設(shè)計(jì)基于NXP LPC2000的次級(jí)啟動(dòng)加載程序用于代碼升級(jí)

引言

本文雖然是針對(duì)NXP(恩智浦公司)的LPC2000系列，但使用IAP技術(shù)對(duì)內(nèi)部閃存進(jìn)行編程卻適用于幾乎所有的NXP ARM MCU系列，包括Cortex-M0 LPC1100以及Cortex-M3 LPC1300/1700等系列。

在大多數(shù)的LPC2000器件內(nèi)部，存在著一個(gè)被稱為“主啟動(dòng)加載程序(Primary Boot Loader)”的固件，它在每次上電或復(fù)位時(shí)被首先運(yùn)行。本文所講的“次級(jí)啟動(dòng)加載程序”實(shí)際上是一段用戶自己寫(xiě)的代碼(燒寫(xiě)在用戶閃存區(qū))，在執(zhí)行完主啟動(dòng)加載程序后被執(zhí)行，提供給用戶一個(gè)選擇，是繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前的應(yīng)用程序還是對(duì)當(dāng)前應(yīng)用程序進(jìn)行更新。

在應(yīng)用編程(In Application Programming, IAP)是指在用戶應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，對(duì)內(nèi)部閃存執(zhí)行擦除或編程操作，它是對(duì)用戶代碼進(jìn)行升級(jí)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

LPC2000 IAP介紹

扇區(qū)(Sector)

IAP操作都是基于“扇區(qū)(Sector)”的，這就意味著即使僅僅需要更新一個(gè)字節(jié)的代碼，也要將該字節(jié)所在的整個(gè)扇區(qū)擦除。因此，用戶應(yīng)該將待更新的代碼和其它代碼放在不同的扇區(qū)，以免誤擦除。

IAP的應(yīng)用領(lǐng)域

使用IAP技術(shù)，可以對(duì)用戶代碼進(jìn)行升級(jí)，也可以把內(nèi)部閃存當(dāng)成類似EEPROM來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

當(dāng)用戶應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，用戶可以對(duì)程序的一部分進(jìn)行更新，就像在線升級(jí)病毒庫(kù)一樣，而不必將硬件電路斷電甚至將芯片取下來(lái)放到專門(mén)的編程器上去重新燒寫(xiě)代碼。

當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用，可以減少PCB板面積、降低成本。由于作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的扇區(qū)會(huì)被擦除，因此不能將這些扇區(qū)和存放用戶應(yīng)用程序的扇區(qū)重疊。另外，閃存的擦除和編程次數(shù)也是有一定限制的，過(guò)于頻繁的擦除或編程會(huì)影響閃存的壽命。對(duì)于LPC2000芯片來(lái)說(shuō)，至少可以穩(wěn)定擦寫(xiě)十萬(wàn)次，數(shù)據(jù)至少可以保存20年。

如何使用IAP

關(guān)于IAP的詳細(xì)說(shuō)明、各種命令碼、返回碼和參數(shù)格式，可以參考LPC2000系列的用戶手冊(cè)。下面重點(diǎn)介紹一下如何使用IAP。

使用流程

圖1是使用IAP對(duì)閃存進(jìn)行擦寫(xiě)和編程的基本步驟。

定義系統(tǒng)參數(shù)：在調(diào)用IAP命令前，有一些參數(shù)必須事先設(shè)置好，這包括系統(tǒng)時(shí)鐘、IAP調(diào)用的入口地址、存放輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)的變量。

選擇扇區(qū)：在對(duì)任何扇區(qū)進(jìn)行擦除或編程前，必須選擇(準(zhǔn)備)這些扇區(qū)，當(dāng)然，也可以一次選擇多個(gè)扇區(qū)。

擦除扇區(qū)：在對(duì)閃存的指定扇區(qū)進(jìn)行編程前，必須先擦除這些扇區(qū)。如果這些扇區(qū)已經(jīng)被擦除，則不必再擦除了?？梢砸淮螌?duì)多個(gè)扇區(qū)進(jìn)行擦除。

編程扇區(qū)：在這個(gè)階段，數(shù)據(jù)將被從SRAM寫(xiě)入閃存中的指定地址。這里有幾個(gè)要特別注意的地方：

● 只能將位于片內(nèi)SRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入片內(nèi)閃存;

● 位于片內(nèi)閃存的寫(xiě)入地址必須是256字節(jié)對(duì)齊;

● 片內(nèi)SRAM必須位于局部總線(Local Bus)，這就意味著有兩塊SRAM區(qū)域(供USB和以太網(wǎng)使用)內(nèi)的數(shù)據(jù)不能被直接寫(xiě)入閃存;

● 一次寫(xiě)入的字節(jié)數(shù)必須是256、512、1024或者4096。

數(shù)據(jù)校驗(yàn)：用戶不必自己寫(xiě)程序每次對(duì)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，而是可以直接調(diào)用一個(gè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)的IAP命令。

IAP過(guò)程中的中斷

在擦除和編程操作過(guò)程中，片內(nèi)閃存是不可訪問(wèn)的，當(dāng)用戶程序啟動(dòng)執(zhí)行時(shí)，用戶閃存區(qū)域的中斷向量有效。在調(diào)用擦除和編程的IAP命令前，用戶應(yīng)當(dāng)關(guān)閉中斷或者確保中斷向量表在SRAM中有效并且中斷處理函數(shù)也位于SM中。

IAP使用的RAM

IAP命令使用片內(nèi)SM最頂端的32字節(jié)空間。最多使用128字節(jié)的?？臻g(位于用戶分配的棧內(nèi))，且為向下生長(zhǎng)方式。

次級(jí)啟動(dòng)加載程序和用戶應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

次級(jí)啟動(dòng)加載程序

每次上電或者復(fù)位后，次級(jí)啟動(dòng)加載程序?qū)?huì)被運(yùn)行，通過(guò)串口打印出一些選項(xiàng)，用戶可以選擇繼續(xù)執(zhí)行應(yīng)用程序或者更新程序。

次級(jí)啟動(dòng)加載程序位于內(nèi)部閃存中從扇區(qū)0開(kāi)始的若干個(gè)扇區(qū)內(nèi)，這些扇區(qū)不能和用戶應(yīng)用程序占用的扇區(qū)重疊。

另外，由于主程序運(yùn)行在ARM模式，而IAP運(yùn)行在THUMB模式，因此必須做相應(yīng)配置使得次級(jí)啟動(dòng)加載程序里支持ARM和THUMB模式并存。

用戶應(yīng)用程序

存儲(chǔ)器分布

用戶應(yīng)用程序存放在和次級(jí)啟動(dòng)加載程序位置不同的的扇區(qū)中，并且占用了從0x4000 0000開(kāi)始的一部分片內(nèi)SM空間。

在片內(nèi)SRAM的最底部，存放了應(yīng)用程序的中斷向量表。要注意在配置系統(tǒng)RW區(qū)域時(shí)，把這部分空間預(yù)留出來(lái)，即用戶應(yīng)用程序的RW從0x4000 0040開(kāi)始。

中斷向量表重映射

對(duì)于ARM7處理器而言，中斷向量位于從0x0000 0000到0x0000 001C的地址范圍，因此在Boot ROM和SRAM內(nèi)的一小部分空間必須被映射到這個(gè)地址內(nèi)，使得可以在不同的模式(參考LPC2000用戶手冊(cè)內(nèi)存映射章節(jié))下使用中斷。

這一小段空間包括32字節(jié)的中斷向量以及額外的32字節(jié)跳轉(zhuǎn)指令，總共64字節(jié)，范圍為0x0000 0000到0x0000 003F。

因?yàn)榇渭?jí)啟動(dòng)加載程序的中斷向量表存在于閃存的0x0000 0000到0x0000 003F，因此用戶應(yīng)用程序的中斷向量表只能被映射到片內(nèi)SRAM(對(duì)于支持外部總線接口的LPC2000器件，也可以映射到片外存儲(chǔ)器)。在跳轉(zhuǎn)到用戶應(yīng)用程序執(zhí)行前，要將這64字節(jié)的數(shù)據(jù)復(fù)制到片內(nèi)SRAM的底部(0x4000 0000 – 0x4000 003F)，并且將系統(tǒng)的內(nèi)存映射模式設(shè)置為“User RAM Mode”。這樣當(dāng)用戶應(yīng)用程序產(chǎn)生中斷時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)到位于SRAM的中斷向量表取中斷向量入口，而不是錯(cuò)誤地跳轉(zhuǎn)到位于0x0地址處的、屬于次級(jí)啟動(dòng)加載程序的中斷向量表。

運(yùn)行用戶應(yīng)用程序

更新完成后，修改PC指針，使其指向新的用戶程序的起始地址，然后開(kāi)始執(zhí)行。

注意：要保證用戶應(yīng)用程序能運(yùn)行，必須還要做一些必要的初始化工作，包括RW區(qū)域的復(fù)制、ZI區(qū)域的清零等等，這些沒(méi)有放在次級(jí)啟動(dòng)加載程序里完成，而是在用戶應(yīng)用程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)首先執(zhí)行。

程序(從串口利用XMODEM協(xié)議更新代碼)上電運(yùn)行時(shí)，串口將會(huì)打印出如圖4的信息。

用戶可以測(cè)試一些IAP命令，或者選擇PROG命令更新用戶代碼，更新完成后，選擇RUN命令來(lái)執(zhí)行。