一種通用的嵌入式系統(tǒng)ISP方法

基于ARM7 TDMI的SoC語(yǔ)音處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：針對(duì)沒(méi)有集成ISP功能的MCU系統(tǒng)，提出了一種通用的嵌入式系統(tǒng)Flash在線編程（ISP）方案。該方案借用RAM作為ISP的程序存儲(chǔ)器，可降低系統(tǒng)成本并具有較大的靈活性。以MC68332平臺(tái)為例，詳細(xì)介紹了這種ISP方案的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。 關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) Flash ISP MC68332 隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，電可擦除的Flash芯片以容量大、價(jià)格低、編程方便等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。由于同一片F(xiàn)lash作業(yè)程序存儲(chǔ)器的系統(tǒng)無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）。為了方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和程序升級(jí)，可以采用集成ISP功能較新的MCU（如AVR、部分ARM芯片等），或者采用雙Flash設(shè)計(jì)等方法實(shí)現(xiàn)ISP功能。但有不少系統(tǒng)仍然使用不具備直接ISP功能的MCU（如M68K、N80C196等），由于印制版面積、成本等原因的考慮也沒(méi)有采用雙Flash芯片，此類系統(tǒng)在程序升級(jí)時(shí)通常需要如編程器、仿真器等特定工具，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)不很方便。為解決這些系統(tǒng)的ISP問(wèn)題，本文以MC68332平臺(tái)為例提出了一種通用的ISP方案。

1 方法分析 對(duì)于使用M68K這類不具備ISP功能的MCU系統(tǒng)，進(jìn)行ISP設(shè)計(jì)必須滿足以下幾個(gè)條件：

（1）程序空間和數(shù)據(jù)空間統(tǒng)一編址，程序可以在RAM中運(yùn)行；

（2）Flash芯片正確連接了寫(xiě)信號(hào)；

（3）擁有能放下update程序并讓其正常工作的額外程序/數(shù)據(jù)空間；

（4）具備某種通信能力（如以太網(wǎng)、串口、CAN、MODEM等）； 滿足了這四個(gè)條件，就可以按照本文的方法進(jìn)行ISP設(shè)計(jì)。針對(duì)自編程過(guò)程中文件出錯(cuò)、斷電等特殊情況的容錯(cuò)程度不同，可以有如下兩種方案。

1．1 方案1——自編程過(guò)程是安全可靠的，不會(huì)出現(xiàn)異常情況 這種情況相對(duì)簡(jiǎn)單一些，整個(gè)程序可以分為兩個(gè)獨(dú)立的部分完成，一是升級(jí)程序（稱為update程序），它通過(guò)通信接口從主機(jī)接收程序數(shù)據(jù)到RAM空間，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)以保證數(shù)據(jù)的正確性，在校驗(yàn)正確后將數(shù)據(jù)寫(xiě)到程序存儲(chǔ)器的指定地址空間。如果RAM空間較小，可以接收一頁(yè)、校驗(yàn)一頁(yè)、寫(xiě)入一頁(yè)，分次完成。由于程序存儲(chǔ)器寫(xiě)操作過(guò)程必須連續(xù)，不能被打斷，所以u(píng)pdate程序必須在鏈接時(shí)指定在RAM地址空間運(yùn)行。

另一部分是正常的程序（稱為normal程序），這是正常編譯的在程序存儲(chǔ)器空間運(yùn)行的程序，除了正常的工作之外它還需判斷（通過(guò)通信命令或者查詢一個(gè)輸入狀態(tài)等）是否應(yīng)該轉(zhuǎn)到升級(jí)模式，如果是，則將update程序復(fù)制到指定的RAM空間并轉(zhuǎn)去執(zhí)行update程序。 程序完成需要將update和normal通過(guò)編程通過(guò)編程工具分別固公到程序存儲(chǔ)器上的指定地址（注意：在固化第二個(gè)程序時(shí)不可損壞第一個(gè)程序內(nèi)容），也可將兩個(gè)文件合并，一次固化到程序存儲(chǔ)器，update程序作為normal程序的數(shù)據(jù)信息而存在，如圖1所示。這樣正常運(yùn)行時(shí)程序運(yùn)行在normal部分，update程序得不到運(yùn)行；在升級(jí)模式時(shí)normal程序把程序存儲(chǔ)器中的update部分復(fù)制到其運(yùn)行空間（RAM）并執(zhí)行。如果在自編程過(guò)程中出現(xiàn)災(zāi)難性故障，那么程序存儲(chǔ)器舊的normal程序已經(jīng)擦除而新的normal程序還未寫(xiě)入或者未完全寫(xiě)入，這都將導(dǎo)致程序存儲(chǔ)器中的程序數(shù)據(jù)不再完整，此時(shí)必須用專用工具寫(xiě)normal程序，才能讓系統(tǒng)可再次自編程。

1．2 方案——考慮自編程過(guò)程中的異常狀況，做到做障保護(hù) 這種情況下需要把整個(gè)工作分為三部分完成，第一是引導(dǎo)程序（稱為BOOT程序）；第二是升級(jí)程序（update程序）；第三是正常程序（normal程序）。BOOT程序負(fù)責(zé)控制程序的運(yùn)行模式：升級(jí)模式、正常模式。如果進(jìn)入升級(jí)模式，BOOT程序需要將update程序復(fù)制到指定的運(yùn)行空間，并轉(zhuǎn)入執(zhí)行update程序；如果進(jìn)入正常模式，BOOT需要做的工作就十分簡(jiǎn)單，可以直接把控制權(quán)交給正常程序。為了使各個(gè)程序可以單獨(dú)調(diào)試，不要依賴其它程序來(lái)初始化硬件。Update程序所要完成的功能與方案1中的相同，此時(shí)要注意update在自編程時(shí)不能破壞BOOT程序。此時(shí)normal程序不再負(fù)有復(fù)制update程序到指定運(yùn)行空間的任務(wù)，完全按照正常的模式運(yùn)行。

按照這種方案，BOOT程序和update程序是自編程設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，只要保證這部分?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，就能擁有在線編程的能力，要在軟件對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行保護(hù)，保證在第一次寫(xiě)入程序存儲(chǔ)器后就不會(huì)再被擦除。這樣即使在自編程時(shí)發(fā)生災(zāi)難性故障，BOOT程序和update程序是不會(huì)被破壞的，仍然可以繼續(xù)運(yùn)行，保證下次仍然可以進(jìn)行自編程。 同樣，程序完成后也必須分別固化到程序存儲(chǔ)器的指定空間，以保證程序的正常運(yùn)行，程序分布如圖2所示。 2 在MC68332目標(biāo)平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)（采用方案2） 目標(biāo)平臺(tái)的基本配置如下： CPU為MC68332，F(xiàn)lash為512KB（Am29F400B），RAM為1MB，通信口為10Mbps以太網(wǎng)。 在編寫(xiě)程序之前首先應(yīng)該設(shè)計(jì)好程序在Flash和RAM空間的分布，按照方案2的思路考慮平臺(tái)的硬件配置，具體設(shè)計(jì)如下： （1）BOOT程序通過(guò)MC68332的一個(gè)I/O狀態(tài)判定程序的走向；

（2）update程序通過(guò)以太網(wǎng)口采用TFTP協(xié)議從主機(jī)接收程序并進(jìn)行CRC校驗(yàn)；

（3）Flash具體分配如表1所示。

代碼存儲(chǔ)空間 代碼運(yùn)行空間 可用數(shù)據(jù)空間 BOOT 0x00000～0x00400 0x000000～0x000400 0x700000～0x800000 update 0x00400～0x10000 0x700000～0x710000 0x710000～0x800000 normal 0x10000～0x80000 0x010000～0x080000 0x700000～0x800000 按照方案2，BOOT程序在系統(tǒng)復(fù)位后初始化Flash、RAM片選，把Flash、RAM映射到對(duì)應(yīng)的地址空間，并通過(guò)MC68332的一個(gè)I/O狀態(tài)判斷應(yīng)用進(jìn)入何種運(yùn)行模式。如果進(jìn)入正常模式，BOOT程序通過(guò)從normal復(fù)位向量處取得PC值，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的地址執(zhí)行；進(jìn)入升級(jí)模式，BOOT程序把update程序從Flash地址0x00400S～0x10000復(fù)制到RAM地址0x700000～0x710000中，然后把控制權(quán)轉(zhuǎn)移給update程序。程序流程如圖2。 update程序主要分為三大部分：（1）從網(wǎng)絡(luò)接口接收主機(jī)中的normal程序，為了盡量減小程序的復(fù)雜性，采用TFTP協(xié)議（TFTP Version 2,RFC 1350）從網(wǎng)絡(luò)接收程序（這部分也可以通過(guò)其他方式，如串口、MODEM等實(shí)現(xiàn)）；（2）解析出程序數(shù)據(jù)并進(jìn)行校驗(yàn)，接收到的程序是Motorola格式的S-Record文件，必須按照S-Record格式進(jìn)行解析，得到程序數(shù)據(jù)并進(jìn)行CRC校驗(yàn)，保證程序的正常性；（3）寫(xiě)到Flash中地址0x10000～0x80000，驗(yàn)證工作完成后把數(shù)據(jù)固化到Flash中指定地址，重啟并進(jìn)入正常模式就可運(yùn)行升級(jí)后的程序。

normal程序按照正常需要進(jìn)行編寫(xiě)，必須鏈接到0x10000～0x80000空間運(yùn)行。 這三個(gè)程序完成后，編寫(xiě)一個(gè)工具程序把三個(gè)程序合并到一個(gè)文件（注意地址空間的分配），然后利用編程工具燒寫(xiě)到Flash片上，這樣這個(gè)具備ISP功能的系統(tǒng)就完成了。 該設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，可以避免生產(chǎn)時(shí)不必要的物質(zhì)和時(shí)間上的開(kāi)銷，同時(shí)也可以幫助提供更為簡(jiǎn)易、靈活、經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)，值得在嵌入式系統(tǒng)中推廣使用。