基于X 86单芯片计算机的BIOS软件设计

果 鹏， 解光军

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 230009)

1 总体设计思想

所谓单芯片计算机(Computer On a Chip，简称CoC)即是将传统PC机主板上集成于芯片组的板卡控制器、CPU、内存等最大限度地集成在单个芯片中[1-3]。本设计基于单芯片计算机，并以SD卡存储器代替传统机械式磁性存储器，完成FreeDOS操作系统的启动。SD卡是一种基于Flash的存储器，它着重数据存储的安全，而且价格低廉，性能优异，存储容量大[4-6]。SD卡(Secure DigitalM emory Card)相比于磁性介质来说不仅减少了空间，而且降低了功耗，是许多便携式电子产品如数码相机、手提电话、PDA等移动便携式设备理想的外部存储介质，并且在存储市场占有极大份额，目前在各个领域运用广泛。基于SD卡的以上优点，本设计采用SD卡作为存储器，实现单芯片计算机的全硅化。

由于X 86单芯片计算机的结构由PC而来，其功能复杂，初始化硬件和引导操作系统仍然由BIOS(Basic InOut System，基本输入输出系统)来完成。BIOS软件的主要作用是初始化硬件和引导操作系统。基于SD卡的诸多优点，本设计将SD卡存储器代替传统的磁性介质存储器作为主存储设备，连接到X 86单芯片计算机的APB (Advanced Peripheral Bus)总线上，并通过FPGA开发板的硬件资源和SD卡接口实现硬件部分。本设计BIOS的主要意义就在于不仅对X86单芯片计算机特定的硬件进行配置，而且依据SD卡的协议，为单芯片计算机定制的设计引导程序。

本设计利用Cygw in、W inhex和W in Image软件建立了一整套的BIOS软件编译开发平台，对比了传统的Cygw in与NASM和MASM等BIOS开发工具，由于NASM和MASM的操作复杂，每次编译都要设置编译路径和目标文件等重复性操作，消耗大量研发时间，不利于本设计的开发调试，因此本设计采用Cygw in编译器，通过编写m akefile脚本来设定编译对象和目标文件及路径，而且操作简单，大大减少了重复性的操作，节省了研发实验的调试时间。

2 软件设计

BIOS是固化在计算机中的核心软件系统，它直接对计算机系统中的输入输出设备进行设备级、硬件级的底层控制，是连接操作系统和硬件设备之间的枢纽[2，7]。本设计BIOS的主要作用有初始化SD卡、对SD卡进行读写操作以及boot加载操作系统。

2.1 BIOS对SD卡的初始化

BIOS对SD卡初始化有2个目的:使SD卡工作于SPI接口模式，设置读写单模块数据的长度。SD卡的SPI模式通信由BIOS控制，SPI通信由指令、响应和数据组成。每一个指令或数据块由8位的字节和CS标志构成。SD卡指令格式见表1所列。

表1 SD卡指令格式

SD卡上电复位后处于SD总线模式，主机先将SD卡的片选CS置低，激活SD卡进入工作状态[8]。要使SD卡进入SPI接口模式，BIOS需要在片选信号CS为低电平时发送命令CMD0，使SD卡处于IDLE状态。根据SD卡的标准，CMD0命令为:40H 00H 00H 00H 00H 95H。BIOS向SD卡发送完CMD0命令后，接收RESPONSE响应信号，判断SD卡是否正确接收命令。RESPONSE响应信号方式内容见表2所列。

CMD0命令使SD卡进入休眠状态，需要发送CMD1(SEND_OP_COND)激活SD卡的初始化过程，随后接收RESPONSE响应信号，判断SD卡是否正确脱离休眠状态。为了实现对SD卡的模块读写操作，BIOS必须设置读写模块的大小。BIOS向SD卡发送CMD16(SET_BLOCK_ LEN)命令，之后设置读写操作的数据模块大小。本设计设定BIOS对SD卡进行单模块读写操作，每次读写512字节，即每次对一个扇区进行操作。SD初始化流程如图1所示。

表2 SD卡SPI模式RESPONSE响应信号

图1 SD卡初始化流程

2.2 BIOS对SD卡读操作

SD卡与标准硬盘的寻址方式类似，都使用LBA(Logical Block Add ressing)寻址方式。在LBA地址中，地址不再表示硬盘的实际物理地址(柱面、磁头和扇区)。LBA编址方式将CHS这种三维寻址方式转变为一维的线性寻址，它把硬盘所有的物理扇区的C/H/S编号通过一定的规则转变为一线性的编号，系统效率得到大大提高，避免了烦琐的磁头/柱面/扇区的寻址方式。因此BIOS需要将int19传递到int13的CHS寻址的参数转换成SD卡的逻辑地址。

本设计在PC机上使用Winhex软件以物理磁盘的方式查看SD卡的隐藏扇区、扇区的分配和偏移量，以及BIOS参数表，进而确定CHS的值。再利用(1)式计算SD卡的逻辑扇区(log_sector)。根据SD卡的不同，引导扇区在SD卡中的偏移量也是不同的。在PC机上可以使用Winhex软件以物理磁盘的方式查看SD卡的隐藏扇区、扇区的分配和偏移量。

logic_sector的地址是32位的，最后9位是Block地址，前面的是Sector地址。当Block!= 0时，读写指令的相应信号RESPONSE会报错。对SD卡的logic_sector的调整见(2)式:

BIOS向 SD卡发送读单模块数据指令CMD17(READ_SINGLE_BLOCK)。SD卡接收到CMD17之后，主机首先从SD卡地址端口读取一个字节长度的RESPONSE响应信号。信号的值为0表示SD卡成功响应指令;不为0，表示出错，主机重新读取响应信号，一直到信号为0。之后SD卡向主机发送一个起始数据令牌(START _BLOCK_TOKEN)，其值为0xFE，表示接下来发送的是一个512字节的数据模块，最后是2个字节的CRC校验码。BIOS读SD卡单模块数据的流程如图2所示。

图2 SD卡单模块读操作流程

BIOS读SD卡单模块数据的核心代码如下:

2.3 BIOS对SD卡写操作

BIOS向SD卡中写入数据块和读取数据块相似。

BIOS首先设置写数据块的源地址和目的地址，再向SD卡端口发送CMD24(WRITE_SINGLE_BLOCK)指令启动写操作过程。

SD卡接收到CMD24后，向主机发送RESPONSE响应信号。信号的值为0表示SD卡成功响应指令;不为0，表示出错，主机重新读取响应信号，一直到信号为0，表示SD卡已经准备好接受数据块。

BIOS向SD卡发送数据起始令牌(START_ BLOCK_TOKEN)，其值为0xFE，表示接下来发送的是一个512字节的数据模块。

SD卡接收到数据后，发送数据相应信号DA TA_RESPONSE，表征需要写入的数据是否完成，最后发送2个字节的CRC校验码。BIOS向SD卡写入数据块流程如图3所示。

图3 SD卡单模块写操作流程

对写入数据的响应信号 DATA_RESPONSE，SD卡标准定义见表3所列。

表3 SD卡SPI接口对写入数据的响应信号

表中状态的含义如下:

*010:接收数据;

*101:数据校验错;

*110:写入数据错。

当SD卡正确接收数据模块时，状态的值为010，即数据响应信号DATA_RESPONSE的值为0x05。

2.4 BIOS引导操作系统

首先，通过软件开发编译平台将BIOS编译成机器码，将编译好的机器码烧写进FPGA开发板片上Flash存储器的E000:0000处;其次，利用QuartusⅡ软件调用开发板的资源实现单芯片计算机的硬件电路(已由前期研究设计完成)[1]。

开发板上电之后，首先执行片上Flash存储器的E000:0000处的BIOS机器码，对SD卡进行初始化操作的程序，主要是对SD卡进行SPI模式设置和读写数据长度的设置。BIOS对SD卡的初始化设置执行完毕之后，程序执行int19中断[9]，通过ax、cx和dx通用寄存器从int19号中断向int13号中断传递CHS(Cy linder/Head/ Sector)参数。程序通过传递过来的ah的值确定调用int13号中断的02号子功能读取SD卡的引导扇区。BIOS利用(1)式和(2)式计算出引导扇区的位置，再通过对SD卡的读操作，把SD卡的引导扇区读入到片上存储器上指定的位置0000: 7c00处。再通过把段地址和偏移地址压栈和弹栈操作，使指针指向0000:7c00处，并把指挥权交给引导扇区，执行引导扇区的指令。

引导扇区的指令继续重复地调用int13中断的2号子功能读取SD卡扇区，将存储在SD卡上的FreeDOS操作系统的 Kernel文件和 Command.com系统文件加载到片上存储器的指定位置，最终完成启动FreeDOS操作系统。

3 结束语

本文提出了从SD卡启动单芯片计算机的设想，并基于单芯片计算机SD卡设计了BIOS软件，同时阐述了BIOS软件主要的开发设计步骤。本设计BIOS利用SD卡作为主存储设备，基于SD卡SPI接口的基本协议，完成初始化和单模块读写等命令。为了实现BIOS的研发和调试工作的方便，本设计使用ALTERA DE2 FPGA开发板作为硬件开发平台。由于FPGA开发板上带有Flash存储器，Flash存储器的非易失性和可重复烧写的特性正适合存储BIOS程序;而且在硬件电路部分可以调用FPGA开发板的资源实现X86硬件电路;另外该开发板自带一个SD卡接口，是本实验与设计的理想开发平台。

最后本设计实现了总体方案设计，从SD卡成功地启动FreeDOS操作系统。所设计的BIOS软件在 Bochs模拟器上也成功地启动了FreeDOS操作系统，增加了所设计的BIOS软件的通用性和可移植性，促进了便携式产品的开发。

[1] 孙 璐，陶 晶，舒 展，等.基于8086 CPU的单芯片计算机系统的设计[J].中国集成电路，2008，17(9):32-37.

[2] 沈美明，温冬婵.80X 86汇编语言程序设计[M].北京:清华大学出版社，2001:45-164.

[3] 汪明亮，解光军.用于W LED驱动的电流检测放大器的设计[J].合肥工业大学学报:自然科学版，2008，31(8): 1330-1333，1342.

[4] UPDATE:mem ory breakfast through drivesm iniaturization [Z].1990.

[5] W eber S.Look Out EPROMs，Here Comes Flash[J].E lectronics，Nov，1990:44-50.

[6] 王 清，刘新宁.SD卡硬件启动和数据存储的控制逻辑的设计实现[J].计算机工程应用技术，2008，4(4):990-991.

[7] 陈文钦.BIOS研发技术剖析[M].北京:清华大学出版社，2001:70-164.

[8] SD M emory Card Specifications，Part 1:Physical Layer Specification，Version 1.01[S].2001.

[9] AM IBIOS 98 Technical Reference[M].American M egatrends Inc，1998.