CN113626092A - 嵌入式系统启动方法与soc芯片 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了嵌入式系统启动方法及SOC芯片，其中方法包括以下步骤：CPU对硬件解压缩模块进行初始化，并且分配预设大小的输入缓冲区；CPU从存储介质中按照固定块大小读取压缩数据，并且将所述压缩数据放到所述输入缓冲区；所述压缩数据为经过压缩处理的系统启动的固件和数据；CPU读取到第一个数据块时，启动所述硬件解压缩模块，然后读取下一数据块，并且更新到所述输入缓冲区；所述硬件解压缩模块从所述输入缓冲区读取所述压缩数据，对所述压缩数据进行解压缩和校验处理。本发明实施例能够大幅度的提高处理速度，进而明显加快系统启动速度。

Description

嵌入式系统启动方法与SOC芯片

技术领域

本发明涉及计算机领域，特别涉及一种嵌入式系统启动方法与SOC芯片。

背景技术

在常见的嵌入式系统的产品应用中，开机启动速度是影响用户体验的一个重要指标。

开机启动通常分为两种，分别为冷启动和热启动。冷启动是指产品从完全断电的状态，切换到上电状态之后进行的启动过程；热启动是指产品没有完全断电，系统只是进入了低功耗待机模式，在收到用户的启动指令后进行的启动过程。本发明描述的技术手段针对系统冷启动。

参照图1，冷启动的过程通常经历几个重要阶段，分别为芯片固化的只读启动程序阶段，启动引导程序阶段，系统初始化阶段和应用启动阶段。以常见的 Linux 系统启动过程为例，系统上电后先后执行芯片固化的只读启动程序（Boot ROM），启动引导程序（U-Boot），Linux 内核初始化以及根文件系统加载等几个阶段。在该过程中，每一个阶段都会执行从存储介质加载数据、并且对其进行校验等操作，但加载和校验数据通常比较耗时，是影响启动速度的重要因素。

为了改善加载数据和校验等过程比较耗时等问题，常见的技术手段有：

1.优化启动的执行流程，减少重复和不必要的操作；

2.提高系统运行频率；

3.使用较快的存储介质，如使用更快的 eMMC 等存储设备保存数据和固件；

4.对数据和固件进行压缩保存，使得启动过程中从存储介质上读取的数据量变小。

在上述的优化手段中，系统运行频率通常受到芯片本身的特性限制，不能无限制的进行频率提升；使用更快的存储介质意味着更高的成本；对数据进行压缩存储是一种相对低成本高收益的方案，但并不是适合所有芯片和存储设备，主要的原因是 CPU 需要先后对数据进行读取和解压缩操作，对数据进行解压缩也要耗费时间。在 CPU 运行频率较低的情况下，因数据压缩而减少的数据读取时间可能又在 CPU 解压缩数据的过程中被消耗殆尽。

上述所列的加快启动速度的技术手段中，对数据和固件进行压缩保存的方案虽然有一些弱点，但是也有很大的改进空间，本发明通过软硬件结合的方法，针对该方案进行改善。

在现有方案中，数据和固件被压缩保存在存储介质，启动时 CPU 从存储介质读取压缩数据，然后对数据进行解压缩，最后对数据进行校验。该过程是 CPU 串行执行的过程。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种嵌入式系统启动方法，在芯片中增加一个硬件模块，与 CPU 进行配合，将读取、解压缩和校验这几个步骤变成流水线并行处理的过程，在 CPU 读取压缩数据时，另外一个硬件模块同时对数据执行解压缩和校验，能够大幅度的提高处理速度，进而明显加快启动速度。

本发明还提出一种实施上述嵌入式系统启动方法的SOC芯片。

根据本发明的第一方面实施例的嵌入式系统启动方法，包括以下步骤：CPU对硬件解压缩模块进行初始化，并且分配预设大小的输入缓冲区；CPU从存储介质中按照固定块大小读取压缩数据，并且将所述压缩数据放到所述输入缓冲区；所述压缩数据为经过压缩处理的系统启动的固件和数据；CPU读取到第一个数据块时，启动所述硬件解压缩模块，然后读取下一数据块，并且更新到所述输入缓冲区；所述硬件解压缩模块从所述输入缓冲区读取所述压缩数据，对所述压缩数据进行解压缩和校验处理。

根据本发明实施例的嵌入式系统启动方法，至少具有如下有益效果：本发明实施例的方法通过增加一个硬件模块，与 CPU 进行配合，将读取、解压缩和校验这几个步骤变成流水线并行处理的过程，在 CPU 读取压缩数据时，另外一个硬件模块同时对数据执行解压缩和校验，则可以大幅度的提高处理速度，进而明显加快启动速度。本发明实施例在启动流程中引入硬件解压缩模块，在解压缩工作期间动态增加输入缓冲区的数据块，可以实现只启动一次，后续只需要往输入缓冲区写入新数据块，即可让硬件解压缩模块持续工作，不需要 CPU 重新配置硬件解压缩模块。

根据本发明的一些实施例，所述压缩数据包括内核与内存文件系统，或仅包括内核。

根据本发明的一些实施例，所述硬件解压缩模块对所述压缩数据进行解压缩处理和校验处理包括：从所述输入缓冲区读取数据，对所述数据进行格式解析；根据格式解析结果，通过对应的解压缩算法对所述数据进行解压缩；对经过解压缩的数据进行校验。

根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：所述硬件解压缩模块检查所述输入缓冲区的数据是否更新，若是，则读取所述输入缓冲区数据并进行解压缩操作和校验操作。

根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：CPU依次从存储介质中读取数据，并确定所述数据是否为压缩数据。

根据本发明的第二方面实施例的SOC芯片，用于实现如本发明的第一方面实施例中任一项所述的方法，所述SOC芯片包括：CPU，用于从存储介质中读取数据，以及配置硬件解压缩模块；硬件解压缩模块，与所述CPU相连，用于对数据进行解压缩和校验；所述硬件解压缩模块包括：格式解析单元，用于对输入的数据进行格式解析；解压缩单元，用于根据格式解析结果对数据进行解压缩；校验单元，用于对解压缩后的数据进行校验。

根据本发明实施例的SOC芯片，至少具有如下有益效果：本发明实施例的方法通过增加一个硬件模块，与 CPU 进行配合，可以将读取、解压缩和校验这几个步骤变成流水线并行处理的过程，在 CPU 读取压缩数据时，另外一个硬件模块同时对数据执行解压缩和校验，则可以大幅度的提高处理速度，进而明显加快启动速度。本发明通过添加新的硬件模块，并且实现 CPU 加载数据与解压缩以及校验数据并行处理，可实现对所有存储设备的数据加载速度的倍增。

根据本发明的一些实施例，所述硬件解压缩模块包括开启与关闭单元，用于开启或关闭所述硬件解压缩模块。

根据本发明的一些实施例，所述硬件解压缩模块包括数据缓冲区配置单元，用于配置输入数据缓冲区和输出数据缓冲区。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为嵌入式 Linux 系统启动示例示意图；

图2为CPU 串行处理压缩数据示例示意图；

图3为本发明实施例的硬件解压缩模块示意框图；

图4为本发明实施例CPU与硬件解压缩模块并行处理数据示意图；

图5为CPU 串行读取和解压缩处理的流程示意图；

图6为本发明实施例的数据加载和解压并行处理示意图；

图7为本发明实施例的SOC芯片的结构示意框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

CPU：中央处理器；

eMMC：一种存储设备；

Boot ROM：固化在芯片中的只读启动程序；

U-Boot：通用启动引导程序；

Linux：一种操作系统内核；

RTOS：实时操作系统。

参照图2，在嵌入式系统采用数据压缩存储的启动过程中，会经历一个或者多个下列过程：

1.当前启动阶段的程序，从存储介质中读取压缩数据（可能是纯数据，也可能是下一阶段的程序）。

2.对数据进行解压缩。

3.对解压缩后的数据进行校验（该过程也可以是对解压缩前的数据进行）。

参照图3，本发明实施例的处理器芯片增加一个具有数据解压缩功能的硬件模块，下文称之为硬件解压缩模块。硬件解压缩模块具有下列功能：

1.可以单独开启和关闭。

2.可配置输入和输出的数据缓冲区。

3.可在工作期间，动态更新输入缓冲区信息。

4.支持一种或者多种解压缩算法。

5.支持常见压缩文件格式，可根据数据解压缩的需要，选择是否使用文件格式解析功能。压缩后的数据可能以各种不同的格式保存，比如 gzip 压缩格式。CPU 在读取第一笔数据时，需要对数据进行初步的检测，判断是哪种压缩格式，然后配置硬件压缩模块，启用文件格式解析功能。启用了文件格式解析功能后，CPU 不需要进一步解析压缩文件，直接将原始压缩文件输入给硬件压缩模块，即可进行解压缩。在一些应用场景中，如果 CPU 已经获取到解析后的压缩数据，则可以关闭文件格式解析功能，直接将压缩数据输入到硬件解压缩模块进行解压缩。

6.支持对解压缩后的数据进行校验，可根据数据解压缩的需要，选择是否启动校验功能。数据校验的功能是一个可选的配置，在启动解压缩之前可根据需要，通过配置硬件解压缩模块的方式启用或者关闭。数据校验功能仅对解压后数据进行 CRC32 的校验值进行计算，计算结果可以通过寄存器的方式读取。

数据校验功能是对解压后的数据进行 CRC32 校验值进行计算，在所有的数据解压缩完成之后，可以通过寄存器的方式从硬件解压缩模块读取最终的 CRC32 校验值。校验结果是否正确，需要 CPU 读取最终输出的 CRC32 校验值后，与原始校验值进行比较，进行判定。通常的处理是校验值不正确则终止启动流程。

参照图4，在硬件解压缩模块的使用过程中，通过软硬件结合，合理分配任务，使得压缩数据读取和硬件解压缩以及数据校验得以并行处理，从而减少读取、解压缩和校验的总时间。

CPU 开始读取压缩数据时，对硬件解压缩模块进行初始化，并且分配好足够大小的输入缓冲区。CPU 按照固定块大小进行压缩数据的读取，并且将数据放到硬件解压缩模块的输入缓冲区；CPU 在读取到第一个数据块时，开始启动硬件解压缩模块，然后继续从存储介质读取下一个数据块，并且更新到输入缓冲区；硬件解压缩模块在启动后，从输入缓冲区读取数据，进行解压缩和校验，直到所有数据消耗完。

通过上述 CPU 与硬件解压缩模块的并行处理优化，可以显著减少压缩数据的整体处理时间。对于数据较大的应用场景，可以显著加快启动速度。

上述优化技术可用于各种嵌入式系统的启动流程中，包括常见的实时操作系统（RTOS）和 Linux 操作系统。下面以其中一种应用场景为例，演示实际的应用。

在实际的启动过程中，内核（Kernel）与内存文件系统（InitRamFS）是数据量最大的组件，为了减小读取的数据大小，通常对这两个组件进行压缩处理，然后在启动引导程序（U-Boot）加载后，对其进行解压缩，最后跳转执行。

参照图5，图5演示了 CPU 串行读取和解压缩处理的流程。

通过引入硬件解压缩模块，可以将内核（Kernel）与内存文件系统（InitRamFS）先合并到一起，然后再做整体压缩处理。

启动引导程序阶段，在 CPU 读取了压缩数据的第一个数据块之后，立刻启用硬件解压缩模块对压缩数据进行解压缩处理。如图6所示，后续的读取和解压缩过程由两个硬件并行执行，从而减少整体的处理时间。

参照图6和图3，本发明实施例还提供一种SOC芯片，包括CPU和硬件解压缩模块，该硬件解压缩模块包括：格式解析单元，用于对输入的数据进行格式解析；解压缩单元，用于根据格式解析结果对数据进行解压缩；校验单元，用于对加压缩后的数据进行校验。

在一些实施例中，硬件解压缩模块包括开启与关闭单元，用于开启或关闭硬件解压缩模块。

在一些实施例中，硬件解压缩模块包括数据缓冲区配置单元，用于配置输入数据缓冲区和输出数据缓冲区。

嵌入式系统启动时，CPU从存储器中读取数据，该存储器既可以是内置在该SOC芯片的存储器，也可以是外挂的存储芯片。

在既定芯片平台上，现有技术通常是通过软件优化的方式，尽可能的减少多余操作，从而加快启动处理流程；或者通过选择更快速的存储器件，从而加快加载数据的速度。本发明通过添加新的硬件模块，并且实现 CPU 加载数据与解压缩以及校验数据并行处理，可实现对所有存储设备的数据加载速度的倍增。

尽管本文描述了具体实施方案，但是本领域中的普通技术人员将认识到，许多其它修改或另选的实施方案同样处于本公开的范围内。例如，结合特定设备或组件描述的功能和/或处理能力中的任一项可以由任何其它设备或部件来执行。另外，虽然已根据本公开的实施方案描述了各种例示性具体实施和架构，但是本领域中的普通技术人员将认识到，对本文所述的例示性具体实施和架构的许多其它修改也处于本公开的范围内。

上文参考根据示例性实施方案所述的系统、方法、系统和/或计算机程序产品的框图和流程图描述了本公开的某些方面。应当理解，框图和流程图中的一个或多个块以及框图和流程图中的块的组合可分别通过执行计算机可执行程序指令来实现。同样，根据一些实施方案，框图和流程图中的一些块可能无需按示出的顺序执行，或者可以无需全部执行。另外，超出框图和流程图中的块所示的那些部件和/或操作以外的附加部件和/或操作可存在于某些实施方案中。

因此，框图和流程图中的块支持用于执行指定功能的装置的组合、用于执行指定功能的元件或步骤的组合以及用于执行指定功能的程序指令装置。还应当理解，框图和流程图中的每个块以及框图和流程图中的块的组合可以由执行特定功能、元件或步骤的专用硬件计算机系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。

本文所述的程序模块、应用程序等可包括一个或多个软件组件，包括例如软件对象、方法、数据结构等。每个此类软件组件可包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令响应于执行而使本文所述的功能的至少一部分（例如，本文所述的例示性方法的一种或多种操作）被执行。

软件组件可以用各种编程语言中的任一种来编码。一种例示性编程语言可以为低级编程语言，诸如与特定硬件体系结构和/或操作系统平台相关联的汇编语言。包括汇编语言指令的软件组件可能需要在由硬件架构和/或平台执行之前由汇编程序转换为可执行的机器代码。另一种示例性编程语言可以为更高级的编程语言，其可以跨多种架构移植。包括更高级编程语言的软件组件在执行之前可能需要由解释器或编译器转换为中间表示。编程语言的其它示例包括但不限于宏语言、外壳或命令语言、作业控制语言、脚本语言、数据库查询或搜索语言、或报告编写语言。在一个或多个示例性实施方案中，包含上述编程语言示例中的一者的指令的软件组件可直接由操作系统或其它软件组件执行，而无需首先转换成另一种形式。

软件组件可存储为文件或其它数据存储构造。具有相似类型或相关功能的软件组件可一起存储在诸如特定的目录、文件夹或库中。软件组件可为静态的（例如，预设的或固定的）或动态的（例如，在执行时创建或修改的）。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种嵌入式系统启动方法，其特征在于，包括以下步骤：

CPU对硬件解压缩模块进行初始化，并且分配预设大小的输入缓冲区；

CPU从存储介质中按照固定块大小读取压缩数据，并且将所述压缩数据放到所述输入缓冲区；所述压缩数据为经过压缩处理的系统启动的固件和数据；

CPU读取到第一个数据块时，启动所述硬件解压缩模块，然后读取下一数据块，并且更新到所述输入缓冲区；

所述硬件解压缩模块从所述输入缓冲区读取所述压缩数据，对所述压缩数据进行解压缩和校验处理。

2.根据权利要求1所述的嵌入式系统启动方法，其特征在于，所述压缩数据包括内核与内存文件系统，或仅包括内核。

3.根据权利要求1所述的嵌入式系统启动方法，其特征在于，所述硬件解压缩模块对所述压缩数据进行解压缩处理和校验处理包括：

从所述输入缓冲区读取数据，对所述数据进行格式解析；

根据格式解析结果，通过对应的解压缩算法对所述数据进行解压缩；

对经过解压缩的数据进行校验。

4.根据权利要求1所述的嵌入式系统启动方法，其特征在于，所述方法还包括：所述硬件解压缩模块检查所述输入缓冲区的数据是否更新，若是，则读取所述输入缓冲区数据并进行解压缩操作和校验操作。

5.根据权利要求1所述的嵌入式系统启动方法，其特征在于，所述方法还包括：CPU依次从存储介质中读取数据，并确定所述数据是否为压缩数据。

6.一种SOC芯片，用于实现如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述SOC芯片包括：

CPU，用于从存储介质中读取数据，以及配置硬件解压缩模块；

硬件解压缩模块，与所述CPU相连，用于对数据进行解压缩和校验；

所述硬件解压缩模块包括：

格式解析单元，用于对输入的数据进行格式解析；

解压缩单元，用于根据格式解析结果对数据进行解压缩；

校验单元，用于对解压缩后的数据进行校验。

7.根据权利要求6所述的SOC芯片，其特征在于，所述硬件解压缩模块包括开启与关闭单元，用于开启或关闭所述硬件解压缩模块。

8.根据权利要求6所述的SOC芯片，其特征在于，所述硬件解压缩模块包括数据缓冲区配置单元，用于配置输入数据缓冲区和输出数据缓冲区。

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