設計基于NXP LPC2000的次級啟動加載程序用于代碼升級

引言

本文雖然是針對NXP(恩智浦公司)的LPC2000系列，但使用IAP技術對內部閃存進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器件內部，存在著一個被稱為“主啟動加載程序(Primary Boot Loader)”的固件，它在每次上電或復位時被首先運行。本文所講的“次級啟動加載程序”實際上是一段用戶自己寫的代碼(燒寫在用戶閃存區(qū))，在執(zhí)行完主啟動加載程序后被執(zhí)行，提供給用戶一個選擇，是繼續(xù)執(zhí)行當前的應用程序還是對當前應用程序進行更新。

在應用編程(In Application Programming, IAP)是指在用戶應用程序運行時，對內部閃存執(zhí)行擦除或編程操作，它是對用戶代碼進行升級的一個關鍵技術。

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字節(jié)的代碼，也要將該字節(jié)所在的整個扇區(qū)擦除。因此，用戶應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的應用領域

使用IAP技術，可以對用戶代碼進行升級，也可以把內部閃存當成類似EEPROM來存儲數(shù)據。

當用戶應用程序運行時，用戶可以對程序的一部分進行更新，就像在線升級病毒庫一樣，而不必將硬件電路斷電甚至將芯片取下來放到專門的編程器上去重新燒寫代碼。

當數(shù)據存儲器使用，可以減少PCB板面積、降低成本。由于作為數(shù)據存儲的扇區(qū)會被擦除，因此不能將這些扇區(qū)和存放用戶應用程序的扇區(qū)重疊。另外，閃存的擦除和編程次數(shù)也是有一定限制的，過于頻繁的擦除或編程會影響閃存的壽命。對于LPC2000芯片來說，至少可以穩(wěn)定擦寫十萬次，數(shù)據至少可以保存20年。

如何使用IAP

關于IAP的詳細說明、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。下面重點介紹一下如何使用IAP。

使用流程

圖1是使用IAP對閃存進行擦寫和編程的基本步驟。

定義系統(tǒng)參數(shù)：在調用IAP命令前，有一些參數(shù)必須事先設置好，這包括系統(tǒng)時鐘、IAP調用的入口地址、存放輸入參數(shù)和輸出參數(shù)的變量。

選擇扇區(qū)：在對任何扇區(qū)進行擦除或編程前，必須選擇(準備)這些扇區(qū)，當然，也可以一次選擇多個扇區(qū)。

擦除扇區(qū)：在對閃存的指定扇區(qū)進行編程前，必須先擦除這些扇區(qū)。如果這些扇區(qū)已經被擦除，則不必再擦除了?？梢砸淮螌Χ鄠€扇區(qū)進行擦除。

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

● 只能將位于片內SRAM內的數(shù)據寫入片內閃存;

● 位于片內閃存的寫入地址必須是256字節(jié)對齊;

● 片內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和以太網使用)內的數(shù)據不能被直接寫入閃存;

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

數(shù)據校驗：用戶不必自己寫程序每次對寫入的數(shù)據進行檢查，而是可以直接調用一個數(shù)據校驗的IAP命令。

IAP過程中的中斷

在擦除和編程操作過程中，片內閃存是不可訪問的，當用戶程序啟動執(zhí)行時，用戶閃存區(qū)域的中斷向量有效。在調用擦除和編程的IAP命令前，用戶應當關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)，且為向下生長方式。

次級啟動加載程序和用戶應用程序設計

次級啟動加載程序

每次上電或者復位后，次級啟動加載程序將會被運行，通過串口打印出一些選項，用戶可以選擇繼續(xù)執(zhí)行應用程序或者更新程序。

次級啟動加載程序位于內部閃存中從扇區(qū)0開始的若干個扇區(qū)內，這些扇區(qū)不能和用戶應用程序占用的扇區(qū)重疊。

另外，由于主程序運行在ARM模式，而IAP運行在THUMB模式，因此必須做相應配置使得次級啟動加載程序里支持ARM和THUMB模式并存。

用戶應用程序

存儲器分布

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

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

中斷向量表重映射

對于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內的一小部分空間必須被映射到這個地址內，使得可以在不同的模式(參考LPC2000用戶手冊內存映射章節(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)跳轉指令，總共64字節(jié)，范圍為0x0000 0000到0x0000 003F。

因為次級啟動加載程序的中斷向量表存在于閃存的0x0000 0000到0x0000 003F，因此用戶應用程序的中斷向量表只能被映射到片內SRAM(對于支持外部總線接口的LPC2000器件，也可以映射到片外存儲器)。在跳轉到用戶應用程序執(zhí)行前，要將這64字節(jié)的數(shù)據復制到片內SRAM的底部(0x4000 0000 – 0x4000 003F)，并且將系統(tǒng)的內存映射模式設置為“User RAM Mode”。這樣當用戶應用程序產生中斷時，系統(tǒng)會自動到位于SRAM的中斷向量表取中斷向量入口，而不是錯誤地跳轉到位于0x0地址處的、屬于次級啟動加載程序的中斷向量表。

運行用戶應用程序

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，然后開始執(zhí)行。

注意：要保證用戶應用程序能運行，必須還要做一些必要的初始化工作，包括RW區(qū)域的復制、ZI區(qū)域的清零等等，這些沒有放在次級啟動加載程序里完成，而是在用戶應用程序開始運行時首先執(zhí)行。

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

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