ARM嵌入式系统的在系统编程方案设计

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应用程序的固化是嵌入式产品开发和生产过程中一个重要环节。基于ARM的嵌入式系统常用的程序固化方法是，用仿真器通过JTAG口将程序烧录到Flash里，在产品的开发阶段，使用仿真器几乎是必然的；然而到了产品的生产阶段，进行应用程序烧录或升级操作的往往是生产线上的工人，他们不易掌握仿真器的使用方法，而且在生产阶段也需要把JTAG调试口封住以防软件被窥视。笔者在使用意法半导体的STR730开发产品的过程中，设计了一种通过串口进行ISP(In System Programming，在系统编程)的方案。该方案成本低，生产线使用起来也很方便，而且即使升级过程中发生掉电之类的意外也不会影响下一次升级，安全而可靠。

1 硬件连接

ISP方案的硬件连接如图1所示。RS232转接板用来将RS232电平转换为TTL电平，并通过ISP_EN引脚给ARM开发板提供信号，让其进入ISP状态。PC机上运行用VC语言编写的ISP．exe，该程序把需要烧录到F1ash里的．bin文件加密后发送到ARM开发板，同时把烧录的进度提示显示给用户。图1中的阴影部分具有固定的程序。



2 Flash烧录原理

2．1 存储器分配
STR730是意法半导体生产的基于ARM7TDMI的微控制器芯片，内置16 KB RAM(0xa0000000～Oxa0003fff)和256 KB Flash(Ox80000000～Ox8003ffff)。内置256 KB Flash的分配情况如图2所示。按照图2中存储器的分配编写Scatter文件，在生成可执行文件时链接器会根据Scatter文件的内容把相关代码段定位到特定的地址上。该例中，程序从Flash启动，且没有使用存储器重映射，因此中断向量必须定位到Flash的起始位置。


扇区O的内容需要事先通过JTAG口烧入，此后就可以利用扇区O中的烧录程序Programrher．o通过串口进行ISP。在整个ISP过程中扇区0的内容是保持不变的，这样就可以防止ISP过程中出现掉电之类的意外，导致初始化代码Startup或烧录程序Programmer受到损坏而无法再一次进行ISP。

无论对嵌入式产品添加新功能还是修改原有的软件BUG，涉及的都只是用户应用程序的改动，初始化代码Startup．s是无需改动的，所以扇区O的内容在ISP过程中可否保持不变，关键是能否使首次编译生成的Vector．0始终与以后多次编译的App．o相匹配。

需要特别指出的是，当用户应用程序发生改变时，实际的中断服务函数(一般是C语言函数)很可能发生了改变，或者是实际的中断服务函数的入口地址发生了改变，怎么通过固定不变的中断向量Vector．o找到变化的中断服务函数的入口呢?只要这个问题解决了，就可以使首次编译生成的Vector．o始终和以后多次编译的App．o相匹配，这是该方案可行性的关键所在。为解决这个问题，笔者在Flash的固定位置(0x80002000～0x800020ff)做了一个中断映射表，实际上里面存放的是一条条跳转指令。由于中断映射表INTMap．s和用户应用程序App．c是一同编译、链接的，里面的跳转指令当然可以准确找到实际的中断服务程序入口；而位于扇区O的中断向量Vector．s虽然不和用户应用程序一起编译，但中断向量里的跳转指令是绝对跳转到固定的中断映射表区域。这样通过2次跳转就可以准确找到中断服务程序的入口。
可以通过图3看出快中断的处理流程(其他的中断处理流程类似)。


2．2 ISP执行的步骤

笔者把起到烧录Flash作用的程序单独作为一个工程编译、链接，生成．bin文件；然后把．bin文件转化成一个unsigned char型的数组，并把该数组放在一个单独的文件Programmet．c中；最后利用Scatter文件把Programmer．o定位在固定的地址空间(0x80001000～Ox80001fff，如图2所示)。这样一来，就可以编写汇编程序，把烧录程序Pro—grammer．o拷贝到RAM中，并让PC指针跳转到RAM中执行烧录。由于STR730没有外部Flash，要烧录Flash程序必须在RAM中运行，所以拷贝Programmer．o到RAM中是必需的。以下代码摘取自Startup．s。
CMP r1，#1



烧录程序Programmet的软件流程如图4所示。


需要说明的是：
①擦除Flash并不是完全擦除，而是擦除扇区0之外的其他扇区；
②数据缓冲区有限，每次只接收指定大小的数据，这样接收和烧录就可以并行进行，提高了ISP的速度；
③为了提高软件的安全性，原始的．bin文件是经过加密的，在烧录前需要将原始数据解密。

结 语

本文阐述的这种通过串口ISP的方法已经在实际的开发生产过程中使用。实践证明，相比其他烧录Flash的方法有很多优势，比如成本低、硬件连接简单、操作方便、增强软件的安全性等。笔者使用的MCU是STR730，稍做改动也可以把这种ISP方法推广到其他ARM体系结构的MCU上去。