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在MPC555中实现从RAM的快速引导
摘要：介绍了PowerPC系列微处理器的异常和中断。同时以MPC555为例对嵌入式系统从ROM和RAM中的引导特点及技术实现方法进行了比较，给出了MPC555从RAM快速引导的实现方法。关键词：MPC555；BOOT；异常向量；中断；映射
１引言
嵌入式系统是以各种嵌入式微处理器为内核的计算机控制系统。它是计算机硬件和软件的集合体?通常是为了嵌入到对象体系中完成某种特定功能而设计的。ＭＰＣ５５５是摩托罗拉ＭＰＣ５００ＰｏｗｅｒＰＣ精简指令集类３２位微处理器。它能在－４５℃～１２５℃恶劣环境下工作，其工作时钟可达４０ＭＨｚ。ＭＰＣ５５５具有强大的浮点计算处理能力并支持复杂的算法。该器件具有多个独立的通讯和时间处理模块，内部带有４４８ｋ字节的ｆｌａｓｈ，因此，该产品即使在个人手中，也可随时更新升级。ＭＰＣ５５５兼有工业标准ＪＴＡＧ和ＢＤＭ接口，从而使产品硬件和软件的调试和试验更加方便快捷。ＭＰＣ５５５已经在航空航天、汽车制造、继电保护等行业得到广泛应用。
由于在产品开发的后期，通常需要把程序用仿真器烧录到ＲＯＭ中，但程序在ＲＯＭ中的运行速度低于在ＲＡＭ中的运行速度。为了提高程序的运行速度，往往需要在上电初始化阶段把ＲＯＭ中的程序复制到ＲＡＭ中去，或者通过双重映射把ＲＯＭ的地址映射到外部ＲＡＭ。本文以ＭＰＣ５５５为例，给出了从ＲＡＭ中将程序快速引导运行的具体实现方法。
２ＰｏｗｅｒＰＣ５５５的几个基本概念
２．１异常与中断
异常通常是指改变正常的程序流和机器状态的事件。比如系统复位、递减器过零、系统调用指令、各种总线错误等。当一个异常事件发生时，通常会发生一个快速的硬件设备的转换或处理器分支到一个地址（异常向量），且一种异常类型对应一个地址的情况下。
中断是异常的一种类型，通常由外部中断输入引脚或者装置的中断请求所引起。在ＰｏｗｅｒＰＣ结构中，所有的中断都分享一个异常向量偏移，称为“外部中断”，通常映射的偏移地址为０ｘ５００。
２．２异常向量和异常向量表
异常发生后，首先被识别，然后机器的即时状态被保存，这时处理器从某一地址开始执行，异常向量就是这个地址。与６８０００结构不同（它的向量是指针），ＰｏｗｅｒＰＣ的向量是固定的地址。每一个异常都有它自己的异常向量，异常向量等于基址和向量偏移量之和。异常基址通常是０ｘ０或者是０ｘＦＦＦ０００００，这取决于ＭＳＲ[ＩＰ]位的设置。表１所列是ＭＰＣ５５５的异常向量表。其中ＮＭＩ指的是非屏蔽性中断。
表1异常向量表
异常的名称异常向量MSR[IP]=0异常向量MSR[IP]=1系统复位，NMI中断0x1000xfff00000机器校验0x2000xfff00200外部中断0x5000xfff00500etc.etc.etc.
表2复位配置字的选择
RSTCONFHas配置（HC）
内部配置字
0x外部数据总线引脚DATA[0:31]11内部的默认常量（0x00000000）10内部NVM寄存器(CMFCFIG)
２．３复位配置字
在上电或者复位后，微处理器首先读取复位配置字，复位配置字由３种启动工作模式决定：
（１）外部数据总线引脚ＤＡＴＡ?０：３１?；
（２）内部的默认常量（０ｘ００００００００）；
（３）内部ＮＶＭ寄存器值（ＣＭＦＣＦＩＧ）；
表２给出了复位配置字的选择方法。通常选择第三种，即事先用仿真器把配置字写入寄存器ＣＭ-ＦＣＦＩＧ。并用ＣＭＦＣＦＩＧ中的ＩＰ位决定程序的入口地址，若ＩＰ等于０，则入口地址为０ｘ０，若ＩＰ等于１，则入口地址为０ｘｆｆｆ０００００。
嵌入式系统的应用程序一般都是被固化在ＲＯＭ中运行的。通常可用汇编语言编写启动程序来完成系统的硬件以及软件运行环境的初始化。启动和应用程序可一起固化在ＲＯＭ中?以使系统在上电和复位时能够自动跳转到复位异常向量入口地址处开始执行程序。
在源文件编译链接生成的目标文件中，代码、数据放在不同的段中。而目标文件中的．ｄａｔａ段则以系统ＲＡＭ为参考地址，所以在系统启动时需要拷贝ＲＯＭ中的．ｄａｔａ到ＲＡＭ，以完成ＲＡＭ的初始化。
３从ＲＡＭ快速引导运行的实现方法
３．１双重映射法
如果程序被烧录到微处理器的内部ＲＯＭ，可以通过ＭＰＣ５５５的特有功能——双重映射法把内部ＦＬＡＳＨ的地址映射到外部ＲＡＭ，以实现快速引导运行。在使能双重映射功能时，内部ＦＬＡＳＨ区对应的地址不起作用，而映射的外部ＲＡＭ区地址起作用。
具体操作时，首先把程序烧录到内部ＦＬＡＳＨ，然后在上电时把程序从内部ＦＬＡＳＨ拷贝到外部ＲＡＭ，最后再使能微处理器的双重映射功能。这样，程序就可以在外部ＲＡＭ中运行了。图１所示是其流程图。具体的程序代码如下：
ＩＮＴＶｅｃｔｏｒｓ?
／＊系统复位＊／
．ｓｋｉｐ０ｘ０１００?．ＩＮＴＶｅｃｔｏｒｓ?
ｓｔａｒｔ?
＃／＊设置ＲＡＭ和ＲＯＭ存储区＊／
＃／＊ＯＲ２＝０ｘＦＦＦ０００００片选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?
＃／＊拷贝内部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的片选区无效＊／
＃／＊ＢＲ２＝０ｘ０４００００３基本寄存器２＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘｆｆｆ０
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ００００
ｌｉｓｒ４?ＢＲ２＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＢＲ２＠ｌ?ｒ４?
＃／＊双重映射使能＊／
＃／＊ＤＭＯＲ＝０ｘＦＦＦ０００００片选双重映射区
大小２５６ｋ＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘ７０００
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ００００
ｌｉｓｒ４?ＯＲ２＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＯＲ２＠ｌ?ｒ４?
＃／＊ＤＭＢＲ＝０ｘ０４００００３双重映射区基址
０Ｘ０３２位口大小＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘ０
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ０００５
ｌｉｓｒ４?ＢＲ２＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＢＲ２＠ｌ?ｒ４?
ｂａＩＮＴＩｎｉｔｉａｌｉｚｅ
…
３．２复制法
对于与ＭＰＣ５００同系列中的ＭＰＣ５６１和ＭＰＣ５６２等芯片，由于微处理器内部没有ＲＯＭ，所以必须外扩ＲＯＭ。在这种情况下，可以把程序烧录到外部ＲＯＭ，然后在上电时再把程序从外部ＲＯＭ拷贝到外部ＲＡＭ中，从而使程序能够在外部ＲＡＭ中运行。以ＭＰＣ５５５为例的流程图如图２所示。
在这种方法中，程序仅在重新配置存储区前运行在外部ＲＯＭ，而在重新配置存储区后运行在外部ＲＡＭ中，因此提高了程序的运行速度。该方法在操作时，首先把程序用仿真器烧录到外部ＦＡＬＳＨ，入口地址为０ｘｆｆｆ０００００，然后脱机运行。本例中，外部ＦＬＡＳＨ是１６位总线，外部ＲＡＭ是３２位总线。下面以ＭＰＣ５５５为例给出具体程序代码。
ＩＮＴＶｅｃｔｏｒｓ?
／＊系统复位＊／
．ｓｋｉｐ０ｘ０１００－?．－ＩＮＴＶｅｃｔｏｒｓ?
ｓｔａｒｔ?
＃／＊设置ＲＡＭ和ＲＯＭ存储区＊／
＃／＊ＯＲ２＝０ｘＦＦＦ０００００片选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片选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?
＃／＊拷贝外部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
＃／＊重新分配存储区＊／
＃／＊ＢＲ０＝０ｘ６００８０３＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘ６０
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ０８０３
ｌｉｓｒ４?ＢＲ０＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＢＲ０＠ｌ?ｒ４?
＃／＊ＯＲ０＝０ｘＦＦｆ８００００片选ｆｌａｓｈ５１２ｋ
１个时钟等周期＊／
ｌｉｓｒ５?０ｘｆｆｆ８
ｏｒｉｒ５?ｒ５?０ｘ０００３
ｌｉｓｒ４?ＯＲ０＠ｈａ
ｓｔｗｒ５?ＯＲ０＠ｌ?ｒ４?
＃／＊ＯＲ２＝０ｘＦＦＦ０００００片选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结束语
笔者对文中所介绍的以ＭＰＣ５５５为例?对从ＲＡＭ快速引导运行的两种实现方法进行了测试对比。结果证明：程序在ＲＡＭ中的运行速度比在ＦＬＡＳＨ中提高了１倍多，因而程序运行速度得到了很大提高。
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