如何認識一塊嵌入式電路板

想踏入嵌入式系統的朋友們，最常問我的一句話就是：「紀老師，我想要把作業系統移植到這塊板子上。我拿到這塊板子，要讀懂哪些硬體規格，才有辦法順利移植呢？」

好問題！嵌入式系統的特色就是每塊板子都不一樣，充分地「客製化」！所以我也很難寫一篇「Step by Step 移植作業系統」、或是「快快樂樂移植嵌入式作業系統」的文章給您。不過的確有些共通之處。我就在這裡告訴您！



一塊空板子在拿到手以後，必須由文件中瞭解下列主題，才算對整個系統有點梗概，可以開始開發軟體：

• 電源（Power）：
  
  • 輸入電壓／電流種類與組數：是否為雙電源設計（e.g. 5V/2.5A + 12V/3A...之類）？外部電源輸入後，分流成幾股（e.g. 分流至 CPU、實時時鐘、I/O...數股）？
  • 是否有省電模式：包含 CPU、風扇、硬碟、螢幕、各式週邊有無省電設計，以及應該如何以程式初始化與進入／退出各種省電模式等。
• 時 脈（Clock）：
  
  • 外頻使用多少（e.g. 12MHz）？
  • 內頻需要多少（e.g. 250MHz）？
  • 如何設定「鎖相迴路（PLL, Phase Lock Loop）」使外頻得以除頻成內頻所需的時脈？
  • CPU 是否有輸入時脈到特定的其他週邊設備當作參考時脈？若有，輸出頻率為多少？
• 重置電路（Reset）：
  
  • 要讓系統重置（Reset），需要發出怎麼樣的訊號？
  • 重置後，需要提供哪些參數，讓 CPU 可以開始工作（e.g. 匯流排寬度多少？使用 Little Endian 或是 Big Endian？...等）？
  • 系統重置後，第一個讀取的 記憶體位置是哪一個？
• 記憶體（嵌入式 硬體架構中，軟體工程師最需瞭解的一塊）：
  
  • 系統所使用 的記憶體種類有幾種（e.g. ROM, Flash, SDRAM...）？
  • 架構出來的「記憶體映射空間（Memory Map）」為何？
  • 每種記憶體（ROM/Flash/SDRAM...）所佔的空間有多大？位址從哪裡到哪裡（e.g. 0x00000000 ~ 0x0FFFFFFF 這 4KB 空間，是由 1 顆 Mask ROM 組成，所以就要小心，不可以對此位址發出寫入需求...等）？
  • 每類記 憶體所佔空間，是由幾顆晶片所組成？
  • 每顆晶片是由多少 Banks 所構成？每個 Bank 有多大？匯流排總寬度有多少？
  • CPU 有無「記憶體管理單元（Memory Management Unit, MMU）」？如何初始化它們？哪些暫存器可以做這些事情？
  • 是否有些特殊的記憶體需要特殊的設定（如：DRAM 就需設定「刷新時間（Refresh Time）」）？如何設定？
  • CPU 內部有無特殊的記憶體需要設定（如：以 SRAM 組成的 Cache、Non-cache、或 Write Buffer...）？如何設定？
  • 整個 CPU 中，有幾組通用暫存器？幾組特殊暫存器？
• 中斷系統（Interrupt）：
  
  • 中斷的種類（e.g. ARM 架構內的快速中斷／一般中斷；或 i386 架構中的不可遮罩中斷／可遮罩中斷...）。
  • 中斷的來源（如：INT 0~7 為可客製化中斷，INT_ZDMA0, INT_ZDMA1, INT_BDMA0, INTBDMA1 為來自 DMA 的中斷...）。
  • 各中斷的優先順序，以及如何調整優先順序？
  • 撰寫「中斷服務常式（Interrupt Service Routine, ISR）」的方法（會自己寫，才能改變系統原先預設的行為）。
• 看門狗計時器（Watchdog Timer）：
  
  • 如何初始化？
  • 如何設定看門狗每隔多 久檢查一次系統存活狀態？
• 輸出入埠 （I/O Port）：
  
  • 輸出入埠的「位址空間 （Address Space）」有多大？如何存取？
  • 有多少「通用輸 出入埠（General Port for I/O, GPIO）」？這些埠又連往哪些週邊（e.g. LED 燈、按鈕、風扇...）？如何控制它們？
• 其他週邊初始化：
  
  • UART（通 用非同步收發器，Universal Asynchronous Receiver & Tranceiver，一般指的是板子上的 RS-232 Port）。
  • LCD（液晶螢幕，好讓您將圖形化介面輸 出到此設備中）

不要小看上面這些項目！上面列的每一項，都有可能需要寫到 Boot Loader 裡（您可以把 Boot Loader 想像成 PC 上的 BIOS），以便在開機時給予初始化，讓後續載入的 Linux 核心可以馬上使用。一般而言，這些設定有可能使用組合語言寫。不過近來也有工程師習慣儘可能少用組合語言。做過簡單的 CPU 與 Memory 初始化後，就開始導入第一支 C 語言程式，接下來的初始化，都由 C 語言做。

聽完了是不是還「霧沙沙」呢？呵呵！很正常的！真的要瞭解，必須捲起袖子，移植過一塊開發板，您就了然於胸了。不然，來上我的課也可以啊！（廣告之嫌！折凳伺候！）

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關於作者：

紀俊男，現任和群資訊總經理。曾任職於筌寶電子、趨勢科技、西基電腦、展望電腦等公司。教書經驗約 20 年。專長是程式設計、系統管理、嵌入式系統等領域。您可以在本篇留言與之聯繫、討論、或邀課。