ARM嵌入式系統的在系統編程方案設計

應用程序的固化是嵌入式產品開發和生產過程中一個重要環節。基于ARM的嵌入式系統常用的程序固化方法是，用仿真器通過JTAG口將程序燒錄到Flash里，在產品的開發階段，使用仿真器幾乎是必然的；然而到了產品的生產階段，進行應用程序燒錄或升級操作的往往是生產線上的工人，他們不易掌握仿真器的使用方法，而且在生產階段也需要把JTAG調試口封住以防軟件被窺視。筆者在使用意法半導體的STR730開發產品的過程中，設計了一種通過串口進行ISP(In System Programming，在系統編程)的方案。該方案成本低，生產線使用起來也很方便，而且即使升級過程中發生掉電之類的意外也不會影響下一次升級，安全而可靠。

1 硬件連接

ISP方案的硬件連接如圖1所示。RS232轉接板用來將RS232電平轉換為TTL電平，并通過ISP_EN引腳給ARM開發板提供信號，讓其進入ISP狀態。PC機上運行用VC語言編寫的ISP．exe，該程序把需要燒錄到F1ash里的．bin文件加密后發送到ARM開發板，同時把燒錄的進度提示顯示給用戶。圖1中的陰影部分具有固定的程序。

2 Flash燒錄原理

2．1 存儲器分配
STR730是意法半導體生產的基于ARM7TDMI的微控制器芯片，內置16 KB RAM(0xa0000000～Oxa0003fff)和256 KB Flash(Ox80000000～Ox8003ffff)。內置256 KB Flash的分配情況如圖2所示。按照圖2中存儲器的分配編寫Scatter文件，在生成可執行文件時鏈接器會根據Scatter文件的內容把相關代碼段定位到特定的地址上。該例中，程序從Flash啟動，且沒有使用存儲器重映射，因此中斷向量必須定位到Flash的起始位置。

扇區O的內容需要事先通過JTAG口燒入，此后就可以利用扇區O中的燒錄程序Programrher．o通過串口進行ISP。在整個ISP過程中扇區0的內容是保持不變的，這樣就可以防止ISP過程中出現掉電之類的意外，導致初始化代碼Startup或燒錄程序Programmer受到損壞而無法再一次進行ISP。

無論對嵌入式產品添加新功能還是修改原有的軟件BUG，涉及的都只是用戶應用程序的改動，初始化代碼Startup．s是無需改動的，所以扇區O的內容在ISP過程中可否保持不變，關鍵是能否使首次編譯生成的Vector．0始終與以后多次編譯的App．o相匹配。

需要特別指出的是，當用戶應用程序發生改變時，實際的中斷服務函數(一般是C語言函數)很可能發生了改變，或者是實際的中斷服務函數的入口地址發生了改變，怎么通過固定不變的中斷向量Vector．o找到變化的中斷服務函數的入口呢?只要這個問題解決了，就可以使首次編譯生成的Vector．o始終和以后多次編譯的App．o相匹配，這是該方案可行性的關鍵所在。為解決這個問題，筆者在Flash的固定位置(0x80002000～0x800020ff)做了一個中斷映射表，實際上里面存放的是一條條跳轉指令。由于中斷映射表INTMap．s和用戶應用程序App．c是一同編譯、鏈接的，里面的跳轉指令當然可以準確找到實際的中斷服務程序入口；而位于扇區O的中斷向量Vector．s雖然不和用戶應用程序一起編譯，但中斷向量里的跳轉指令是絕對跳轉到固定的中斷映射表區域。這樣通過2次跳轉就可以準確找到中斷服務程序的入口。
可以通過圖3看出快中斷的處理流程(其他的中斷處理流程類似)。

2．2 ISP執行的步驟

筆者把起到燒錄Flash作用的程序單獨作為一個工程編譯、鏈接，生成．bin文件；然后把．bin文件轉化成一個unsigned char型的數組，并把該數組放在一個單獨的文件Programmet．c中；最后利用Scatter文件把Programmer．o定位在固定的地址空間(0x80001000～Ox80001fff，如圖2所示)。這樣一來，就可以編寫匯編程序，把燒錄程序Pro—grammer．o拷貝到RAM中，并讓PC指針跳轉到RAM中執行燒錄。由于STR730沒有外部Flash，要燒錄Flash程序必須在RAM中運行，所以拷貝Programmer．o到RAM中是必需的。以下代碼摘取自Startup．s。
CMP r1，#1

燒錄程序Programmet的軟件流程如圖4所示。

需要說明的是：
①擦除Flash并不是完全擦除，而是擦除扇區0之外的其他扇區；
②數據緩沖區有限，每次只接收指定大小的數據，這樣接收和燒錄就可以并行進行，提高了ISP的速度；
③為了提高軟件的安全性，原始的．bin文件是經過加密的，在燒錄前需要將原始數據解密。

結 語

本文闡述的這種通過串口ISP的方法已經在實際的開發生產過程中使用。實踐證明，相比其他燒錄Flash的方法有很多優勢，比如成本低、硬件連接簡單、操作方便、增強軟件的安全性等。筆者使用的MCU是STR730，稍做改動也可以把這種ISP方法推廣到其他ARM體系結構的MCU上去。