嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)介質(zhì)簡(jiǎn)便切換的啟動(dòng)方法設(shè)計(jì)

陳偉，林欽堅(jiān)，賓顯文

（廣州市中海達(dá)測(cè)繪儀器有限公司研發(fā)中心，廣州511400）

嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)介質(zhì)簡(jiǎn)便切換的啟動(dòng)方法設(shè)計(jì)

陳偉，林欽堅(jiān)，賓顯文

（廣州市中海達(dá)測(cè)繪儀器有限公司研發(fā)中心，廣州511400）

本文基于微處理器S5PV210提出了一種在eMMC和TF卡存儲(chǔ)器之間簡(jiǎn)便切換的方法，通過改變?cè)O(shè)備的供電電壓值觸發(fā)電壓比較器輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，從而控制電子開關(guān)切換供電回路來切換引導(dǎo)介質(zhì)。為了保證比較器輸出不會(huì)因供電電壓的微小干擾而引起抖動(dòng)，將比較器設(shè)計(jì)成滯回比較器。該方法適用于多種嵌入式設(shè)備，為設(shè)備系統(tǒng)固件燒寫和升級(jí)提供便利。

系統(tǒng)引導(dǎo)啟動(dòng)；S5PV210；滯回比較器

引言

個(gè)人電腦可以支持多種啟動(dòng)方式，比如硬盤啟動(dòng)、DVD驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)，或者U盤啟動(dòng)。嵌入式處理器也支持多種啟動(dòng)介質(zhì)和啟動(dòng)順序，在嵌入式系統(tǒng)中常用的啟動(dòng)介質(zhì)有NAND Flash、eMMC存儲(chǔ)器、SD卡、USB接口、以太網(wǎng)接口。

一般地，嵌入式系統(tǒng)中的用戶程序與系統(tǒng)存儲(chǔ)通常保存在設(shè)備內(nèi)部NAND Flash或者eMMC存儲(chǔ)器中。由于這類存儲(chǔ)器技術(shù)上的缺陷，某些位發(fā)生翻轉(zhuǎn)可能使得整個(gè)塊（Block）無法使用，導(dǎo)致引導(dǎo)程序不能正常運(yùn)行，設(shè)備無法啟動(dòng)，系統(tǒng)不能正常使用；另外，由于系統(tǒng)功能更新的需要，常常因人為無意地把用戶引導(dǎo)代碼擦除掉而造成設(shè)備無法開機(jī)。因此無論是開發(fā)還是后期維護(hù)，嵌入式系統(tǒng)均需要采用多種系統(tǒng)引導(dǎo)啟動(dòng)方式，現(xiàn)在的切換處理方式是：拆開設(shè)備，重新配置引導(dǎo)電路；外置按鍵，通過按鍵選擇不同配置方式，如中國(guó)專利201010197315.1公開的嵌入式設(shè)備及其內(nèi)嵌軟件的更新方法，通過按下防誤觸發(fā)按鍵來進(jìn)行系統(tǒng)固件更新［1］。但這些技術(shù)方法都存在一定的局限性與缺點(diǎn)，如操作復(fù)雜、需要特殊設(shè)計(jì)外觀結(jié)構(gòu)、成本較高等。

本文利用設(shè)備自身的供電接口，通過改變供電電壓值范圍來觸發(fā)內(nèi)部電路，從而切換不同的存儲(chǔ)固件程序和用戶程序的存儲(chǔ)介質(zhì)，達(dá)到利用外部便攜的存儲(chǔ)介質(zhì)來更新系統(tǒng)鏡像和用戶程序的目的。這種技術(shù)方法克服了上述的缺陷，為開發(fā)及維護(hù)提供了極大的便利。

1 方案設(shè)計(jì)

正常運(yùn)行的設(shè)備內(nèi)部的存儲(chǔ)介質(zhì)，如NAND Flash、eMMC存儲(chǔ)器；外部便攜的存儲(chǔ)介質(zhì)，如TF卡，存儲(chǔ)介質(zhì)通過存儲(chǔ)器通信接口與微處理器相連。系統(tǒng)鏡像和用戶程序引導(dǎo)啟動(dòng)介質(zhì)的選擇和順序，是通過微處理器的引導(dǎo)配置引腳設(shè)置的。若前一存儲(chǔ)介質(zhì)供電正常且引導(dǎo)程序完整，則從該介質(zhì)引導(dǎo)啟動(dòng)系統(tǒng)；若兩者條件其中一個(gè)不符合，則跳轉(zhuǎn)檢測(cè)下一存儲(chǔ)介質(zhì)。

本方案通過控制存儲(chǔ)介質(zhì)供電回路的通斷，可以改變系統(tǒng)鏡像引導(dǎo)啟動(dòng)的順序，利用功率MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）管的開關(guān)應(yīng)用可以達(dá)到該目的。而電子開關(guān)的通斷則通過設(shè)備外部供電電源輸入的電壓值高低來觸發(fā)，因其電壓值大小與系統(tǒng)工作電壓值大小的不同等電平值，須將外部電壓分壓至合適的電平范圍，與系統(tǒng)工作電壓通過電壓比較器進(jìn)行比較，輸出高低兩種狀態(tài)的電平值，作為電子開關(guān)的控制信號(hào)。

考慮外部輸入電源電壓的不穩(wěn)定性，防止電壓比較器輸出狀態(tài)的誤翻轉(zhuǎn)，將比較器設(shè)計(jì)為滯回比較器，利用滯回寬度緩沖輸出抖動(dòng)。

本文以微處理器S5PV210以及eMMC存儲(chǔ)器和TF卡存儲(chǔ)器為設(shè)計(jì)實(shí)例。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框架圖

需要指出的是，微處理器S5PV210的引導(dǎo)啟動(dòng)順序?yàn)閮?nèi)部iROM至第一級(jí)引導(dǎo)程序，再到第二級(jí)引導(dǎo)程序，圖1所述的存儲(chǔ)器引導(dǎo)屬于第一級(jí)和第二級(jí)引導(dǎo)［2］。在由內(nèi)部iROM引導(dǎo)第一級(jí)引導(dǎo)程序時(shí)，引導(dǎo)介質(zhì)選擇是通過微處理器的引導(dǎo)操作模式配置引腳設(shè)置的，本設(shè)計(jì)配置為SD/MMC引導(dǎo)，且eMMC存儲(chǔ)器（內(nèi)置MMC控制器及接口）和TF卡（SD接口標(biāo)準(zhǔn)）存儲(chǔ)器通信接口分別為MMC0和MMC2，因此系統(tǒng)第一級(jí)引導(dǎo)首先從eMMC存儲(chǔ)器開始，不滿足條件則從TF卡存儲(chǔ)器引導(dǎo)。

2 實(shí)現(xiàn)電路

除了系統(tǒng)的微處理器及存儲(chǔ)器外，還需要設(shè)計(jì)的電路單元包括輸入電源的分壓網(wǎng)絡(luò)、滯回比較器和電子開關(guān)。本節(jié)分別闡述這些電路單元的具體實(shí)現(xiàn)。

2.1 電子開關(guān)

如第1節(jié)中所述，首先引導(dǎo)啟動(dòng)的是eMMC存儲(chǔ)器，通過控制其供電回路可在eMMC存儲(chǔ)器和TF卡存儲(chǔ)器之間進(jìn)行引導(dǎo)存儲(chǔ)介質(zhì)的選擇。作為電源通路上的電子開關(guān)，選用MOS管，同時(shí)滿足過流能力、最大擊穿電壓及低導(dǎo)通電阻損耗。

另外，正常工作狀態(tài)下，eMMC存儲(chǔ)器須工作，因此電子開關(guān)應(yīng)是常閉狀態(tài)，應(yīng)選用P溝道MOS管。

柵極開啟信號(hào)由滯回比較器的輸出控制，電路圖如圖2所示。

2.2 滯回比較器

圖2 電子開關(guān)單元電路圖

電子開關(guān)的通斷兩個(gè)狀態(tài)量由比較器輸出控制，比較器的輸入則分別是固定參考電壓和外部直流輸入的分壓電壓。另外，為了抑制外部輸入的噪聲、避免輸出不期望的抖動(dòng)、增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了外部滯回電路，由正反饋電路構(gòu)成。

本文實(shí)例中的比較器選用了輸出為開漏結(jié)構(gòu)的比較器（如LM2903），因此須加外部上拉電阻，選用10 kΩ。滯回比較器電路圖如圖3所示。

圖3 滯回比較器電路圖

滯回比較器參數(shù)的具體確定如下：

首先，在選取參考電壓時(shí)須考慮比較器的輸入共模電壓范圍，LM2903的共模輸入電壓范圍在25℃下為0～1.5 V，本電路供電電壓為3.3 V，因此共模輸入電壓范圍為0～1.8 V；系統(tǒng)供電電源為1.2 V電壓，可使用。

其次，根據(jù)參考電壓，確定滯回閾值電壓的上下限。設(shè)備實(shí)際工作情況要求外部直流輸入24 V以下eMMC存儲(chǔ)器供電，30 V以上斷電，且斷電情況屬于非正常工作模式。因此滯回窗口選取220 mV，根據(jù)參考電壓值，下限VTHR選取1.1 V，上限VTHF選取1.32 V。滯回電壓上下限及輸出電壓傳輸曲線如圖4所示。

圖4 滯回比較器傳輸曲線

再次，選取反饋電阻及正相輸入電阻。根據(jù)圖3的電流方向以及運(yùn)算放大器的“虛短”原理，兩種輸出狀態(tài)情況下的關(guān)系有：

由式（3）、（4）解得：R1=1.82 kΩ，R2=20 kΩ。實(shí)際電阻值選取R1=2.22 kΩ，R2=20 kΩ。反代入可得VTHR=1.08 V，VTHF=1.34 V，符合設(shè)計(jì)要求。

另外，考慮比較器LM2903的輸入偏置電流在25℃工作環(huán)境下，最大值為250 nA，因此如圖3所示的IR2電流值至少為25 μA，同樣地，兩種輸出狀態(tài)下有：

由式（5）、（6）求解得：R2=78 kΩ，R2=52.8 kΩ。

設(shè)計(jì)選用的R2值20 kΩ小于52.8 kΩ，不影響因漏電流引起的輸出誤差，符合設(shè)計(jì)需求。

最后，選取反相輸入電阻。R3與正相輸入阻抗相當(dāng)，即R2和RL串聯(lián)后與R1并聯(lián)，電阻值2.04 kΩ相當(dāng)，也取2.2 kΩ。

2.3 分壓網(wǎng)絡(luò)

分壓網(wǎng)絡(luò)用于將外部輸入的較大電壓值范圍分壓至滯回比較器可輸入的共模電壓范圍內(nèi)，且滿足系統(tǒng)狀態(tài)切換的滯回電壓閾值點(diǎn)。

如2.2節(jié)所述，閾值電壓值分別為VTHR=1.08 V，VTHF=1.34 V；而外部可調(diào)直流輸入分別對(duì)應(yīng)26 V和32 V，分壓網(wǎng)絡(luò)電路圖如圖5所示，則

分別將VCC_DCIN的26 V、32 V和Vout的1.08 V、1. 34 V代入式（7）可得：R1=23.07×R2，及R1=22.88×R2。為減少分壓網(wǎng)絡(luò)的額外功耗，限定分壓網(wǎng)絡(luò)上的電流為0.1 mA，則可得R2至少為13.4 kΩ。實(shí)際電阻值可選取R1=300 kΩ，R2=13 kΩ。

圖5 分壓網(wǎng)絡(luò)電路圖

3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作目的是切換不同的存儲(chǔ)介質(zhì)，以引導(dǎo)系統(tǒng)正常啟動(dòng)及更新固件鏡像或用戶程序。系統(tǒng)在已有可正常運(yùn)行的固件鏡像和用戶程序的情況下，工作狀態(tài)與固件鏡像或用戶程序損壞以及須更新的情況下工作流程不同。系統(tǒng)整體工作流程如圖6所示。

將VCC、VRef、VTHF、VTHR及RL的值代入可得：

圖6 系統(tǒng)工作流程

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)便切換存儲(chǔ)介質(zhì)引導(dǎo)啟動(dòng)的方法。通過改變?cè)O(shè)備的輸入電源電壓值范圍，觸發(fā)設(shè)備內(nèi)部滯回比較器輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，控制電子開關(guān)通斷第一引導(dǎo)順序的存儲(chǔ)介質(zhì)的電源，切換至外部存儲(chǔ)介質(zhì)，可以方便地升級(jí)更新固件鏡像和用戶程序。實(shí)際電路在衛(wèi)星導(dǎo)航手持設(shè)備上進(jìn)行了驗(yàn)證，系統(tǒng)可穩(wěn)定工作，且節(jié)省了產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)過程的成本。

［1］張學(xué)平.嵌入式設(shè)備及其內(nèi)嵌軟件的更新方法：中國(guó)，201010197315.1［P］.2011-12-14.

［2］Samsung Electronics.S5PV210 RISC Microprocessor User's Manual［EB/OL］.［2014-11］.http：//www.docin.com/p-133075034.html.

［3］Texas Instrument.LM193，LM293，LM393，LM2903 Dual Differential Comparators［EB/OL］.［2014-11］.http：//www.ti. com/lit/ds/symlink/lm2903.pdf.

［4］童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.5版.北京：高等教育出版社，2006.

陳偉、林欽堅(jiān)、賓顯文（助理工程師），主要從事嵌入式硬件平臺(tái)研發(fā)。

Boot Method of Boot Medium Simple Switching Based on Embedded System

Chen Wei，Lin Qinjian，Bin Xianwen

（R&D Center，Hi-Target Survey Instruments Company Ltd.，Guangzhou 511400，China）

A method of switching eMMC and TF memory which is based on S5PV210 microprocessor is given.Using different output levels of voltage comparator by changing the device supply voltage value controls electronic switcher to switch the power paths of booting media.The voltage comparator is designed as hysteresis comparator to ensure no output jitter that is generated by interference of the power supply.The method is applicable to various embedded devices and is convenient for burning and upgrading device firmware with low-cost.

system booting；S5PV210；hysteresis comparator

TP303

A

薛士然

2014-11-05）