一種通用的嵌入式系統ISP方法

基于ARM7 TDMI的SoC語音處理系統的設計摘要：針對沒有集成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方案的具體實現過程。 關鍵詞：嵌入式系統 Flash ISP MC68332 隨著嵌入式系統技術的發展，電可擦除的Flash芯片以容量大、價格低、編程方便等優勢得到了廣泛的應用。由于同一片Flash作業程序存儲器的系統無法直接實現在系統編程（ISP）。為了方便現場調試和程序升級，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有采用雙Flash芯片，此類系統在程序升級時通常需要如編程器、仿真器等特定工具，在現場應用時不很方便。為解決這些系統的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，進行ISP設計必須滿足以下幾個條件：

（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、串口、CAN、MODEM等）； 滿足了這四個條件，就可以按照本文的方法進行ISP設計。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接收程序數據到RAM空間，并對數據進行CRC校驗以保證數據的正確性，在校驗正確后將數據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，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程序的數據信息而存在，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部分復制到其運行空間（RAM）并執行。如果在自編程過程中出現災難性故障，那么程序存儲器舊的normal程序已經擦除而新的normal程序還未寫入或者未完全寫入，這都將導致程序存儲器中的程序數據不再完整，此時必須用專用工具寫normal程序，才能讓系統可再次自編程。

1．2 方案——考慮自編程過程中的異常狀況，做到做障保護 這種情況下需要把整個工作分為三部分完成，第一是引導程序（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程序負責控制程序的運行模式：升級模式、正常模式。如果進入升級模式，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，可以直接把控制權交給正常程序。為了使各個程序可以單獨調試，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程序不再負有復制update程序到指定運行空間的任務，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，就能擁有在線編程的能力，要在軟件對這部分數據區進行保護，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生災難性故障，BOOT程序和update程序是不會被破壞的，仍然可以繼續運行，保證下次仍然可以進行自編程。 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。 在編寫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MC68332的一個I/O狀態判定程序的走向；

（2）update程序通過以太網口采用TFTP協議從主機接收程序并進行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MC68332的一個I/O狀態判斷應用進入何種運行模式。如果進入正常模式，BOOT程序通過從normal復位向量處取得PC值，轉入相應的地址執行；進入升級模式，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）從網絡接口接收主機中的normal程序，為了盡量減小程序的復雜性，采用TFTP協議（TFTP Version 2,RFC 1350）從網絡接收程序（這部分也可以通過其他方式，如串口、MODEM等實現）；（2）解析出程序數據并進行校驗，接收到的程序是Motorola格式的S-Record文件，必須按照S-Record格式進行解析，得到程序數據并進行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據固化到Flash中指定地址，重啟并進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功能的系統就完成了。 該設計的實現方法簡單，可以避免生產時不必要的物質和時間上的開銷，同時也可以幫助提供更為簡易、靈活、經濟的現場服務，值得在嵌入式系統中推廣使用。