張偉 陳月紅

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及微電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在各行各業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的不足逐漸暴露無(wú)遺，ARM嵌入式系統(tǒng)逐漸成為很多行業(yè)的最佳選擇，工業(yè)儀表亦是如此。根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表嵌入式系統(tǒng)軟件升級(jí)困難的現(xiàn)狀，本文敘述了IAP（In-Application Programming）升級(jí)技術(shù)原理和ARM在線(xiàn)編程的方案，該方案摒棄傳統(tǒng)的使用ISP接口和仿真器進(jìn)行程序更新的方式，實(shí)現(xiàn)了固件的靈活存儲(chǔ)與升級(jí)。

關(guān)鍵詞：ARM 嵌入式 IAP 工業(yè)儀表

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）08（b）-0107-02

LPC2000系列ARM處理器是目前最為流行的微處理器之一，是一種高性能、低功耗、低成本的RISC微處理器。LPC2000系列微控制器是基于支持仿真的ARM7TDMI-S CPC內(nèi)核，支持ARM和Thumb指令集。它采用ARM7架構(gòu)的微控制單元。ARM具有大量的片內(nèi)存儲(chǔ)器和豐富的片內(nèi)外設(shè)，具有連接片內(nèi)外設(shè)功能的VISI外設(shè)總線(xiàn)、與中斷控制器接口的AMBA高性能總線(xiàn)和與片內(nèi)存儲(chǔ)器控制器接口的ARM7局部總線(xiàn)。

傳統(tǒng)的LPC2000處理器更新的方式是采用仿真器和ISP下載。ISP，即In-System Programming，在線(xiàn)編程。具有ISP功能的單片機(jī)芯片，通過(guò)簡(jiǎn)單的下載線(xiàn)，可以直接在電路板上給芯片寫(xiě)入或者擦除程序，且支持在線(xiàn)調(diào)試。仿真器下載在工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)程序更新時(shí)，操作復(fù)雜、成本高。雖然ISP下載成本較低，但其更新程序的來(lái)源和操作都受到硬件的限制。

1 IAP介紹

IAP詳細(xì)描述為In Application Programming，是指在應(yīng)用編程中，單片機(jī)程序自身可以往程序存儲(chǔ)器里寫(xiě)數(shù)據(jù)或修改程序，IAP是在Flash程序存儲(chǔ)器中的一種編程模式，是程序正在應(yīng)用過(guò)程中的編程。在產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)，對(duì)Flash的部分區(qū)域存儲(chǔ)進(jìn)行擦除、讀寫(xiě)操作等，使其數(shù)據(jù)改變，這為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和固件的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)帶來(lái)了更大的靈活性。

IAP技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，首先需要在產(chǎn)品上預(yù)留一個(gè)通信口，在產(chǎn)品應(yīng)用過(guò)程中，如果boot程序檢測(cè)到上位機(jī)有新的下載需求，就可以通過(guò)這個(gè)通信口將數(shù)據(jù)下載到存儲(chǔ)區(qū)中運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)固件程序的更新升級(jí)[2]。

以Boot Loader的功能與設(shè)計(jì)過(guò)程為例，從系統(tǒng)操作角度來(lái)看，Boot Loader是先于操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行的一段程序。其主要作用在于硬件設(shè)備的初始化，即通過(guò)監(jiān)理內(nèi)存空間的映射圖，來(lái)使系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境達(dá)到操作內(nèi)核調(diào)用的狀態(tài)[3]。

#define iap_entry（in， out） （（void （*）（））（0x7ffffff1））（in， out），in是輸入?yún)?shù)，out是輸出參數(shù)，調(diào)用iap_entry函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器扇區(qū)選擇、擦除、查空、拷貝和校驗(yàn)等。

2 功能設(shè)計(jì)

將IAP代碼放于LPC2000系列ARM存儲(chǔ)器的扇區(qū)0和扇區(qū)1中，即地址0x00000000～0x00001FFF的8KB空間，作為系統(tǒng)啟動(dòng)的BootLoader（啟動(dòng)引導(dǎo)）程序，從存儲(chǔ)器地址0x00002000開(kāi)始存放應(yīng)用程序代碼。IAP的靈活性在于，更新程序時(shí)不需要像ISP那樣進(jìn)行跳線(xiàn)操作，也不需要專(zhuān)用軟件，數(shù)據(jù)來(lái)源也沒(méi)有限制，可以來(lái)至串口、U盤(pán)、以太網(wǎng)口等。本設(shè)計(jì)選擇的數(shù)據(jù)來(lái)源為串口。圖2為IAP升級(jí)的過(guò)程。

BootLoader啟動(dòng)代碼的分析與移植是嵌入式產(chǎn)品研發(fā)中最重要的環(huán)節(jié)之一。近年來(lái)，嵌入式技術(shù)已取得了飛速的發(fā)展，但對(duì)于其最本質(zhì)的核心部分Boot Loader的分析卻不是很多。實(shí)踐證明，BootLoader的優(yōu)越與否，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的性能起到?jīng)Q定性的作用[4]。

每次上電或重新啟動(dòng)后，ARM都會(huì)首先運(yùn)行BootLoader程序，等待PC端軟件的更新程序命令或運(yùn)行原來(lái)存儲(chǔ)器中的程序，當(dāng)在3s鐘內(nèi)接收到0xAA 0x55數(shù)據(jù)幀時(shí)，BootLoader程序進(jìn)入等待更新程序模式，否則檢測(cè)存儲(chǔ)器應(yīng)用程序區(qū)是否有應(yīng)用程序，若有則運(yùn)行應(yīng)用程序。當(dāng)BootLoader程序進(jìn)入更新程序模式時(shí)，首先讀取芯片的ID，然后根據(jù)芯片ID來(lái)確定芯片的程序存儲(chǔ)器的扇區(qū)結(jié)構(gòu)，同時(shí)PC端下載軟件開(kāi)始發(fā)送16進(jìn)制格式的程序文件的數(shù)據(jù)幀，程序文件的數(shù)據(jù)幀格式為以0x79做幀頭，16進(jìn)制文件的每行數(shù)據(jù)作為幀的數(shù)據(jù)部分。

圖3是PC端下載軟件的界面，在下載時(shí)先正確設(shè)置串口，選擇起始扇區(qū)為2，其他設(shè)置默認(rèn)，選擇需要下載的HEX格式文件，然后下載即可。下載有兩種模式：手動(dòng)和自動(dòng)模式，下載過(guò)程中，軟件狀態(tài)欄會(huì)顯示當(dāng)前操作狀態(tài)。

需要注意的是，為了讓用戶(hù)代碼運(yùn)行地址從0x00002000開(kāi)始，在開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序時(shí)，將ADS的ARM Linker選項(xiàng)卡中RO Base設(shè)為0x00002000，在相應(yīng)的分散加載文件中修改程序加載地址為0x00002000。因?yàn)樘幚砥饕袚Q到Thumb指令執(zhí)行IAP代碼，需要將ARM C Compiler下的ARM/Thumb Interwoking選項(xiàng)勾上。另外IAP函數(shù)使用了RAM空間的高32字節(jié)空間，因此應(yīng)用程序不應(yīng)該使用該空間，應(yīng)用程序堆棧不能超過(guò)RAM頂端-32，在啟動(dòng)代碼中設(shè)置如下：

；Build the SYS stack

；設(shè)置系統(tǒng)模式堆棧

MSR CPSR_c， #0xdf

LDR SP， =StackUsr-32 ； iap減32

MOV PC， R0

3 結(jié)語(yǔ)

隨著ARM嵌入式技術(shù)在儀表中的應(yīng)用，人們不僅對(duì)系統(tǒng)的性能和可靠性有很高的要求，產(chǎn)品是否能升級(jí)也成為重要的指標(biāo)。本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了LPC2000系列ARM的BootLoader程序和PC端下載軟件，在儀表程序的現(xiàn)場(chǎng)更新中得到了很好的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚夢(mèng)濤，杭佳，趙漢清，等.基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（15）：202.

[2] 易前旭.基于無(wú)線(xiàn)IAP的工業(yè)嵌入式系統(tǒng)升級(jí)技術(shù)應(yīng)用探討[J].科技致富向?qū)В?014（24）：185.

[3] 孫李斌，趙明明.嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中ARM和Linux的核心技術(shù)分析[J].電子世界，2017（12）：40.