片外Flash存儲器IAP的一種方案

引言

以arm芯片為處理器核的嵌入式應用系統，以其小體積、低功耗、低成本、高性能、豐富的片內資源以及對操作系統的廣泛支持，得到了人們越來越多的青睞。包括工業控制領域、無線通信領域、網絡應用、消費電子、成像和安全產品等，如今，arm微處理器及嵌入式技術的應用幾乎已經滲透到了各個領域。其中，arm7作為arm微處理器系列中的一員，是低功耗的32位risc處理器。samsung公司的s3c4510b、philips公司的lpc20xx、lpc21xx、lpc22xx系列等都是arm7處理器。這些為數繁多的arm7處理器，因其片內外設不同而各擅所長，但都應用同樣的arm7tdmi核（或arm7tdmi－s核，這是arm7tdmi的綜合版本，這兩種核對處理器應用人員來說沒有區別）。可以說，arm7tdmi是目前使用最為廣泛的32位嵌入式risc處理器。arm7tdmi核應用馮·諾依曼結構，處理器使用的存儲器中數據和程序指令不予區分，pc寄存器指向的存儲器單元，無論是rom區還是ram區，只要符合arm指令的格式都可以執行，這就為系統自修改提供了可能。在應用編程iap（in application program）就是這樣的自修改程序。它先在ram存儲器中寫入數據值，然后使pc指向該存儲段，把該段作為程序段來執行。很多arm7芯片自帶iap處理器，應用其自帶的iap處理器可以方便地對其片內集成的flash存儲器進行在應用編程，但幾乎所有的arm核芯片均不支持片外iap處理，因為片外flash存儲器是用戶選型的，芯片生產廠家無法先知先覺，而不同flash存儲器其編程時序也不盡相同，導致芯片生產廠家無法提供通用的iap代碼。那么，如何對嵌入式系統的片外flash存儲器進行在應用編程呢？這里分兩種情況：一是普通代碼存放在片外單獨1片flash中，iap代碼在另一片flash中完成，此時只要依據flash的操作時序執行iap代碼，完成擦除或寫入操作即可。這種情況雖然簡單，但應用了2片flash；而iap代碼很小，一般完全可以集成到1片中，所以這里對這種情況不予考慮，另一種情況是1片flash中既要存儲普通代碼，又要實現iap。下面以philips公司的lpc2210和silicon storage technology公司的sst39vf160為例，詳細討論這種情況iap的解決方案。

1 硬件結構

1.1 lpc2210介紹

philips公司的lpc2210是一款基于支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位arm7tdmi－s cpu的微控制器。芯片采用144腳封裝，有16kb片內靜態ram，開放外部總線；通過外部存儲器接口可將外部存儲器配置成4組，每組的容量高達16mb，數據寬度8/16/32位均可；具有多個32位定時器、8路10位pwm輸出、多個串行接口（包括2個16c550工業標準uart、高速i2c接口和2個spi接口）以及9個外部中斷、多達76個可承受5v電壓的通用i/o口，同時內嵌實時時鐘和看門狗，片內外設功能豐富強大；片內晶振頻率范圍1－30mhz，通過片內pll可實現最大為60mhz的cpu工作頻率，具有2種低功耗模式--空閑和掉電，通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒，并可通過個別使能/禁止外部功能來優化功耗。以上特性，使其特別適用于工業控制、醫療系統、訪問控制和pos機，同時也非常適合于通信網關協議轉換器、嵌入式軟modem，以及其他各種類型的應用。

1.2 sst39vf160介紹

silicon storage technology公司的sst39vf160是一個1m×16b的coms多功能flash器件，單電壓的讀和寫操作，電壓范圍3.0－3.6v，提供48腳tsop和48腳tfbga兩種封裝形式。

該器件主要操作包括讀、寫編程、扇區/塊擦除和芯片擦除操作。擦除和字編程必須遵循一定的時序，表1列出了扇區擦除和字編程過程及時序。擦除或編程操作過程中讀取觸發位dq6將得到"1"和"0"的循環跳變；而操作結束后讀dq6，得到的是不變的固定值。這是器件提供的寫操作狀態檢測軟件方法。

1.3 硬件連接

sst39vf160作為系統的程序存儲器，以lpc2210的cs0作為flash的片選信號，處理器配置boot引腳為16位數據總線寬度后，上電可直接執行sst39vf160中代碼。此flash芯片為16位數據寬度，無字節控制總線，所以應用中不使用lpc2210的bls引腳。系統結構示意圖如圖1所示。

2.軟件實現

2.1 iap實現要點分析

在嵌入式應用系統中，通常要求記錄一些現場的傳感、交互輸入數據，通常把數據記錄在flash存儲器中，以便下次上電能獲得以前的數據。如果系統程序和數據分開存儲。那么只要對存放數據的flash器件進行編程即可。然而大多數嵌入式系統，程序和需保存的數據都共存于同一flash存儲器中，那么是否也如前所述，可對flash存儲器直接編程呢？理論和實踐都表明不可以。

先從理論上計算：lpc2210允許的芯片核工作頻率（cclk）范圍是10－60mhz，存儲器讀訪問長度由存儲器組配置寄存器bcfg中讀訪問的長度域控制wst1控制，其最大可用長度為35個cclk，而sst39vf160的扇區擦除典型時間為18ms。下面是計算算式：

trdmax＝rdlenmax/cclkmin＝35/10×10－6＝3.5μs
tp＝18ms＞＞3.5μs
其中：trdmax--最大讀訪問的時間；
rdlenmax--最大讀訪問可用長度；
cclkmin--最小核工作時鐘頻率；
tp--扇區擦除典型時間。

算式得出扇區擦除典型時間遠大于最大讀訪問時間。這樣一來，如果再給某flash寫數據，同時于其中預取指，那么因flash執行命令期間，對其他操作不響應，預取出的必定是其數據引腳上的不確定數據，預取指失敗。實踐也表現，如果在程序執行過程中，對同一flash進行扇區擦除，必定引起預取指中斷。

為了解決在同一flash芯片存放程序并iap這一問題，引進代碼重映射的思想。所謂重映射就是代碼先自復制到制定存儲區，然后跳轉到制定區的起點開始執行。這里，iap程序先自復制到lpc2210片內sram中，然后跳轉到sram執行iap代碼。前面過說，arm7為馮·諾依曼結構，這就為iap程序重映射提供了可能。

編寫可重映射代碼的關鍵是要解決程序中相對偏移的問題，arm7指令系列中涉及相對偏移的指令主要有ldr/str以跳轉指令。這里的解決方案是：凡涉及偏移值的指令通通采用基址變址尋址方式，以pc寄存器作基址寄存器，以立即數為變址，這樣當程序塊整塊移動時，要加載的數據或跳轉的地址與當前pc值的偏移值固定，解決了相對偏移問題。

2.2 扇區擦除

事先編程在flash中的程序前自復制到sram制定的位置，然后，賦pc為sram中扇區編程代碼段的起點erasepart。程序于sram中的erasepart起點開始執行，按照sst39vf160扇區擦除的時序要求開始擦除。按照arm公司提出的atpcs規定，c語言程序調用匯編程序時，寄存器r0－r3傳遞參數，返回值由寄存器r0傳遞原則，扇區擦除程序的一個參數，要擦除的扇區號，由r0傳遞；返回參數置于r0，扇區擦除成功返回"1"，否則返回"0"。

2.3 字編程

程序于sram中的programpart起點開始執行，按照sst39vf160字編程的時序要求開始編程。入口參數有三個，一次為編程地址、數據起始地址、編程數據長度。字編程成功返回"1"，否則返回"0"。

（編制注：擦除和編程程序見本刊網站www.mesnet.com.cn。）

3.結論

在嵌入式應用系統中，iap是極為有效的一種技術。根據本文提出的方案，在實際應用中只需針對選用的flash，更改特定的擦、寫操作代碼就可實現系統片外存儲器的在應用編程。本文提出的iap代碼重入到sram執行的方法，有效地解決了應用無片內程序存儲器的32位arm處理器的嵌入式系統iap難題，有很大的應用價值。