基于X 86單芯片計(jì)算機(jī)的BIOS軟件設(shè)計(jì)

果 鵬， 解光軍

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥 230009)

1 總體設(shè)計(jì)思想

所謂單芯片計(jì)算機(jī)(Computer On a Chip，簡(jiǎn)稱CoC)即是將傳統(tǒng)PC機(jī)主板上集成于芯片組的板卡控制器、CPU、內(nèi)存等最大限度地集成在單個(gè)芯片中[1-3]。本設(shè)計(jì)基于單芯片計(jì)算機(jī)，并以SD卡存儲(chǔ)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械式磁性存儲(chǔ)器，完成FreeDOS操作系統(tǒng)的啟動(dòng)。SD卡是一種基于Flash的存儲(chǔ)器，它著重?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全，而且價(jià)格低廉，性能優(yōu)異，存儲(chǔ)容量大[4-6]。SD卡(Secure DigitalM emory Card)相比于磁性介質(zhì)來(lái)說(shuō)不僅減少了空間，而且降低了功耗，是許多便攜式電子產(chǎn)品如數(shù)碼相機(jī)、手提電話、PDA等移動(dòng)便攜式設(shè)備理想的外部存儲(chǔ)介質(zhì)，并且在存儲(chǔ)市場(chǎng)占有極大份額，目前在各個(gè)領(lǐng)域運(yùn)用廣泛?；赟D卡的以上優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用SD卡作為存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)單芯片計(jì)算機(jī)的全硅化。

由于X 86單芯片計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)由PC而來(lái)，其功能復(fù)雜，初始化硬件和引導(dǎo)操作系統(tǒng)仍然由BIOS(Basic InOut System，基本輸入輸出系統(tǒng))來(lái)完成。BIOS軟件的主要作用是初始化硬件和引導(dǎo)操作系統(tǒng)?；赟D卡的諸多優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)將SD卡存儲(chǔ)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磁性介質(zhì)存儲(chǔ)器作為主存儲(chǔ)設(shè)備，連接到X 86單芯片計(jì)算機(jī)的APB (Advanced Peripheral Bus)總線上，并通過(guò)FPGA開發(fā)板的硬件資源和SD卡接口實(shí)現(xiàn)硬件部分。本設(shè)計(jì)BIOS的主要意義就在于不僅對(duì)X86單芯片計(jì)算機(jī)特定的硬件進(jìn)行配置，而且依據(jù)SD卡的協(xié)議，為單芯片計(jì)算機(jī)定制的設(shè)計(jì)引導(dǎo)程序。

本設(shè)計(jì)利用Cygw in、W inhex和W in Image軟件建立了一整套的BIOS軟件編譯開發(fā)平臺(tái)，對(duì)比了傳統(tǒng)的Cygw in與NASM和MASM等BIOS開發(fā)工具，由于NASM和MASM的操作復(fù)雜，每次編譯都要設(shè)置編譯路徑和目標(biāo)文件等重復(fù)性操作，消耗大量研發(fā)時(shí)間，不利于本設(shè)計(jì)的開發(fā)調(diào)試，因此本設(shè)計(jì)采用Cygw in編譯器，通過(guò)編寫m akefile腳本來(lái)設(shè)定編譯對(duì)象和目標(biāo)文件及路徑，而且操作簡(jiǎn)單，大大減少了重復(fù)性的操作，節(jié)省了研發(fā)實(shí)驗(yàn)的調(diào)試時(shí)間。

2 軟件設(shè)計(jì)

BIOS是固化在計(jì)算機(jī)中的核心軟件系統(tǒng)，它直接對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的輸入輸出設(shè)備進(jìn)行設(shè)備級(jí)、硬件級(jí)的底層控制，是連接操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備之間的樞紐[2，7]。本設(shè)計(jì)BIOS的主要作用有初始化SD卡、對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫操作以及boot加載操作系統(tǒng)。

2.1 BIOS對(duì)SD卡的初始化

BIOS對(duì)SD卡初始化有2個(gè)目的:使SD卡工作于SPI接口模式，設(shè)置讀寫單模塊數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。SD卡的SPI模式通信由BIOS控制，SPI通信由指令、響應(yīng)和數(shù)據(jù)組成。每一個(gè)指令或數(shù)據(jù)塊由8位的字節(jié)和CS標(biāo)志構(gòu)成。SD卡指令格式見表1所列。

表1 SD卡指令格式

SD卡上電復(fù)位后處于SD總線模式，主機(jī)先將SD卡的片選CS置低，激活SD卡進(jìn)入工作狀態(tài)[8]。要使SD卡進(jìn)入SPI接口模式，BIOS需要在片選信號(hào)CS為低電平時(shí)發(fā)送命令CMD0，使SD卡處于IDLE狀態(tài)。根據(jù)SD卡的標(biāo)準(zhǔn)，CMD0命令為:40H 00H 00H 00H 00H 95H。BIOS向SD卡發(fā)送完CMD0命令后，接收RESPONSE響應(yīng)信號(hào)，判斷SD卡是否正確接收命令。RESPONSE響應(yīng)信號(hào)方式內(nèi)容見表2所列。

CMD0命令使SD卡進(jìn)入休眠狀態(tài)，需要發(fā)送CMD1(SEND_OP_COND)激活SD卡的初始化過(guò)程，隨后接收RESPONSE響應(yīng)信號(hào)，判斷SD卡是否正確脫離休眠狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的模塊讀寫操作，BIOS必須設(shè)置讀寫模塊的大小。BIOS向SD卡發(fā)送CMD16(SET_BLOCK_ LEN)命令，之后設(shè)置讀寫操作的數(shù)據(jù)模塊大小。本設(shè)計(jì)設(shè)定BIOS對(duì)SD卡進(jìn)行單模塊讀寫操作，每次讀寫512字節(jié)，即每次對(duì)一個(gè)扇區(qū)進(jìn)行操作。SD初始化流程如圖1所示。

表2 SD卡SPI模式RESPONSE響應(yīng)信號(hào)

圖1 SD卡初始化流程

2.2 BIOS對(duì)SD卡讀操作

SD卡與標(biāo)準(zhǔn)硬盤的尋址方式類似，都使用LBA(Logical Block Add ressing)尋址方式。在LBA地址中，地址不再表示硬盤的實(shí)際物理地址(柱面、磁頭和扇區(qū))。LBA編址方式將CHS這種三維尋址方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S的線性尋址，它把硬盤所有的物理扇區(qū)的C/H/S編號(hào)通過(guò)一定的規(guī)則轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪€性的編號(hào)，系統(tǒng)效率得到大大提高，避免了煩瑣的磁頭/柱面/扇區(qū)的尋址方式。因此BIOS需要將int19傳遞到int13的CHS尋址的參數(shù)轉(zhuǎn)換成SD卡的邏輯地址。

本設(shè)計(jì)在PC機(jī)上使用Winhex軟件以物理磁盤的方式查看SD卡的隱藏扇區(qū)、扇區(qū)的分配和偏移量，以及BIOS參數(shù)表，進(jìn)而確定CHS的值。再利用(1)式計(jì)算SD卡的邏輯扇區(qū)(log_sector)。根據(jù)SD卡的不同，引導(dǎo)扇區(qū)在SD卡中的偏移量也是不同的。在PC機(jī)上可以使用Winhex軟件以物理磁盤的方式查看SD卡的隱藏扇區(qū)、扇區(qū)的分配和偏移量。

logic_sector的地址是32位的，最后9位是Block地址，前面的是Sector地址。當(dāng)Block!= 0時(shí)，讀寫指令的相應(yīng)信號(hào)RESPONSE會(huì)報(bào)錯(cuò)。對(duì)SD卡的logic_sector的調(diào)整見(2)式:

BIOS向 SD卡發(fā)送讀單模塊數(shù)據(jù)指令CMD17(READ_SINGLE_BLOCK)。SD卡接收到CMD17之后，主機(jī)首先從SD卡地址端口讀取一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的RESPONSE響應(yīng)信號(hào)。信號(hào)的值為0表示SD卡成功響應(yīng)指令;不為0，表示出錯(cuò)，主機(jī)重新讀取響應(yīng)信號(hào)，一直到信號(hào)為0。之后SD卡向主機(jī)發(fā)送一個(gè)起始數(shù)據(jù)令牌(START _BLOCK_TOKEN)，其值為0xFE，表示接下來(lái)發(fā)送的是一個(gè)512字節(jié)的數(shù)據(jù)模塊，最后是2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼。BIOS讀SD卡單模塊數(shù)據(jù)的流程如圖2所示。

圖2 SD卡單模塊讀操作流程

BIOS讀SD卡單模塊數(shù)據(jù)的核心代碼如下:

2.3 BIOS對(duì)SD卡寫操作

BIOS向SD卡中寫入數(shù)據(jù)塊和讀取數(shù)據(jù)塊相似。

BIOS首先設(shè)置寫數(shù)據(jù)塊的源地址和目的地址，再向SD卡端口發(fā)送CMD24(WRITE_SINGLE_BLOCK)指令啟動(dòng)寫操作過(guò)程。

SD卡接收到CMD24后，向主機(jī)發(fā)送RESPONSE響應(yīng)信號(hào)。信號(hào)的值為0表示SD卡成功響應(yīng)指令;不為0，表示出錯(cuò)，主機(jī)重新讀取響應(yīng)信號(hào)，一直到信號(hào)為0，表示SD卡已經(jīng)準(zhǔn)備好接受數(shù)據(jù)塊。

BIOS向SD卡發(fā)送數(shù)據(jù)起始令牌(START_ BLOCK_TOKEN)，其值為0xFE，表示接下來(lái)發(fā)送的是一個(gè)512字節(jié)的數(shù)據(jù)模塊。

SD卡接收到數(shù)據(jù)后，發(fā)送數(shù)據(jù)相應(yīng)信號(hào)DA TA_RESPONSE，表征需要寫入的數(shù)據(jù)是否完成，最后發(fā)送2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼。BIOS向SD卡寫入數(shù)據(jù)塊流程如圖3所示。

圖3 SD卡單模塊寫操作流程

對(duì)寫入數(shù)據(jù)的響應(yīng)信號(hào) DATA_RESPONSE，SD卡標(biāo)準(zhǔn)定義見表3所列。

表3 SD卡SPI接口對(duì)寫入數(shù)據(jù)的響應(yīng)信號(hào)

表中狀態(tài)的含義如下:

*010:接收數(shù)據(jù);

*101:數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯(cuò);

*110:寫入數(shù)據(jù)錯(cuò)。

當(dāng)SD卡正確接收數(shù)據(jù)模塊時(shí)，狀態(tài)的值為010，即數(shù)據(jù)響應(yīng)信號(hào)DATA_RESPONSE的值為0x05。

2.4 BIOS引導(dǎo)操作系統(tǒng)

首先，通過(guò)軟件開發(fā)編譯平臺(tái)將BIOS編譯成機(jī)器碼，將編譯好的機(jī)器碼燒寫進(jìn)FPGA開發(fā)板片上Flash存儲(chǔ)器的E000:0000處;其次，利用QuartusⅡ軟件調(diào)用開發(fā)板的資源實(shí)現(xiàn)單芯片計(jì)算機(jī)的硬件電路(已由前期研究設(shè)計(jì)完成)[1]。

開發(fā)板上電之后，首先執(zhí)行片上Flash存儲(chǔ)器的E000:0000處的BIOS機(jī)器碼，對(duì)SD卡進(jìn)行初始化操作的程序，主要是對(duì)SD卡進(jìn)行SPI模式設(shè)置和讀寫數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的設(shè)置。BIOS對(duì)SD卡的初始化設(shè)置執(zhí)行完畢之后，程序執(zhí)行int19中斷[9]，通過(guò)ax、cx和dx通用寄存器從int19號(hào)中斷向int13號(hào)中斷傳遞CHS(Cy linder/Head/ Sector)參數(shù)。程序通過(guò)傳遞過(guò)來(lái)的ah的值確定調(diào)用int13號(hào)中斷的02號(hào)子功能讀取SD卡的引導(dǎo)扇區(qū)。BIOS利用(1)式和(2)式計(jì)算出引導(dǎo)扇區(qū)的位置，再通過(guò)對(duì)SD卡的讀操作，把SD卡的引導(dǎo)扇區(qū)讀入到片上存儲(chǔ)器上指定的位置0000: 7c00處。再通過(guò)把段地址和偏移地址壓棧和彈棧操作，使指針指向0000:7c00處，并把指揮權(quán)交給引導(dǎo)扇區(qū)，執(zhí)行引導(dǎo)扇區(qū)的指令。

引導(dǎo)扇區(qū)的指令繼續(xù)重復(fù)地調(diào)用int13中斷的2號(hào)子功能讀取SD卡扇區(qū)，將存儲(chǔ)在SD卡上的FreeDOS操作系統(tǒng)的 Kernel文件和 Command.com系統(tǒng)文件加載到片上存儲(chǔ)器的指定位置，最終完成啟動(dòng)FreeDOS操作系統(tǒng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了從SD卡啟動(dòng)單芯片計(jì)算機(jī)的設(shè)想，并基于單芯片計(jì)算機(jī)SD卡設(shè)計(jì)了BIOS軟件，同時(shí)闡述了BIOS軟件主要的開發(fā)設(shè)計(jì)步驟。本設(shè)計(jì)BIOS利用SD卡作為主存儲(chǔ)設(shè)備，基于SD卡SPI接口的基本協(xié)議，完成初始化和單模塊讀寫等命令。為了實(shí)現(xiàn)BIOS的研發(fā)和調(diào)試工作的方便，本設(shè)計(jì)使用ALTERA DE2 FPGA開發(fā)板作為硬件開發(fā)平臺(tái)。由于FPGA開發(fā)板上帶有Flash存儲(chǔ)器，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器的非易失性和可重復(fù)燒寫的特性正適合存儲(chǔ)BIOS程序;而且在硬件電路部分可以調(diào)用FPGA開發(fā)板的資源實(shí)現(xiàn)X86硬件電路;另外該開發(fā)板自帶一個(gè)SD卡接口，是本實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)的理想開發(fā)平臺(tái)。

最后本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了總體方案設(shè)計(jì)，從SD卡成功地啟動(dòng)FreeDOS操作系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的BIOS軟件在 Bochs模擬器上也成功地啟動(dòng)了FreeDOS操作系統(tǒng)，增加了所設(shè)計(jì)的BIOS軟件的通用性和可移植性，促進(jìn)了便攜式產(chǎn)品的開發(fā)。

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