一种支持ISP的Flash在嵌入式设计中的应用

1 引言
    在基于VxWorks的嵌入式系统开发过程中，板卡支持包BSP(Board Support Package)的开发是非常重要而又闲难的一个环节。因为不能确定硬件系统是否正常丁作，而后续应用开发都是以此为基础。
    在实际开发中，为了提高开发效率，大多是采用以一个与目标板硬件相似的BSP为模板，并在此基础上修改移植。在这个过程中．除了CPU以外，另一个重要的器件就是装有启动程序的Flash器件。

2 系统介绍
    采用高性能PowerPC系列器件PPC440EPx为核心设计的一款符合CPCI标准的嵌入式单板计算机系统。
    该系统集成了丰富的外设接口和调试接口，可用于设备控制、设备管理、通信设备中的通信控制、协议处理、路由处理和网关处理等。其主要是面向航空设备和军用车载设备的应用。
    在调试阶段，系统的启动是通过执行Boot Flash中存储的bootrom映像文件完成的。Boot Flash器件采用ST公司的PSD835，通过EBC总线与PPC440EPx相连。EBC总线是PPC440EPx的并行总线。其可以与8位，16位或32位的外部设备通信，最多可支持6个不同时序要求的设备。其中，片选0分配给Boot Flash。上电时，PowerPC会自动访问BootFlash，进行系统初始化。操作系统是VxWorks，其映像文件放在NAND Flash中。

3 软件开发流程
    软件系统的开发流程是：首先设计bootrom映像文件，并将其烧写到Flash器件中(该器件称为Boot ROM)。上电后，bootrom程序进行相应初始化后与Host主机通信，将操作系统映像文件下载到嵌入式系统平台的RAM中运行。如果程序不正确或需更新，则重新通过bootrom程序将新的映像文件下载到RAM中。
    当所有程序都调试成功，整个系统作为产品发布。此时，则需将操作系统和应用程序映像文件烧写到在大容量的flash器件中(如NAND Flash)，系统自动将从Flash中复制到RAM中执行。[!--empirenews.page--]

4 bootrom设计方案的选择
    bootrom应是一个短小精悍的程序，可初始化系统工作和通信接口(通常是串行接口和以太网接口)；系统作为产品发布无需bootrom程序；调试 bootrom时，需频繁地将修改后的映像文件烧写到Boot ROM中。实现该Boot ROM电路有多种方案，如表1所示．

    方案1是传统设计方案，成本低，可选择的Flash器件多。但在调试bootrom时，更新程序非常不方便。需要焊装Flash器件，很容易导致器件和 PCB板的物理损坏，而且效率非常低；而方案2从逻辑电路上来看，与方案1是一样的。但其由于其使用夹具，器件装卸简单，程序更新比方案1方便。但夹具成本较高，可靠性差，并且一般夹具体积较大，这就增加了PCB的布局、布线难度。上述两种方案，Flash的编程都需从PCB上取下，用编程器烧写。显然，这样的工作效率较低。方案3则采用支持ISP功能的Flash器件来实现Boot ROM，这就使得程序更新变得非常方便，极大提高工作效率。因此，根据嵌入式开发实际情况，为节约成本、提高工作效率，该系统设计选择方案3。考虑到 bootrom映像文件一般较小，选用ST公司的512 KB的Flash器件PSD835。[!--empirenews.page--]

5 PSD835在嵌入式系统中的应用
5．1 硬件电路设计
    该系统使用PSD835的主Flash作为Boot ROM。同时，还使用该器件的PLD资源实现一些控制和初始化配置功能。如图1所示，PSD835的存储器通过其CPU接口与PPC440EPx的外部总线接口(EBC)相连。

    连接电路比较简单，只需将EBC的片选信号、读信号、地址和数据信号分别与PSD835的对应引脚相连即可。其他引脚被该器件的PLD使用，主要完成串口工作模式、PPC440EPx启动方式、片选信号的设置，以及网络控制信号的产生等功能。
    在设计实际硬件电路时，应注意以下几点：
    (1)因为最终产品要通过NAND Flash启动，因此片选0可通过拨码开关或CPLD分别在PSD835和NAND flash的片选信号之间切换。PPC440EPx有8个bootstrap选项(设置CPU的时钟、启动、寄存器的初始值等)，可以使用CPLD进行改变；
    (2)PPC440EPx的EBC总线无复用地址和数据信号。因此，数据总线与F端口相连。低16位的地址总线与PSD835的ADIO15～AD100相连，高位地址与A端口相连；
    (3)PPC440EPx的EBC的数据总线的最高位是Data0，地址总线的最高位是Addr2。连接时，注意不要将顺序接反；
    (4)为了提高编程速度，添加了2个JTAG信号：TERR和TSTAT。[!--empirenews.page--]
5．2 PSD835的功能和编程设计
    PSD835的Flash编程和PLD逻辑功能的实现，需要使用FlashLINK下载线(硬件)和PSDsoft EXPRESS(软件)。FlashLINK其实就是一个JTAG和并口的转换器；PSDsoftEXPRESS是PSD系列器件的设计软件。利用该工具软件定义器件的引脚功能、映射存储器、配置PLD等。所有的定义和配置与程序固件一起生成obj文件。该文件通过FlashLINK下载到PSD器件中。另外，利用该工具软件还可以完成擦除、校验、上载、空白检查等功能。而整个设计过程也非常简单，只需根据其设计流程简单点击鼠标即可完成PSD设计。图2 为PSD设计流程。

    根据该系统设计简单描述如下：首先建立一个丁程文件。然后根据实际电路在下拉框中选择厂家和CPU型号，以及将用到的控制信号，再选择使用的PSD器件型号和封装。最后定义CPU和PSD连接的方式(即8位或16位总线模式，复用或非复用总线等等)。
    该系统使用AMCC公司的PPC440EPx型CPU，下拉框中无该选项。这时可选择other，控制信号根据EBC总线的定义选择RD和WR。PSD与CPU数据总线为8位，地址和数据无复用，未使用ALE信号。
    在设计阶段所做的设置较多，首先，定义电路中所使用的引脚。定义其名字、引脚是CPLD的输入还是输出，或是CPU的I／O；同时还要配置该引脚是组合逻辑还是时序逻辑；定义页寄存器的使用。系统中EBC的地址信号线足够多，因此将页寄存器作为PLD的输入信号；定义PSD器件内部存储器、寄存器的地址映射以及片选信号的逻辑表达式。因为本系统使用512 KB的主Flash存放启动代码，因此，其地址空间被定义在0xFFF80000～0xFFFFFFFF(BSP中定义)。实际电路设计时，为了简化设计，只使用20根地址信号线。因此，将主Flash地址定义在0x80000～0xFFFFF。则片选fs0在0x80000～0x8FFFF，则片选 fs1在0x90000～0x9FFFF。以此类推片选fs2～fs7的地址空间。其他的存储空间可分配在0x00000～0x7FFFF。片选信号的逻辑表达式为将EBC总线片选0取反；定义输出信号以及内部节点信号的逻辑。这实际上就是完成CPLD功能的设计。
    附加定义中可设置安全位、用户代码、设置页保护。如果设置安全位，所有编程工具将不能访问PSD的内容。用户代码用于版本管理。对于具有保护功能的页， CPU就只能对其进行读操作(通过JTAG口或编程器改变其内容)。适配是检查器件是否能满足上述的各种配置，同时产生相应的报告文件。启动代码 bootrom．hex文件和上述的各种配置融合为一个．obj文件。设计中需要注意：bootrom映像文件不能太大(不能超过512 KB)；主Flash的8个页都要指向同一个映像文件；映像文件的名字bootrom．hex最好改为不是以hex为后缀(如改为bootrom．a)，否则会出错。将生成的．obj文件烧写到器件内部。正确完成上述流程就可调试程序。

6 结论
    从PSD835的数据手册可知，该器件主要是应用于16位的单片机系统。该系统设计根据嵌入式系统中 BSP开发以及PSD835器件的特点，将该器件灵活运用于基于32位RISC器件PPC440EPx的嵌入式系统中，降低BSP的开发难度，提高工作效率。以此为基础实现的CPCI单板计算机已成功应用于某航载数据采集分析记录仪。