摘 要： 介紹了嵌入式處理器在使用基于SPI引導方式時，如何檢查DDR內存，以提高系統的可靠性。對系統的引導過程，包括片內ROM運行、片內RAM運行、DDR內存運行，進行了詳細的介紹。對各階段引導程序數據格式的處理進行細致的分析，并對生產實用化進行了實例驗證。
0 引言
隨著全球網絡進一步擴展到新終端設備和以前未連接的行業中，網絡安全對消費者、企業和其他機構變得越來越重要。人們越來越需要性能安全、價格便宜的裝置設備。為了降低成本，往往需要簡化電路設計。例如，采用SPI方式引導硬件，使用SPI Flash作為存儲媒介，減少總線的布線，是簡化硬件電路的較好的方法[1]。但采用SPI方式引導硬件，需要將程序引導到DDR內存中，同時又需要對DDR內存進行檢查，這就出現了矛盾[2]。
1 基于SPI的硬件引導
本文以一個實例，對嵌入式處理器基于SPI引導硬件時如何進行RAM檢查進行詳細的介紹。圖1是嵌入式處理器使用SPI引導的硬件框圖。在圖1中，硬件引導程序和系統程序放在SPI Flash中，在上電引導后，系統程序會被搬移到DDR空間，在DDR空間運行起來。
現在以U-Boot硬件引導程序為例，介紹以SPI引導模式引導系統硬件的情況。U-Boot是德國DENX小組的開發用于多種嵌入式CPU的Bootloader程序，可以支持多種嵌入操作系統和多種處理器[3]。
編譯的U-Boot程序，往往是運行在NOR Flash或DDR中的。但在基于SPI引導時，需要先從SPI Flash往片內RAM里運行一段程序，將DDR內存檢查一遍，然后再將U-Boot引導到DDR內存中去運行，如圖2所示。
2 SPI引導采用的數據格式
在TI公司的DSP及ARM處理器，飛思卡爾公司POWERPC及ARM處理器，都支持基于SPI的引導模式。在這些處理器的片內ROM都包含基本的SPI引導驅動程序。本文以飛思卡爾公司的QorIQ P1010處理器為例介紹其引導過程。P1010片內的SPI驅動程序能夠把SPI接口Flash中的程序拷貝到DDR內存或片內RAM中。不過，在拷貝之前，需要先對DDR控制器或片內RAM進行配置。這就需要定義一個特定的數據結構，完成引導程序所需要的環境配置。對于不同的處理器，生產廠家定義的引導數據結構是不同的。
在P1010處理器完成復位序列后，通過選擇使用處理器片內ROM的SPI引導配置程序，而后處理器內核開始運行該片內ROM程序，配置SPI控制器，并與外部的SPI Flash通信，將程序拷貝出來并跳到指定的位置運行[4]。SPI引導采用的數據格式如表1所示。
在表1中，配置字（Control Words）由配置32 bit地址/數據對組成，主要用在配置就地訪問窗口（LAW）和目標內存控制器的寄存器。配置地址域有兩種模式，當最低位為0時，配置地址域高30 bit代表的是地址，此時配置數據寫入此地址。當最低位為1時，配置地址域高30 bit代表的是指令，此時配置數據寫入此地址。這樣的結構讓用戶可以方便地配置4 B對齊的內存，完成控制指令操作，或定義程序配置階段的結束[5]。配置地址域的數據格式如表2所示。
在表2中，當CNT（最低位）=0時，則高30 bit用作要寫入數據的地址，配置數據包含要寫入的數據。
當CNT=1時，則高30 bit用作控制指令。
當EC=1時，代表配置階段結束指令。
當DLY=1時，代表延時一定時間指令。
當CF=1時，代表更改SPI頻率的指令。
CNT表示地址模式與指令模式的切換。
當處理器內核開始拷貝程序時，先判斷0X40位置的標志是否正確，如果正確，先根據配置的地址/數據對的個數N來配置一些外圍寄存器，然后從0X50處指示的Flash地址搬移用戶代碼數據到0X58指示的地址。搬移完成后，從0X60指示的地址開始運行。將片內運行的這一段程序叫TPL程序。
3 片內RAM運行的TPL程序
P1010包含256 KB的L2CACHE，也可以當片內RAM使用。要檢查DDR內存，要先在片內RAM里運行一小段TPL程序。這一段程序是對基于DDR引導程序U-Boot的一個裁剪，主要完成內核的配置，初始化串口終端，初始化DDR內存控制器，然后檢查DDR內存[6]。在這里不需要設置U-Boot的環境變量，不需要配置以太網等其他的外圍器件。編譯后的TPL目標文件為uboot-tpl.bin。
TPL程序的編譯按RAM引導的方式處理。程序的開始地址設為：0xc0030000~0xc0038800。現在需要對編譯后的uboot-tpl.bin進行格式處理，在其前面加上SPI引導的可以識別的數據表頭，如表3所示。
表3是按照表1（SPI引導模式的數據結構）和表2（配置地址域的數據格式）完成的一個SPI引導配置實例。在這個實例中，將L2CACHE設為片內RAM，開始地址設為0xc0000000。這一部分空間在處理器內核引導時已經通過TLB映射，可以直接使用。
對TPL進行數據格式化存放，要用到一個工具，即boot_format，它可以將基于HEX的文件和基于BIN格式的文件合并到一起。這是一個飛思卡爾BSP里帶的數據格式化工具。采用以下命令：
./boot_format cfg_sram_p1010.dat uboot-tpl.bin-spi uboot_tpl_spi.bin
合并后的文件為uboot_tpl_spi.bin。
在cfg_sram_p1010.dat文件里，TPL程序存放在SPI Flash的0X400開始的地址。處理器先對片內RAM進行配置初始化，然后將TPL程序從0X400引導到0xc0030000開始的地址，并從0xc0030000開始運行。這時，處理器對DDR控制器進行配置，并對DDR空間進行自檢。
4 DDR的自檢及U-BOOT的運行
DDR RAM的自檢可以采用寫入特定數據（例如0x55，0xAA），然后回讀比較來檢查的方式；也可以通過檢查行列地址數據線來檢查。相關文檔很多，這里就不介紹了。
當檢查完DDR內存后，就可以引導并運行U-Boot程序了。U-Boot程序按RAM引導的方式編譯。程序起始地址設為0X11000000。編譯后的文件為uboot.bin。但在實際中需要將兩個單獨的BIN文件合并成一個文件，以方便生產和產品實用化。當uboot.bin與uboot_tpl_spi.bin合為的一個文件uboot_spi.bin時，uboot_tpl_spi.bin放在前面，uboot.bin程序放在后面，如表4所示。
在表4中，處理器在運行TPL時，將U-Boot從SPI Flash的0X10000地址引導到DDR3的0X11000000開始的地址（代碼數據總長度0x40000），而后跳運行入口地址（0X1103f000），運行U-Boot程序。這時，整個硬件系統引導起來了。操作系統可以通過U-Boot運行起來。
5 結論
嵌入式處理器在使用SPI引導硬件時，先通過片內RAM運行一段程序，對DDR內存進行自檢，而后再將U-Boot程序及環境變量引導到DDR空間[7]，把硬件系統引導起來。通過實例化的應用，證明這在高性價比的嵌入式應用中是一個不錯的選擇，不僅能提高系統的可靠性，而且簡單易行。
參考文獻
[1] 張偉棟，趙紅.基于PowerPC8640處理器的通用處理模塊設計[J].微型機與應用，2015，34（6）：32-34.
[2] 李相國，楊樹元.基于PowerPC處理器SMP系統的U-Boot移植[J].微計算機應用，2008，29（9）：95-99.
[3] 王齊.Linux PowerPC詳解：核心篇[M].北京：機械工業出版社，2007.
[4] 李宗海，陳蜀宇，李海偉.嵌入式Linux系統在ARM平臺上的構建[J].計算機系統應用，2010，19（10）：153-157.
[5] Freescale Semiconductor， Inc. Booting from On-Chip ROM （eSDHC or eSPI） [EB/OL]. （2012-6-1）[2014-4-18].http：//cache.freescale.com/files/32bit/doc/ app_note/AN3659.pdf.
[6] 鄧國榮，劉厚欽.基于NOR Flash的OMAPL138雙核系統自舉引導啟動實現[J].電子技術應用，2014，40（2）：19-26.
[7] 鄒洋，李琳皓，梁峰.Nucleus操作系統在ARM11上的移植研究與實現[J].電子技術應用，2014，40（9）：10-13.