在嵌入式開發(fā)過程中， ISP設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原理

嵌入式系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于國防電子、數(shù)字家庭、工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子等多種領(lǐng)域[1]。在嵌入式開發(fā)過程中，許多系統(tǒng)通常使用串口驅(qū)動(dòng)來滿足通信要求，但在實(shí)際應(yīng)用中，使用SPI通信方式會(huì)更加高效和快捷[2]。SPI接口是一種高速、高效的串行接口技術(shù)，因而SPI設(shè)備在數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中十分方便[3]。本文基于ARM9芯片的S3C2440和Linux操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種SPI驅(qū)動(dòng)程序，該驅(qū)動(dòng)程序功能可靠靈活、易于移植，可應(yīng)用于多種嵌入式平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)ARM與設(shè)備之間的通信。

1 硬件說明

1.1 S3C2440開發(fā)平臺(tái)

采用三星公司的SoC芯片S3C2440[4]作為核心處理器，主頻為400 MHz，并與64 MB SDRAM和64 MB NAND Flash共同組成核心部分。此外，該平臺(tái)也為用戶提供了大量的通信、顯示、調(diào)試以及I/O接口。為滿足設(shè)計(jì)需要，將Linux2.6.21版內(nèi)核移植于該平臺(tái)上。

1.2 SPI硬件模塊

S3C2440具有兩個(gè)SPI，每個(gè)SPI具有兩個(gè)8位移位寄存器用于獨(dú)立地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并兼容SPI ver.2.11協(xié)議，支持8位邏輯預(yù)分頻，系統(tǒng)可用polling、中斷、DMA三種方式判斷SPI發(fā)送及接收狀態(tài)。此SPI模塊共包含以下信號(hào)線[5]：

(1)SCK：數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備驅(qū)動(dòng)，向從設(shè)備輸出，使得從設(shè)備按照同步時(shí)鐘的步調(diào)來接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。

(2)nCS(由用戶指定GPIO)：從設(shè)備選擇信號(hào)線(Slave Select，SS)由主設(shè)備發(fā)出，用來選擇激活某個(gè)從設(shè)備，低電平有效。

(3)MISO(SPIMISO0)：主入從出信號(hào)線，表示該信號(hào)在主設(shè)備中作為輸入，在從設(shè)備中作為輸出。

(4)MOSI(SPIMOSI0)：主出從入信號(hào)線，表示該信號(hào)在主設(shè)備中作為輸出，在從設(shè)備中作為輸入。

(5)/SS(nSS)：多主錯(cuò)誤檢測。

應(yīng)用程序的固化是嵌入式產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)?；贏RM的嵌入式系統(tǒng)常用的程序固化方法是，用仿真器通過JTAG口將程序燒錄到Flash里，在產(chǎn)品的開發(fā)階段，使用仿真器幾乎是必然的;然而到了產(chǎn)品的生產(chǎn)階段，進(jìn)行應(yīng)用程序燒錄或升級(jí)操作的往往是生產(chǎn)線上的工人，他們不易掌握仿真器的使用方法，而且在生產(chǎn)階段也需要把JTAG調(diào)試口封住以防軟件被窺視。筆者在使用意法半導(dǎo)體的STR730開發(fā)產(chǎn)品的過程中，設(shè)計(jì)了一種通過串口進(jìn)行ISP(InSystemProgramming，在系統(tǒng)編程)的方案。該方案成本低，生產(chǎn)線使用起來也很方便，而且即使升級(jí)過程中發(fā)生掉電之類的意外也不會(huì)影響下一次升級(jí)，安全而可靠。

1 硬件連接

ISP方案的硬件連接如圖1所示。RS232轉(zhuǎn)接板用來將RS232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，并通過ISP_EN引腳給ARM開發(fā)板提供信號(hào)，讓其進(jìn)入ISP狀態(tài)。PC機(jī)上運(yùn)行用VC語言編寫的ISP.exe，該程序把需要燒錄到F1ash里的.bin文件加密后發(fā)送到ARM開發(fā)板，同時(shí)把燒錄的進(jìn)度提示顯示給用戶。圖1中的陰影部分具有固定的程序。

2 Flash燒錄原理

2.1存儲(chǔ)器分配

STR730是意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的基于ARM7TDMI的微控制器芯片，內(nèi)置16 KB RAM(0xa0000000～Oxa0003fff)和256 KB Flash(Ox80000000～Ox8003ffff)。內(nèi)置256 KB Flash的分配情況如圖2所示。按照?qǐng)D2中存儲(chǔ)器的分配編寫Scatter文件，在生成可執(zhí)行文件時(shí)鏈接器會(huì)根據(jù)Scatter文件的內(nèi)容把相關(guān)代碼段定位到特定的地址上。該例中，程序從Flash啟動(dòng)，且沒有使用存儲(chǔ)器重映射，因此中斷向量必須定位到Flash的起始位置。

扇區(qū)O的內(nèi)容需要事先通過JTAG口燒入，此后就可以利用扇區(qū)O中的燒錄程序Programrher.o通過串口進(jìn)行ISP。在整個(gè)ISP過程中扇區(qū)0的內(nèi)容是保持不變的，這樣就可以防止ISP過程中出現(xiàn)掉電之類的意外，導(dǎo)致初始化代碼Startup或燒錄程序Programmer受到損壞而無法再一次進(jìn)行ISP。

無論對(duì)嵌入式產(chǎn)品添加新功能還是修改原有的軟件BUG，涉及的都只是用戶應(yīng)用程序的改動(dòng)，初始化代碼Startup.s是無需改動(dòng)的，所以扇區(qū)O的內(nèi)容在ISP過程中可否保持不變，關(guān)鍵是能否使首次編譯生成的Vector.0始終與以后多次編譯的App.o相匹配。

需要特別指出的是，當(dāng)用戶應(yīng)用程序發(fā)生改變時(shí)，實(shí)際的中斷服務(wù)函數(shù)(一般是C語言函數(shù))很可能發(fā)生了改變，或者是實(shí)際的中斷服務(wù)函數(shù)的入口地址發(fā)生了改變，怎么通過固定不變的中斷向量Vector.o找到變化的中斷服務(wù)函數(shù)的入口呢?只要這個(gè)問題解決了，就可以使首次編譯生成的Vector.o始終和以后多次編譯的App.o相匹配，這是該方案可行性的關(guān)鍵所在。為解決這個(gè)問題，筆者在Flash的固定位置(0x80002000～0x800020ff)做了一個(gè)中斷映射表，實(shí)際上里面存放的是一條條跳轉(zhuǎn)指令。由于中斷映射表INTMap.s和用戶應(yīng)用程序App.c是一同編譯、鏈接的，里面的跳轉(zhuǎn)指令當(dāng)然可以準(zhǔn)確找到實(shí)際的中斷服務(wù)程序入口;而位于扇區(qū)O的中斷向量Vector.s雖然不和用戶應(yīng)用程序一起編譯，但中斷向量里的跳轉(zhuǎn)指令是絕對(duì)跳轉(zhuǎn)到固定的中斷映射表區(qū)域。這樣通過2次跳轉(zhuǎn)就可以準(zhǔn)確找到中斷服務(wù)程序的入口。

可以通過圖3看出快中斷的處理流程(其他的中斷處理流程類似)。

2.2 ISP執(zhí)行的步驟

筆者把起到燒錄Flash作用的程序單獨(dú)作為一個(gè)工程編譯、鏈接，生成.bin文件;然后把.bin文件轉(zhuǎn)化成一個(gè)unsigned char型的數(shù)組，并把該數(shù)組放在一個(gè)單獨(dú)的文件Programmet.c中;最后利用Scatter文件把Programmer.o定位在固定的地址空間(0x80001000～Ox80001fff，如圖2所示)。這樣一來，就可以編寫匯編程序，把燒錄程序Pro—grammer.o拷貝到RAM中，并讓PC指針跳轉(zhuǎn)到RAM中執(zhí)行燒錄。由于STR730沒有外部Flash，要燒錄Flash程序必須在RAM中運(yùn)行，所以拷貝Programmer.o到RAM中是必需的。以下代碼摘取自Startup.s。

燒錄程序Programmet的軟件流程如圖4所示。

需要說明的是：

①擦除Flash并不是完全擦除，而是擦除扇區(qū)0之外的其他扇區(qū);

②數(shù)據(jù)緩沖區(qū)有限，每次只接收指定大小的數(shù)據(jù)，這樣接收和燒錄就可以并行進(jìn)行，提高了ISP的速度;

③為了提高軟件的安全性，原始的.bin文件是經(jīng)過加密的，在燒錄前需要將原始數(shù)據(jù)解密。

結(jié) 語

本文闡述的這種通過串口ISP的方法已經(jīng)在實(shí)際的開發(fā)生產(chǎn)過程中使用。實(shí)踐證明，相比其他燒錄Flash的方法有很多優(yōu)勢，比如成本低、硬件連接簡單、操作方便、增強(qiáng)軟件的安全性等。筆者使用的MCU是STR730，稍做改動(dòng)也可以把這種ISP方法推廣到其他ARM體系結(jié)構(gòu)的MCU上去