具體實(shí)現(xiàn)及開發(fā)編譯環(huán)境的配置。該方案對其它系統(tǒng)芯片引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)具有一定的參考價值。

　　1 引言

　　隨著IC設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展，芯片的設(shè)計(jì)規(guī)模越來越大，SoC已經(jīng)成為主流的設(shè)計(jì)。軟硬件協(xié)同工作是SoC的一個重要特征[2]。在SoC設(shè)計(jì)軟件中，引導(dǎo)程序又是重要組成部分。引導(dǎo)程序是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的段軟件代碼。由于SoC的系統(tǒng)資源有限，為了節(jié)省成本，引導(dǎo)程序往往固化在片內(nèi)ROM中。SoC引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)是SoC設(shè)計(jì)過程的難點(diǎn)之一，SoC的用戶程序能否正確加載和其運(yùn)行環(huán)境能否正確構(gòu)建要取決于引導(dǎo)程序能否正確的工作。

　　本文結(jié)合基于8051核的某控制SoC的硬件構(gòu)架，提出了一種系統(tǒng)芯片引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)策略，闡述了設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮的因素和解決的思路，給出了具體的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和仿真結(jié)果。

　　2 系統(tǒng)組成

　　某控制SoC 采用8 位8051 核為。該8051 核指令和MCS-51 兼容、且提供了指令地址空間可擦寫功能。8051 核具有三種地址空間：XDATA 地址空間、IDATA 地址空間、SFR 地址空間，并對應(yīng)三條總線。SoC 硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括用戶專用的IP 模塊、存儲器模塊、通用接口模塊、AD 及運(yùn)放等；其中片內(nèi)ROM 為1K 字節(jié)，程序和數(shù)據(jù)SRAM 為8 KB（XDATA地址空間），ROM 和SRAM 共同占用8051 CPU 的連續(xù)地址空間，片內(nèi)數(shù)據(jù)SRAM 為256 B（IDATA地址空間）。

　　SPI 模塊與片外串行Flash 基于SPI 協(xié)議進(jìn)行通信。SPI 模塊主要有三個寄存器：控制寄存器（SPCON），狀態(tài)寄存器（SPSTA），數(shù)據(jù)寄存器（SPDAT）。圖2 是SPI 模塊與片外Flash的接口示意圖,其中FLASH_SI 為串行數(shù)據(jù)輸入、FLASH_SDOUT 為串行數(shù)據(jù)輸出、FLASH_SCLK為串行時鐘，F(xiàn)LASH_CS 為片選（低有效）。

　　3 存在的問題

　　SoC 的加載過程如下：1）上電后，時鐘管理模塊產(chǎn)生片內(nèi)需要的時鐘和復(fù)位信號；2）復(fù)位后，CPU 執(zhí)行ROM 中的bootloader 引導(dǎo)程序，通過SPI 口將外部Flash 中的用戶程序加載到片內(nèi)8KB SRAM 中；3）加載完成后，程序指針無條件跳轉(zhuǎn)到片內(nèi)8 KBSRAM 起始地址處。

　　對于整個SoC 來說，里面的代碼包括兩個部分：引導(dǎo)程序（采用ROM 設(shè)計(jì)）、用戶程序（采用SRAM 設(shè)計(jì)）。SoC 的引導(dǎo)程序基本設(shè)計(jì)原則是在滿足系統(tǒng)要求的前提下，用戶在后續(xù)開發(fā)過程之中盡量不受引導(dǎo)程序的影響。引導(dǎo)程序主要的功能是進(jìn)行用戶程序加載、部分硬件初始化。引導(dǎo)程序一旦設(shè)計(jì)好就無法修改，用戶程序是結(jié)合SoC 應(yīng)用環(huán)境而隨時改變的。

　　引導(dǎo)程序和用戶程序都是針對8051 核而言的。在一般情況下，所有的代碼是同一個main程序下的不同模塊，二者之間有著不可分割的聯(lián)系。引導(dǎo)程序是確定的，用戶程序是不確定的，因此每次編譯，編譯器都會對代碼重新定位、變量重新分配、堆棧重新設(shè)置、中斷程序重新定位。另外，系統(tǒng)芯片的復(fù)位既可以采用外部進(jìn)行冷復(fù)位，也可以采用內(nèi)部看門狗（WATCHDOG）進(jìn)行熱復(fù)位，二者為“或”的關(guān)系。SoC 應(yīng)用系統(tǒng)要求Watchdog 復(fù)位時避免重新加載，因此在引導(dǎo)程序必須能夠記憶系統(tǒng)的冷熱復(fù)位情況。

　　4 引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)

　　為了解決ROM 代碼的確定性和將來用戶程序不確定性的矛盾，的方法是割斷引導(dǎo)程序和用戶程序之間的聯(lián)系。在該控制SoC 設(shè)計(jì)中，引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)思路是：

　　1）將引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)為一個獨(dú)立的主程序，但這個獨(dú)立的主程序的一條語句不是平常的程序返回語句“RET”，而是一條跳轉(zhuǎn)語句，從而在完成加載后將程序跳轉(zhuǎn)到用戶程序的首地址。用戶程序的首地址定義為SRAM 的首地址。

　　2）在引導(dǎo)程序中建立中斷映射表，用戶開發(fā)程序時需要將中斷入口地址重新映射，而不是采用通常8051 核的中斷入口地址。SoC 用戶程序的中斷地址由8051 核中斷地址加上ROM的地址偏移（0x400h）。

　　3）為了避免系統(tǒng)芯片熱復(fù)位時用戶程序重新加載，在片內(nèi)256 B SRAM 中設(shè)置了兩個加載完畢的標(biāo)志位。引導(dǎo)程序開始加載用戶程序前，首先對加載標(biāo)志位進(jìn)行判斷，芯片是冷復(fù)位時則進(jìn)行加載，為熱復(fù)位時則直接跳到用戶空間執(zhí)行用戶程序。當(dāng)需要加載時，則進(jìn)一步讀取Flash 中程序大小的數(shù)據(jù)，然后加載相應(yīng)大小的用戶程序。

　　4）對用戶程序進(jìn)行編譯、連接后，生成二進(jìn)制代碼或HEX 文件，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)出用戶程序的大小。片外Flash 中存儲的是用戶程序和其它數(shù)據(jù)，我們定義Flash 第零頁的第零及個數(shù)據(jù)存放用戶程序大小的數(shù)值，其中高位放在第零地址。在隨后的地址內(nèi)按順序存放用戶程序數(shù)據(jù)。

　　因此，引導(dǎo)程序須完成的主要功能如下：

　　1）建立中斷向量表：SoC 在加電復(fù)位后，程序0 地址開始執(zhí)行。當(dāng)中斷發(fā)生時，必須無條件跳轉(zhuǎn)到用戶中斷程序空間。

　　2）初始化部分硬件環(huán)境并加載用戶程序：SoC 啟動后要從片外Flash 加載程序，因此必須對SPI 模塊進(jìn)行初始化；初始化結(jié)束后按照約定的協(xié)議格式進(jìn)行程序加載。

　　3）記憶冷熱復(fù)位:判斷冷熱復(fù)位；當(dāng)熱復(fù)位時不進(jìn)行程序加載。

　　Bootloader 的主要代碼實(shí)現(xiàn)如下（采用SDCC 編譯器進(jìn)行編譯）：

　　/*中斷向量表，用于處理異常情況。在異常向量處放置無條件跳轉(zhuǎn)指令，使程序進(jìn)入相

　　應(yīng)的異常處理過程*/

　　void isr0 (void) interrupt 0 using 0 _naked

　　{_asm

　　LJMP 0x0403

　　_endasm;}

　　void isr1 (void) interrupt 1 using 0 _naked

　　{ _asm

　　LJMP 0x040B

　　_endasm;}

　　……

　　void main(void)

　　{xdata uchar *data xcode;

　　……

　　/*定義冷熱復(fù)位標(biāo)志位，并固定其地址空間*/

　　idata at 0xff unsigned char reset_flag;

　　idata at 0xfe unsigned char reset_flag2;

　　/*初始化SPI 模塊*/

　　SPCON=0x72;

　　/*冷熱復(fù)位判斷*/

　　if((reset_flag!=0x83)&&(reset_flag2!=0xeb))

　　{ /*讀取用戶程序大小的數(shù)據(jù)*/

　　……

　　/*程序加載*/

　　for(i = 0x400;i<= size.psize;i=i+1 )

　　{ SPDAT = 0;

　　while((SPSTA&0x80)==0);

　　xcode = (xdata uchar *data)(i);

　　*xcode = SPDAT; }

　　…… }

　　/*置加載成功標(biāo)志*/

　　reset_flag = 0x83 ;

　　reset_flag2 = 0xeb

　　/*跳轉(zhuǎn)到用戶程序空間*/

　　_asm

　　LJMP 0x0400

　　_endasm; }

　　圖3 是引導(dǎo)程序的軟硬件協(xié)同仿真波形（采用Modelsim 軟件）。其中用戶程序功能是：先通過UART 發(fā)送程序執(zhí)行標(biāo)志（“wdt start”），接著使能看門狗（啟動熱復(fù)位），然后等待系統(tǒng)重新啟動。仿真波形顯示，用戶程序被系統(tǒng)上電復(fù)位后，引導(dǎo)程序首先將執(zhí)行對片外用戶程序的加載(片選信號FLASH_CS 將被拉低，F(xiàn)LASH_SI 引腳出現(xiàn)串行數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH_SCLK出現(xiàn)時鐘)；接著開始執(zhí)行用戶程序，并通過UART 口輸出了程序執(zhí)行標(biāo)志（“wdt start”），并使能了WATCHDOG（WDT_ACTIVE 有效）；然后芯片被WATCHDOG 進(jìn)行了熱復(fù)位（WDT_RST 出現(xiàn)有效復(fù)位脈沖），但熱復(fù)位過程并沒有啟動用戶程序加載過程。仿真結(jié)果表明，引導(dǎo)程序能夠從片外串口Flash 中進(jìn)行程序加載，并能夠記憶冷熱復(fù)位。

　　5 開發(fā)環(huán)境設(shè)置

　　為了使得用戶程序能否正確的運(yùn)行，用戶程序編譯時必須在開發(fā)環(huán)境上做一些設(shè)置。主要是三個方面：

　　1）設(shè)置程序和數(shù)據(jù)存儲空間：用戶代碼的條指令地址為0x400。程序和數(shù)據(jù)存儲空間公用一個物理空間（地址范圍：0x400-0x23FF），用戶程序需要將其分成兩個連續(xù)的空間,低地址空間為程序存儲器,高地址空間為數(shù)據(jù)存儲器；但兩者空間范圍不能夠交叉。

　　2）中斷映射：控制SoC 芯片的中斷空間需要重新進(jìn)行映射。在KEIL C51 可設(shè)置如圖4所示。

　　3）內(nèi)部數(shù)據(jù)SRAM 大小空間設(shè)定：內(nèi)部數(shù)據(jù)SRAM(IDATA 地址空間)為256 個，引導(dǎo)程序已經(jīng)使用了0xFE、0xFF 兩個地址空間，所以留給用戶程序使用空間的大小為254 個。

　　6 結(jié)束語

　　SoC的引導(dǎo)程序是與具體的硬件環(huán)境緊密聯(lián)系在一起，針對某個SoC芯片編寫引導(dǎo)程序，必須了解該SoC結(jié)構(gòu)、片上資源及用戶的具體要求。本文給出的引導(dǎo)代碼已經(jīng)在基于8051核的某控制SoC得到具體實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，完全實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。

　　本文創(chuàng)新點(diǎn)：提出一種基于8051 核SoC 的引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)方法，該方法能夠從片外串行Flash 加載程序，并解決了中斷向量重新映射、系統(tǒng)冷熱復(fù)位等問題。該方法對其它基于8051 核設(shè)計(jì)的SoC 中具有一定的參考價值。