ARM系統(tǒng)代碼固化的串口實(shí)現(xiàn)

早期的嵌入式程序采用“編程—燒寫—修改—燒寫”的開(kāi)發(fā)模式，大量的時(shí)間消耗在重復(fù)燒寫芯片上，增加了開(kāi)發(fā)成本和研發(fā)周期。之后發(fā)展到仿真器階段，雖然簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)模式，但是由于仿真器與ARM芯片的兼容性等因素，經(jīng)常會(huì)發(fā)生程序在仿真器上能正確運(yùn)行，但是固化之后運(yùn)行卻出現(xiàn)問(wèn)題的情況。
程序的固化是軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中重要的一環(huán)，一般可通過(guò)JATG口、網(wǎng)口及串口等進(jìn)行燒寫。相比之下，串口實(shí)現(xiàn)更為便捷,更值得推廣。筆者在開(kāi)發(fā)1C1T小靈通中繼站的過(guò)程中，通過(guò)編制燒寫程序，利用串口將編譯后的目標(biāo)代碼發(fā)送給ARM處理器；由ARM處理器內(nèi)部的監(jiān)控程序?qū)⒛繕?biāo)代碼寫入片外Flash，實(shí)現(xiàn)程序的在線燒寫。這樣不僅簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，而且降低了開(kāi)發(fā)成本，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。
1 燒寫原理及過(guò)程
硬件連接如圖1所示，ARM開(kāi)發(fā)板一方面通過(guò)串口與PC機(jī)連接，另一方面通過(guò)20針I(yè)DC寬帶線與仿真器相連，再由仿真器通過(guò)25針并口插座與PC機(jī)的LPT口相連。開(kāi)發(fā)板通電后即可進(jìn)行燒寫工作。
如圖2所示，代碼固化分2個(gè)步驟進(jìn)行。第1步，如虛線一所示，監(jiān)控程序的映像通過(guò)仿真器下載到ARM的內(nèi)部RAM中運(yùn)行，用戶可以在主機(jī)端用超級(jí)終端或者其他串口調(diào)試工具與開(kāi)發(fā)板通信。第2步，將應(yīng)用程序的可執(zhí)行代碼通過(guò)串口發(fā)送，如虛線二所示，此時(shí)內(nèi)部RAM里的監(jiān)控程序就會(huì)接收并把它燒寫到Flash中。

圖1 ARM開(kāi)發(fā)板與PC機(jī)的連接

圖2 代碼燒寫原理
2 監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)
2.1 啟動(dòng)代碼設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)串口燒寫的監(jiān)控程序包括ARM啟動(dòng)代碼、串口通信代碼和Flash燒寫代碼3部分。ARM啟動(dòng)代碼是整個(gè)程序運(yùn)行的入口點(diǎn)，完成ARM系統(tǒng)正常運(yùn)行所必需的簡(jiǎn)單初始化，然后把系統(tǒng)控制權(quán)交給操作系統(tǒng)或者高級(jí)語(yǔ)言編寫的監(jiān)控程序。由于啟動(dòng)代碼直接對(duì)SoC內(nèi)核和硬件控制器進(jìn)行編程,因此必須采用匯編語(yǔ)言。
啟動(dòng)代碼包括異常向量表的定義、各種模式的堆棧初始化、系統(tǒng)硬件初始化、程序運(yùn)行環(huán)境初始化，最后跳轉(zhuǎn)到用戶C語(yǔ)言主程序。當(dāng)系統(tǒng)上電或復(fù)位后首先會(huì)從邏輯地址0x0處執(zhí)行。
ARM處理器有7種運(yùn)行模式，如表1所列。每一種模式都有獨(dú)立的堆棧指針寄存器（SP），因此對(duì)使用的模式都要給堆棧指針寄存器SP定義堆棧地址。改變狀態(tài)寄存器（CPSR）內(nèi)的狀態(tài)位，使處理器切換到不同模式，然后給SP賦值就可以實(shí)現(xiàn)堆棧的初始化。當(dāng)然，堆棧的大小視需要而定。
表1 ARM處理器的7種運(yùn)行模式

堆棧初始化程序如下：
InitStack
MOVr0,lr;保存返回地址
MOV r1,#Mode_SVC:OR:I_Bit:OR:F_Bit;設(shè)置管理模式堆棧
MSRcpsr_c, r1
LDRr13, =SVC_STACK
MOVpc,r0;子程序返回
系統(tǒng)硬件初始化包括設(shè)置外部存儲(chǔ)器的類型、數(shù)據(jù)位寬度等，完成之后即可通過(guò)“B Main”語(yǔ)句跳轉(zhuǎn)到C語(yǔ)言主程序。與LDR指令相比，雖然跳轉(zhuǎn)范圍小，但是32 MB的地址空間跳轉(zhuǎn)足以滿足程序需要，而且運(yùn)行得更快。
2.2 燒寫主程序設(shè)計(jì)
Main函數(shù)功能主要包括接收串口數(shù)據(jù)、解析映像文件及寫入外部Flash，如圖3所示。串口函數(shù)主要由init_sio()、init_val()和send_data()組成。函數(shù)init_sio()用于對(duì)串口通信參數(shù)的設(shè)置：波特率，57 600 b/s；奇偶校驗(yàn)，無(wú)；數(shù)據(jù)位，8位；停止位，1位。init_val()是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)存，為了提高接收速率，把接收到的數(shù)據(jù)先暫存到外部SRAM中。如果程序量較小也可以選擇暫存到芯片內(nèi)部的RAM（64 KB）中，等接收完畢后再對(duì)其進(jìn)行解析。send_data()用于向串口回送燒寫工作的信息。

圖3 Main函數(shù)流程
下一步就是要對(duì)映像文件進(jìn)行解析并正確地寫入外部Flash中。嵌入式程序通過(guò)編譯器生成的映像文件是elf格式的axf文件，里面有文件頭、段信息等信息，不能直接燒錄，一般將它轉(zhuǎn)化為bin或者h(yuǎn)ex文件。這里將嵌入式程序編譯成SRecord十六進(jìn)制文件。這是一種Motorola公司推出的標(biāo)準(zhǔn)文件格式，用來(lái)將數(shù)據(jù)從PC機(jī)傳送到目標(biāo)平臺(tái)Flash，在嵌入式開(kāi)發(fā)中廣為應(yīng)用。SRecord文件格式如下：

其中，SID表示當(dāng)前記錄的類型，常見(jiàn)的有S0、S1、S5和S9等，各個(gè)類型代表的意義不同，如S9所在語(yǔ)句表示文件的結(jié)束；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代表本句后面數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度；地址的字節(jié)數(shù)會(huì)因不同的S記錄而異，一般為2字節(jié)，表示的是后面的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的地址。
一個(gè)S記錄的長(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)78字節(jié)，所以每次讀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度設(shè)為78字節(jié)，通過(guò)判斷文件類型（如S3為0x5333）的標(biāo)志位來(lái)確定一個(gè)S記錄的開(kāi)始。解析過(guò)程就是根據(jù)SID確定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，截取數(shù)據(jù)部分，傳遞要寫入Flash中的地址。
最后一步就是如何將數(shù)據(jù)寫入Flash。不同類型Flash存儲(chǔ)器的編程與擦除指令也不太一樣。本系統(tǒng)使用的是Hyundai公司生產(chǎn)的HY29LV160。
向Flash存儲(chǔ)器的特定寄存器寫入地址和數(shù)據(jù)命令,就可對(duì)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行燒寫、擦除等操作。編程指令只能使“1”變?yōu)?ldquo;0”,而擦除命令則可使“0”變?yōu)?ldquo;1”,因此正確的操作順序是先擦除、后編程。當(dāng)Flash被擦除后讀出的數(shù)據(jù)應(yīng)為0xff。寫指令編程如下：
*((volatile uint16 *)start_addr + addr_unlock1)=data_unlock1;
start_add為Flash起始地址,addr_unlock1為0x555,//data_unlock1為0xaaaa
*((volatile uint16 *)start_addr +addr_unlock2)= data_unlock2;
//addr_unlock2為0x2aa,data_unlock2為0x5555
*((volatile uint16 *)start_addr +addr_unlock1)= setup_write;
//setup_write為0xa0a0
*to_add=data_pra;//寫入數(shù)據(jù)
應(yīng)在每個(gè)單元燒寫命令發(fā)出后進(jìn)行檢測(cè),以保證前一個(gè)單元燒寫結(jié)束后再進(jìn)行下一個(gè)存儲(chǔ)單元的燒寫,當(dāng)然也可采用延時(shí)等待的方法進(jìn)行連續(xù)的燒寫。
2.3 編譯與執(zhí)行
由于日本OKI公司的小靈通芯片ml7338是基于ARM7TDMI核，所以系統(tǒng)采用ARM集成開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境ADS1.2，使用TechorICE仿真器。具體編譯語(yǔ)句如下：
armlink Startup.o main.o
-rw-base 0x10000000
-first Startup.o(vectors)//中斷向量表位于映像頭部
-o loader.axf
-info totals
其中，0x10000000是ml7338內(nèi)部RAM的起始地址，編譯完成后生成loader.axf文件。
需要注意的是，要固化的代碼應(yīng)轉(zhuǎn)化為SRecord文件?？稍诰幾g器下ARM fromELF﹥Output format中選擇Motorola 32 bit Hex,或者使用以下編譯語(yǔ)句處理：
>fromelfnodebug filename.axfm32 filename.txt
以上兩種方式都將產(chǎn)生SRecord文件。通過(guò)仿真器把燒寫程序下載到ml7338的內(nèi)部RAM中,運(yùn)行后即可固化PC端通過(guò)串口工具發(fā)送過(guò)來(lái)的應(yīng)用程序代碼。固化完成后拔掉仿真器，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或上電后Flash存儲(chǔ)器被映射到起始地址0x0處,裝入的可執(zhí)行映像文件即可得到執(zhí)行。
結(jié)語(yǔ)
本文所寫的燒寫程序雖然是針對(duì)小靈通芯片ml7338的，但是已經(jīng)把它拓展到了基于ARM的32位嵌入式系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)人員只需對(duì)框架略做修改即可編寫自己的燒寫程序。整個(gè)系統(tǒng)采用ARM匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，因此可以方便地移植,而且對(duì)編寫基于網(wǎng)口的監(jiān)控程序也具有重要的參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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陳建明（研究生），主要研究方向?yàn)槎嗝襟w通信與技術(shù)；
章堅(jiān)武（博士后、教授），主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信與個(gè)人通信
唐兵（研究生），主要研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)與終端技術(shù)。