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在MPC555中實現從RAM的快速引導
摘要：介紹了PowerPC系列微處理器的異常和中斷。同時以MPC555為例對嵌入式系統從ROM和RAM中的引導特點及技術實現方法進行了比較，給出了MPC555從RAM快速引導的實現方法。關鍵詞：MPC555；BOOT；異常向量；中斷；映射
１引言
嵌入式系統是以各種嵌入式微處理器為內核的計算機控制系統。它是計算機硬件和軟件的集合體?通常是為了嵌入到對象體系中完成某種特定功能而設計的。ＭＰＣ５５５是摩托羅拉ＭＰＣ５００ＰｏｗｅｒＰＣ精簡指令集類３２位微處理器。它能在－４５℃～１２５℃惡劣環境下工作，其工作時鐘可達４０ＭＨｚ。ＭＰＣ５５５具有強大的浮點計算處理能力并支持復雜的算法。該器件具有多個獨立的通訊和時間處理模塊，內部帶有４４８ｋ字節的ｆｌａｓｈ，因此，該產品即使在個人手中，也可隨時更新升級。ＭＰＣ５５５兼有工業標準ＪＴＡＧ和ＢＤＭ接口，從而使產品硬件和軟件的調試和試驗更加方便快捷。ＭＰＣ５５５已經在航空航天、汽車制造、繼電保護等行業得到廣泛應用。
由于在產品開發的后期，通常需要把程序用仿真器燒錄到ＲＯＭ中，但程序在ＲＯＭ中的運行速度低于在ＲＡＭ中的運行速度。為了提高程序的運行速度，往往需要在上電初始化階段把ＲＯＭ中的程序復制到ＲＡＭ中去，或者通過雙重映射把ＲＯＭ的地址映射到外部ＲＡＭ。本文以ＭＰＣ５５５為例，給出了從ＲＡＭ中將程序快速引導運行的具體實現方法。
２ＰｏｗｅｒＰＣ５５５的幾個基本概念
２．１異常與中斷
異常通常是指改變正常的程序流和機器狀態的事件。比如系統復位、遞減器過零、系統調用指令、各種總線錯誤等。當一個異常事件發生時，通常會發生一個快速的硬件設備的轉換或處理器分支到一個地址（異常向量），且一種異常類型對應一個地址的情況下。
中斷是異常的一種類型，通常由外部中斷輸入引腳或者裝置的中斷請求所引起。在ＰｏｗｅｒＰＣ結構中，所有的中斷都分享一個異常向量偏移，稱為“外部中斷”，通常映射的偏移地址為０ｘ５００。
２．２異常向量和異常向量表
異常發生后，首先被識別，然后機器的即時狀態被保存，這時處理器從某一地址開始執行，異常向量就是這個地址。與６８０００結構不同（它的向量是指針），ＰｏｗｅｒＰＣ的向量是固定的地址。每一個異常都有它自己的異常向量，異常向量等于基址和向量偏移量之和。異常基址通常是０ｘ０或者是０ｘＦＦＦ０００００，這取決于ＭＳＲ[ＩＰ]位的設置。表１所列是ＭＰＣ５５５的異常向量表。其中ＮＭＩ指的是非屏蔽性中斷。
表1異常向量表
異常的名稱異常向量MSR[IP]=0異常向量MSR[IP]=1系統復位，NMI中斷0x1000xfff00000機器校驗0x2000xfff00200外部中斷0x5000xfff00500etc.etc.etc.
表2復位配置字的選擇
RSTCONFHas配置（HC）
內部配置字
0x外部數據總線引腳DATA[0:31]11內部的默認常量（0x00000000）10內部NVM寄存器(CMFCFIG)
２．３復位配置字
在上電或者復位后，微處理器首先讀取復位配置字，復位配置字由３種啟動工作模式決定：
（１）外部數據總線引腳ＤＡＴＡ?０：３１?；
（２）內部的默認常量（０ｘ００００００００）；
（３）內部ＮＶＭ寄存器值（ＣＭＦＣＦＩＧ）；
表２給出了復位配置字的選擇方法。通常選擇第三種，即事先用仿真器把配置字寫入寄存器ＣＭ-ＦＣＦＩＧ。并用ＣＭＦＣＦＩＧ中的ＩＰ位決定程序的入口地址，若ＩＰ等于０，則入口地址為０ｘ０，若ＩＰ等于１，則入口地址為０ｘｆｆｆ０００００。
嵌入式系統的應用程序一般都是被固化在ＲＯＭ中運行的。通常可用匯編語言編寫啟動程序來完成系統的硬件以及軟件運行環境的初始化。啟動和應用程序可一起固化在ＲＯＭ中?以使系統在上電和復位時能夠自動跳轉到復位異常向量入口地址處開始執行程序。
在源文件編譯鏈接生成的目標文件中，代碼、數據放在不同的段中。而目標文件中的．ｄａｔａ段則以系統ＲＡＭ為參考地址，所以在系統啟動時需要拷貝ＲＯＭ中的．ｄａｔａ到ＲＡＭ，以完成ＲＡＭ的初始化。
３從ＲＡＭ快速引導運行的實現方法
３．１雙重映射法
如果程序被燒錄到微處理器的內部ＲＯＭ，可以通過ＭＰＣ５５５的特有功能——雙重映射法把內部ＦＬＡＳＨ的地址映射到外部ＲＡＭ，以實現快速引導運行。在使能雙重映射功能時，內部ＦＬＡＳＨ區對應的地址不起作用，而映射的外部ＲＡＭ區地址起作用。
具體操作時，首先把程序燒錄到內部ＦＬＡＳＨ，然后在上電時把程序從內部ＦＬＡＳＨ拷貝到外部ＲＡＭ，最后再使能微處理器的雙重映射功能。這樣，程序就可以在外部ＲＡＭ中運行了。圖１所示是其流程圖。具體的程序代碼如下：
ＩＮＴＶｅｃｔｏｒｓ?
／＊系統復位＊／
．ｓｋｉｐ０ｘ０１００?．ＩＮＴＶｅｃｔｏｒｓ?
ｓｔａｒｔ?
＃／＊設置ＲＡＭ和ＲＯＭ存儲區＊／
＃／＊ＯＲ２＝０ｘＦＦＦ０００００片選ＲＡＭ大小１Ｍ＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘｆｆｆ０
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ００００
ｌｉｓｒ４?ＯＲ２＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＯＲ２＠ｌ?ｒ４?
＃／＊ＢＲ２＝０ｘ０４００００３ＲＡＭ基址０Ｘ４０００００
３２位口大小＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘ４０
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ０００３
ｌｉｓｒ４?ＢＲ２＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＢＲ２＠ｌ?ｒ４?
＃／＊拷貝內部Ｆｌａｓｈ到外部ＲＡＭ＊／
ｌｉｒ６?０ｘ０
ｌｉｓｒ４?０ｘ４０
ｏｒｉｒ４?ｒ４?０ｘ００００
ｌｉｓｒ５?０ｘｆｆｆ０
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ０
ｌｏｏｐ１?
ｌｈｚｘｒ７?ｒ６?ｒ５
ｓｔｈｘｒ７?ｒ６?ｒ４
ａｄｄｉｒ６?ｒ６?０ｘ２
ｌｉｒ８?０ｘｂ００
ｃｍｐｒ６?ｒ８
ｂｎｅｌｏｏｐ１
＃／＊使ＣＳ２的片選區無效＊／
＃／＊ＢＲ２＝０ｘ０４００００３基本寄存器２＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘｆｆｆ０
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ００００
ｌｉｓｒ４?ＢＲ２＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＢＲ２＠ｌ?ｒ４?
＃／＊雙重映射使能＊／
＃／＊ＤＭＯＲ＝０ｘＦＦＦ０００００片選雙重映射區
大小２５６ｋ＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘ７０００
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ００００
ｌｉｓｒ４?ＯＲ２＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＯＲ２＠ｌ?ｒ４?
＃／＊ＤＭＢＲ＝０ｘ０４００００３雙重映射區基址
０Ｘ０３２位口大小＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘ０
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ０００５
ｌｉｓｒ４?ＢＲ２＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＢＲ２＠ｌ?ｒ４?
ｂａＩＮＴＩｎｉｔｉａｌｉｚｅ
…
３．２復制法
對于與ＭＰＣ５００同系列中的ＭＰＣ５６１和ＭＰＣ５６２等芯片，由于微處理器內部沒有ＲＯＭ，所以必須外擴ＲＯＭ。在這種情況下，可以把程序燒錄到外部ＲＯＭ，然后在上電時再把程序從外部ＲＯＭ拷貝到外部ＲＡＭ中，從而使程序能夠在外部ＲＡＭ中運行。以ＭＰＣ５５５為例的流程圖如圖２所示。
在這種方法中，程序僅在重新配置存儲區前運行在外部ＲＯＭ，而在重新配置存儲區后運行在外部ＲＡＭ中，因此提高了程序的運行速度。該方法在操作時，首先把程序用仿真器燒錄到外部ＦＡＬＳＨ，入口地址為０ｘｆｆｆ０００００，然后脫機運行。本例中，外部ＦＬＡＳＨ是１６位總線，外部ＲＡＭ是３２位總線。下面以ＭＰＣ５５５為例給出具體程序代碼。
ＩＮＴＶｅｃｔｏｒｓ?
／＊系統復位＊／
．ｓｋｉｐ０ｘ０１００－?．－ＩＮＴＶｅｃｔｏｒｓ?
ｓｔａｒｔ?
＃／＊設置ＲＡＭ和ＲＯＭ存儲區＊／
＃／＊ＯＲ２＝０ｘＦＦＦ０００００片選ＲＡＭ大小１Ｍ＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘｆｆｆ０
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ００００
ｌｉｓｒ４?ＯＲ２＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＯＲ２＠ｌ?ｒ４?
＃／＊ＢＲ２＝０ｘ０４００００３ＲＡＭ基址０Ｘ４０００００
３２位口大小＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘ４０
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ０００３
ｌｉｓｒ４?ＢＲ２＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＢＲ２＠ｌ?ｒ４?
＃／＊ＯＲ０＝０Ｘｆｆｆ８００００片選ＦＬＡＳＨ大小５１２ｋ＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘｆｆｆ８
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ００００
ｌｉｓｒ４?ＯＲ２＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＯＲ２＠ｌ?ｒ４?
＃／＊ＢＲ０＝０ｘｆｆｆ００８０３ＲＡＭ基址０Ｘｆｆｆ０００００
１６位口大小＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘｆｆｆ０
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ０８０３
ｌｉｓｒ４?ＢＲ２＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＢＲ２＠ｌ?ｒ４?
＃／＊拷貝外部Ｆｌａｓｈ到外部ＲＡＭ＊／
ｌｉｒ６?０ｘ０
ｌｉｓｒ４?０ｘ４０
ｏｒｉｒ４?ｒ４?０ｘ００００
ｌｉｓｒ５?０ｘｆｆｆ０
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ０
ｌｏｏｐ１?
ｌｈｚｘｒ７?ｒ６?ｒ５
ｓｔｈｘｒ７?ｒ６?ｒ４
ａｄｄｉｒ６?ｒ６?０ｘ２
ｌｉｒ８?０ｘｂ００
ｃｍｐｒ６?ｒ８
ｂｎｅｌｏｏｐ＿１
＃／＊重新分配存儲區＊／
＃／＊ＢＲ０＝０ｘ６００８０３＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘ６０
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ０８０３
ｌｉｓｒ４?ＢＲ０＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＢＲ０＠ｌ?ｒ４?
＃／＊ＯＲ０＝０ｘＦＦｆ８００００片選ｆｌａｓｈ５１２ｋ
１個時鐘等周期＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘｆｆｆ８
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ０００３
ｌｉｓｒ４?ＯＲ０＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＯＲ０＠ｌ?ｒ４?
＃／＊ＯＲ２＝０ｘＦＦＦ０００００片選ＲＡＭ１Ｍ＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘｆｆｆ０
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ００００
ｌｉｓｒ４?ＯＲ２＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＯＲ２＠ｌ?ｒ４?
＃／＊ＢＲ２＝０ｘｆｆｆ００００３基址０Ｘｆｆｆ０００００
３２位口大小＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘｆｆｆ０
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ０００３
ｌｉｓｒ４?ＢＲ２＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＢＲ２＠ｌ?ｒ４?
ｂａＩＮＴ＿Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ
…
４結束語
筆者對文中所介紹的以ＭＰＣ５５５為例?對從ＲＡＭ快速引導運行的兩種實現方法進行了測試對比。結果證明：程序在ＲＡＭ中的運行速度比在ＦＬＡＳＨ中提高了１倍多，因而程序運行速度得到了很大提高。
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