基于IAP的ARM7程序在線(xiàn)更新設(shè)計(jì)

    ARM處理器是一種高性能、低成本、低功耗的RISC微處理器，是目前最為流行的微處理器之一。ARM7作為ARM微處理器系列中的一員，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、消費(fèi)電子和安全產(chǎn)品等。實(shí)際應(yīng)用中往往需要對(duì)產(chǎn)品的程序進(jìn)行升級(jí)以提升性能或消除缺陷，如何對(duì)已經(jīng)投入使用的產(chǎn)品進(jìn)行方便可靠的程序在線(xiàn)升級(jí)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期必須考慮的問(wèn)題。盡管目前絕大多數(shù)基于Flash結(jié)構(gòu)的ARM7芯片具備ISP功能，但是這需要特定的燒寫(xiě)軟件支持和專(zhuān)業(yè)人員操作。燒寫(xiě)軟件由芯片廠商提供，不便于集成到產(chǎn)品的主機(jī)端軟件中。在產(chǎn)品軟件功能中添加簡(jiǎn)單易用的程序升級(jí)功能十分必要，文中以NXP公司的ARM7芯片LPC2132為例，為具有IAP功能的ARM7芯片提出一個(gè)穩(wěn)定的在線(xiàn)升級(jí)方案。

1 IAP功能介紹
    在應(yīng)用編程IAP(In-Application Programming)是應(yīng)用在Flash程序存儲(chǔ)器的一種編程模式。它可以在應(yīng)用程序正常運(yùn)行的情況下，通過(guò)調(diào)用特定的IAP程序?qū)α硗庖欢纬绦騀lash空間進(jìn)行讀／寫(xiě)操作，甚至可以控制對(duì)某段、某頁(yè)甚至某個(gè)字節(jié)的讀／寫(xiě)操作，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。LPC2132的IAP程序位于芯片的BootBlock中，芯片出廠時(shí)由廠家寫(xiě)入，不可修改。IAP程序是Thumb代碼，位于地址0x7FFFFFFO(重映射后地址)處。IAP功能函數(shù)可以通過(guò)如下代碼方便的調(diào)用。
    void(*IAP)(unsigned int parameter[]， un-signed int result[])；／／定義函數(shù)指針變量IAP，／／IAP指向的函數(shù)的參數(shù)為兩個(gè)unsinged int數(shù)組
    IAP=(void(*)())0x7fff_fff1／／設(shè)置函數(shù)指針，因?yàn)槭荰humb代碼，地址最低位設(shè)定為1
    unsigned int parameter_in；／／通過(guò)設(shè)定parame-ter_in各成員的值，實(shí)現(xiàn)各種IAP功能
    usingned int result_out；
    (*IAP)(parameter_in，result_out)；／／調(diào)用特定功能的函數(shù)，執(zhí)行結(jié)果存入result_out中
    ／／IAP的命令碼、狀態(tài)碼和命令。

2 程序更新流程
    LPC2132有64 kB的Flash存儲(chǔ)器，16 kB的RAM。Flash分為8個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)4 kB空間，整個(gè)Flash存儲(chǔ)器占用的地址空間為0x0000_0000-0x0000_ffff。為了實(shí)現(xiàn)用戶(hù)程序運(yùn)行過(guò)程中的程序更新，可以設(shè)計(jì)一段特定的駐留代碼，專(zhuān)門(mén)用于接收來(lái)自主機(jī)新的代碼，將其燒寫(xiě)到相應(yīng)的Flash空間，完成后跳轉(zhuǎn)到新的代碼去執(zhí)行新的程序，用戶(hù)程序接收到來(lái)自主機(jī)的更新命令后跳轉(zhuǎn)到這段駐留代碼。駐留代碼通過(guò)串口接收命令，調(diào)用IAP函數(shù)燒寫(xiě)Flash，代碼比較少，編譯生成的映像文件<4 kB，通過(guò)JTAG口將這段代碼燒寫(xiě)到第一個(gè)4 kB扇區(qū)，每次系統(tǒng)上電或重啟后先執(zhí)行駐留代碼，其運(yùn)行流程為：
    (1)初始化串口，查詢(xún)接受緩沖區(qū)，檢測(cè)是否受到主機(jī)發(fā)來(lái)的4 bit數(shù)據(jù)包0x55 0xaa 0xff 0xff，其中前2 bit 0x55 0xaa為命令頭；第3 bit 0xff為命令，表示需要更新；第4 bit為命令和校驗(yàn)。整個(gè)查詢(xún)過(guò)程持續(xù)100 ms，如果在100 ms內(nèi)沒(méi)有收到此命令包，跳到應(yīng)用程序入口執(zhí)行舊程序，如收到該命令包，返回0xff，通知主機(jī)收到命令，執(zhí)行下一步；
    (2)接受主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包，其格式如表1所示。

    將接收到的4 kB數(shù)據(jù)存入SRAM，接收的同時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)載荷的8位校驗(yàn)和，對(duì)比校驗(yàn)和，如果校驗(yàn)和不對(duì)，給主機(jī)返回0x00表示接收不成功，主機(jī)會(huì)將當(dāng)前包重發(fā)一遍；如果正確通過(guò)調(diào)用擦除IAP函數(shù)擦除當(dāng)前需要寫(xiě)入的扇區(qū)，再調(diào)用寫(xiě)入IAP函數(shù)將RAM中的4 kB數(shù)據(jù)一次寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的扇區(qū)(通過(guò)配置上面提到的IAP函數(shù)參數(shù)parameter_in實(shí)現(xiàn)擦除和寫(xiě)入功能)，給主機(jī)返回0xff，表示操作成功；[!--empirenews.page--]
    (3)如果上一步接受的數(shù)據(jù)包中標(biāo)識(shí)指定其為最后一包，在執(zhí)行步驟(2)寫(xiě)入操作后，跳到0x0000_1000處，即用戶(hù)程序區(qū)，執(zhí)行新的用戶(hù)程序。通過(guò)下面的內(nèi)嵌匯編代碼可以十分方便的實(shí)現(xiàn)該跳轉(zhuǎn)功能。
    相應(yīng)的用戶(hù)程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該能從串口接收主機(jī)的命令，當(dāng)接收到4 bit數(shù)據(jù)包0x55 0xaa 0xff0xff后跳轉(zhuǎn)到0x0000_0000處，執(zhí)行駐留代碼，由駐留代碼完成用戶(hù)程序的更新。用戶(hù)程序設(shè)計(jì)時(shí)加上該功能后，其余與普通代碼設(shè)計(jì)沒(méi)有區(qū)別。主機(jī)端軟件在用戶(hù)點(diǎn)擊更新程序后，讀取ARM7映像。bin文件，識(shí)別其大小，將其分成以4 kB字節(jié)為單位的若干段，按照上面與駐留代碼的通信協(xié)議，將映像文件給駐留代碼，并給用戶(hù)提示是否成功信息。
    在ARM應(yīng)用系統(tǒng)中軟件一般采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，為了能進(jìn)行系統(tǒng)初始化，通常會(huì)用一段匯編文件作為啟動(dòng)代碼，實(shí)現(xiàn)異常向量表的定義，堆棧初始化、系統(tǒng)變量初始化、中斷系統(tǒng)初始化、I／O初始化、地址重映射等。ARM7的異常向量位于地址0x0000_0000開(kāi)始的32 bit內(nèi)，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)程序從異常向量表取指令進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。異常向量表位于Flash的第一個(gè)4 kB空間，用戶(hù)程序運(yùn)行時(shí)遇到異常時(shí)，也會(huì)到0x0000_0000開(kāi)始的32 bit異常向量表中取出相應(yīng)的指令。按照前面的設(shè)計(jì)，ADS編譯器會(huì)將用戶(hù)代碼異常向量表運(yùn)行地址設(shè)為從0x0000_1000開(kāi)始，為了能讓用戶(hù)程序?qū)崿F(xiàn)正確的異常處理，駐留程序的啟動(dòng)匯編代碼需要將相應(yīng)的跳轉(zhuǎn)設(shè)為0x0000_1000開(kāi)始的真正的用戶(hù)異常向量處，這樣駐留代碼不能使用中斷功能，實(shí)際上駐留代碼完全可以采用查詢(xún)方式進(jìn)行串口通信。駐留程序的啟動(dòng)匯編代碼示例如下：
AREA vectors，CODE，READONLY

    ENTRY

    CODE32
Reset
LDR PC，ResetInit；復(fù)位跳到駐留代碼初始化程序ResetInit
    B 0x000010004；跳到用戶(hù)異常向量UndefinedAddr
    B 0x000010008；跳到用戶(hù)異常向量SWI_Addr
    B 0x00001000c；跳到用戶(hù)異常向量PrefetchAddr
    B 0x000010010；跳到用戶(hù)異常向量DataAbortAddr
NOP
    B 0x000010018；跳到用戶(hù)異常向量IRQ_Addr
    B 0x00001001c；跳到用戶(hù)異常向量FIQ_Addr
ResetInit

3 注意事項(xiàng)
    為了讓用戶(hù)代碼運(yùn)行地址從0x0000_1000開(kāi)始，在ADS的ARM Linker選項(xiàng)卡將RO Base設(shè)為0x0000_1000。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ARMThumb Interwoking選項(xiàng)勾上。另外IAP函數(shù)使用了RAM空間的高32 bit空間，因此用戶(hù)程序不應(yīng)該使用該空間，用戶(hù)堆棧棧頂要設(shè)定為小于RAM頂端地址減32。

4 結(jié)束語(yǔ)
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示按照上面的方法編寫(xiě)的駐留程序，能夠穩(wěn)定的接受主機(jī)發(fā)來(lái)的新程序，并成功燒寫(xiě)進(jìn)Flash區(qū)，實(shí)現(xiàn)程序的更新。文中雖然以L(fǎng)PC2132為例實(shí)現(xiàn)，對(duì)于具有IAP功能的其他公司的ARM7芯片的在線(xiàn)程序更新也有借鑒意義。