一種通用的嵌入式系統ISP方法

基于A(yíng)RM7 TDMI的SoC語(yǔ)音處理系統的設計摘要：針對沒(méi)有集成ISP功能的MCU系統，提出了一種通用的嵌入式系統Flash在線(xiàn)編程（ISP）方案。該方案借用RAM作為ISP的程序存儲器，可降低系統成本并具有較大的靈活性。以MC68332平臺為例，詳細介紹了這種ISP方案的具體實(shí)現過(guò)程。 關(guān)鍵詞：嵌入式系統 Flash ISP MC68332 隨著(zhù)嵌入式系統技術(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)勢得到了廣泛的應用。由于同一片Flash作業(yè)程序存儲器的系統無(wú)法直接實(shí)現在系統編程（ISP）。為了方便現場(chǎng)調試和程序升級，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設計等方法實(shí)現ISP功能。但有不少系統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(lèi)系統在程序升級時(shí)通常需要如編程器、仿真器等特定工具，在現場(chǎng)應用時(shí)不很方便。為解決這些系統的ISP問(wèn)題，本文以MC68332平臺為例提出了一種通用的ISP方案。

1 方法分析 對于使用M68K這類(lèi)不具備ISP功能的MCU系統，進(jìn)行ISP設計必須滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件：

（1）程序空間和數據空間統一編址，程序可以在RAM中運行；

（2）Flash芯片正確連接了寫(xiě)信號；

（3）擁有能放下update程序并讓其正常工作的額外程序/數據空間；

（4）具備某種通信能力（如以太網(wǎng)、串口、CAN、MODEM等）； 滿(mǎn)足了這四個(gè)條件，就可以按照本文的方法進(jìn)行ISP設計。針對自編程過(guò)程中文件出錯、斷電等特殊情況的容錯程度不同，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 )出現異常情況 這種情況相對簡(jiǎn)單一些，整個(gè)程序可以分為兩個(gè)獨立的部分完成，一是升級程序（稱(chēng)為update程序），它通過(guò)通信接口從主機接收程序數據到RAM空間，并對數據進(jìn)行CRC校驗以保證數據的正確性，在校驗正確后將數據寫(xiě)到程序存儲器的指定地址空間。如果RAM空間較小，可以接收一頁(yè)、校驗一頁(yè)、寫(xiě)入一頁(yè)，分次完成。由于程序存儲器寫(xiě)操作過(guò)程必須連續，不能被打斷，所以update程序必須在鏈接時(shí)指定在RAM地址空間運行。

另一部分是正常的程序（稱(chēng)為normal程序），這是正常編譯的在程序存儲器空間運行的程序，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(xún)一個(gè)輸入狀態(tài)等）是否應該轉到升級模式，如果是，則將update程序復制到指定的RAM空間并轉去執行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)程序內容），也可將兩個(gè)文件合并，一次固化到程序存儲器，update程序作為normal程序的數據信息而存在，如圖1所示。這樣正常運行時(shí)程序運行在normal部分，update程序得不到運行；在升級模式時(shí)normal程序把程序存儲器中的update部分復制到其運行空間（RAM）并執行。如果在自編程過(guò)程中出現災難性故障，那么程序存儲器舊的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，這都將導致程序存儲器中的程序數據不再完整，此時(shí)必須用專(zhuān)用工具寫(xiě)normal程序，才能讓系統可再次自編程。

1．2 方案——考慮自編程過(guò)程中的異常狀況，做到做障保護 這種情況下需要把整個(gè)工作分為三部分完成，第一是引導程序（稱(chēng)為BOOT程序）；第二是升級程序（update程序）；第三是正常程序（normal程序）。BOOT程序負責控制程序的運行模式：升級模式、正常模式。如果進(jìn)入升級模式，BOOT程序需要將update程序復制到指定的運行空間，并轉入執行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，可以直接把控制權交給正常程序。為了使各個(gè)程序可以單獨調試，不要依賴(lài)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程序不再負有復制update程序到指定運行空間的任務(wù)，完全按照正常的模式運行。

按照這種方案，BOOT程序和update程序是自編程設計的核心內容，只要保證這部分數據的完整性，就能擁有在線(xiàn)編程的能力，要在軟件對這部分數據區進(jìn)行保護，保證在第一次寫(xiě)入程序存儲器后就不會(huì )再被擦除。這樣即使在自編程時(shí)發(fā)生災難性故障，BOOT程序和update程序是不會(huì )被破壞的，仍然可以繼續運行，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器的指定空間，以保證程序的正常運行，程序分布如圖2所示。 2 在MC68332目標平臺上的實(shí)現（采用方案2） 目標平臺的基本配置如下： CPU為MC68332，Flash為512KB（Am29F400B），RAM為1MB，通信口為10Mbps以太網(wǎng)。 在編寫(xiě)程序之前首先應該設計好程序在Flash和RAM空間的分布，按照方案2的思路考慮平臺的硬件配置，具體設計如下： （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)議從主機接收程序并進(jìn)行CRC校驗；

（3）Flash具體分配如表1所示。

代碼存儲空間 代碼運行空間 可用數據空間 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程序在系統復位后初始化Flash、RAM片選，把Flash、RAM映射到對應的地址空間，并通過(guò)MC68332的一個(gè)I/O狀態(tài)判斷應用進(jìn)入何種運行模式。如果進(jìn)入正常模式，BOOT程序通過(guò)從normal復位向量處取得PC值，轉入相應的地址執行；進(jìn)入升級模式，BOOT程序把update程序從Flash地址0x00400S～0x10000復制到RAM地址0x700000～0x710000中，然后把控制權轉移給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 )接口接收主機中的normal程序，為了盡量減小程序的復雜性，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）；（2）解析出程序數據并進(jìn)行校驗，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，得到程序數據并進(jìn)行CRC校驗，保證程序的正常性；（3）寫(xiě)到Flash中地址0x10000～0x80000，驗證工作完成后把數據固化到Flash中指定地址，重啟并進(jìn)入正常模式就可運行升級后的程序。

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功能的系統就完成了。 該設計的實(shí)現方法簡(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(xiāo)，同時(shí)也可以幫助提供更為簡(jiǎn)易、靈活、經(jīng)濟的現場(chǎng)服務(wù)，值得在嵌入式系統中推廣使用。