一種通用的嵌入式系統(tǒng)ISP方法

摘要：針對沒有集成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的程序存儲器，可降低系統(tǒng)成本并具有較大的靈活性。以MC68332平臺為例，詳細(xì)介紹了這種ISP方案的具體實現(xiàn)過程。 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、價格低、編程方便等優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用。由于同一片F(xiàn)lash作業(yè)程序存儲器的系統(tǒng)無法直接實現(xiàn)在系統(tǒng)編程(ISP)。為了方便現(xiàn)場調(diào)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(shè)計等方法實現(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有采用雙Flash芯片，此類系統(tǒng)在程序升級時通常需要如編程器、仿真器等特定工具，在現(xiàn)場應(yīng)用時不很方便。為解決這些系統(tǒng)的ISP問題，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這類不具備ISP功能的MCU系統(tǒng)，進(jìn)行ISP設(shè)計必須滿足以下幾個條件： (1)程序空間和數(shù)據(jù)空間統(tǒng)一編址，程序可以在RAM中運行; (2)Flash芯片正確連接了寫信號; (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); 滿足了這四個條件，就可以按照本文的方法進(jìn)行ISP設(shè)計。針對自編程過程中文件出錯、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——自編程過程是安全可靠的，不會出現(xiàn)異常情況 這種情況相對簡單一些，整個程序可以分為兩個獨立的部分完成，一是升級程序(稱為update程序)，它通過通信接口從主機(jī)接收程序數(shù)據(jù)到RAM空間，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗以保證數(shù)據(jù)的正確性，在校驗正確后將數(shù)據(jù)寫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、校驗一頁、寫入一頁，分次完成。由于程序存儲器寫操作過程必須連續(xù)，不能被打斷，所以update程序必須在鏈接時指定在RAM地址空間運行。

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器空間運行的程序，除了正常的工作之外它還需判斷(通過通信命令或者查詢一個輸入狀態(tài)等)是否應(yīng)該轉(zhuǎn)到升級模式，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通過編程通過編程工具分別固公到程序存儲器上的指定地址(注意：在固化第二個程序時不可損壞第一個程序內(nèi)容)，也可將兩個文件合并，一次固化到程序存儲器，update程序作為normal程序的數(shù)據(jù)信息而存在，如圖1所示。這樣正常運行時程序運行在normal 部分，update程序得不到運行;在升級模式時normal程序把程序存儲器中的update部分復(fù)制到其運行空間(RAM)并執(zhí)行。如果在自編程過程中出現(xiàn)災(zāi)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程序還未寫入或者未完全寫入，這都將導(dǎo)致程序存儲器中的程序數(shù)據(jù)不再完整，此時必須用專用工具寫normal程序，才能讓系統(tǒng)可再次自編程。 1.2 方案——考慮自編程過程中的異常狀況，做到做障保護(hù) 這種情況下需要把整個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(fù)制到指定的運行空間，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單，可以直接把控制權(quán)交給正常程序。為了使各個程序可以單獨調(diào)試，不要依賴其它程序來初始化硬件。Update程序所要完成的功能與方案1中的相同，此時要注意update在自編程時不能破壞BOOT程序。此時normal程序不再負(fù)有復(fù)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(shè)計的核心內(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，要在軟件對這部分?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行保護(hù)，保證在第一次寫入程序存儲器后就不會再被擦除。這樣即使在自編程時發(fā)生災(zāi)難性故障，BOOT程序和update程序是不會被破壞的，仍然可以繼續(xù)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(biāo)平臺上的實現(xiàn)(采用方案2) 目標(biāo)平臺的基本配置如下： CPU為MC68332，F(xiàn)lash為512KB(Am29F400B)，RAM為1MB，通信口為10Mbps以太網(wǎng)。 在編寫程序之前首先應(yīng)該設(shè)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(shè)計如下： (1)BOOT程序通過MC68332的一個I/O狀態(tài)判定程序的走向; (2)update程序通過以太網(wǎng)口采用TFTP協(xié)議從主機(jī)接收程序并進(jìn)行CRC校驗; (3)Flash具體分配如表1所示。 表1 程序空間的分布 　代碼存儲空間代碼運行空間可用數(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映射到對應(yīng)的地址空間，并通過MC68332的一個I/O狀態(tài)判斷應(yīng)用進(jìn)入何種運行模式。如果進(jìn)入正常模式，BOOT程序通過從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(這部分也可以通過其他方式，如串口、MODEM等實現(xiàn));(2)解析出程序數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)并進(jìn)行CRC校驗，保證程序的正常性;(3)寫到Flash中地址 0x10000～0x80000，驗證工作完成后把數(shù)據(jù)固化到Flash中指定地址，重啟并進(jìn)入正常模式就可運行升級后的程序。程序流程見圖4。

normal程序按照正常需要進(jìn)行編寫，必須鏈接到0x10000～0x80000空間運行。 這三個程序完成后，編寫一個工具程序把三個程序合并到一個文件(注意地址空間的分配)，然后利用編程工具燒寫到Flash片上，這樣這個具備ISP功能的系統(tǒng)就完成了。 該設(shè)計的實現(xiàn)方法簡單，可以避免生產(chǎn)時不必要的物質(zhì)和時間上的開銷，同時也可以幫助提供更為簡易、靈活、經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)場服務(wù)，值得在嵌入式系統(tǒng)中推廣使用。