揭秘ARM片外FIash存储器IAP解决方案

中心议题：
    *  介绍一种基于代码重入思想的片外存储器IAP解决方案
    *  简介LPC2210及SST39VFl60芯片的特点
    *  分析IAP实现要点
解决方案：
    *  凡涉及偏移值的指令通通采用基址变址寻址方式
    *  以PC寄存器作基址寄存器
    *  以立即数为变址

引 言
　　
以ARM芯片为处理器核的嵌入式应用系统，以其小体积、低功耗、低成本、高性能、丰富的片内资源以及对操作系统的广泛支持，得到了人们越来越多的青睐。在应用编程IAP(InApplicatAiON Program)就是这样的自修改程序。它先在RAM存储器中写入数据值，然后使PC指向该存储段，把该段作为程序段来执行。很多ARM7芯片自带IAP处理器，应用其自带的IAP处理器可以方便地对其片内集成的Flash存储器进行在应用编程，但几乎所有的ARM核芯片均不支持片外IAP处理，因为片外Flash存储器是用户选型的，芯片生产厂家无法先知先觉，而不同Flash存储器其编程时序也不尽相同，导致芯片生产厂家无法提供通用的IAP代码。那么，如何对嵌入式系统的片外Flash存储器进行在应用编程呢?这里分两种情况：一是普通代码存放在片外单独1片Flash中，IAP代码在另一片Flash中完成，此时只要依据Flash的操作时序执行IAP代码，完成擦除或写入操作即可。这种情况虽然简单，但应用了2片Flash;而IAP代码很小，一般完全可以集成到1片中，所以这里对这种情况不予考虑。另一种情况是1片Flash中既要存储普通代码，又要实现IAP。
　　
针对嵌入式应用系统片外Flash存储器IAP无现成方案的问题，介绍一种基于代码重入思想的片外存储器IAP解决方案。结合LPC2210及SST39VFl60芯片，简介两款芯片特点，给出应用连接框图;分析IAP实现要点，并给出IAP的实现代码。下面以Phnips公司的LPC2210 和 Silicon storage Technology 公司的SST39VFl60为例，详细讨论这种情况IAP的解决方案。
　　
1 硬件结构
　　
1.1 LPC2210介绍
　　
Philips公司的LPC22lO是一款基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器。芯片采用144脚封装，有16 KB片内静态RAM，开放外部总线;通过外部存储器接口可将外部存储器配置成4组，每组的容量高达16 Mb，数据宽度8/16/32位均可;具有多个32位定时器、8路lO位PWM输出、多个串行接口(包括2个16C550工业标准UART、高速I2C接口和2个sPI接口)以及9个外部中断、多达76个可承受5 V电压的通用I/O口，同时内嵌实时时钟和看门狗，片内外设功能丰富强大;片内晶振频率范围l～30 MHz，通过片内PLL可实现最大为60 MHz的CPU工作频率，具有2种低功耗模式——空闲和掉电，通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒，并可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。以上特性，使其特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机，同时也非常适合于通信网关协议转换器，嵌入式软Modem，以及其他各种类型的应用。
　　
1.2 SST39VFl60介绍
　　
SILICON StoraLge Technology公司的SST39VFl60是一个lM×16b的CMOS多功能Flash器件，单电压的读和写操作，电压范围3.O～3.6 V，提供48脚TSOP和48脚TFBGA两种封装形式。
　　
该器件主要操作包括读、字编程、扇区/块擦除和芯片擦除操作。擦除和字编程必须遵循一定的时序，表l列出了扇区擦除和字编程过程及时序。擦除或编程操作过程中读取触发位DQ6将得到“1”和“O”的循环跳变;而操作结束后读DQ6，得到的是不变的固定值。这是器件提供的写操作状态检测软件方法。
　　
1.3 硬件连接
　　
SST39VF160作为系统的程序存储器，以LPC2210的CSO作为Flash的片选信号，处理器配置Boot引脚为16位数据总线宽度后，上电可直接执行SST39VFl60中代码。此Flash芯片为16位数据宽度，无字节控制总线，所以应用中不使用LPC2210的BLS引脚。系统结构示意图如图1所示。
 

2 软件实现
　　
2.1 IAP实现要点分析
　　
在嵌入式应用系统中，通常要求记录一些现场的传感、交互输入数据，通常把数据记录在Flash存储器中，以便下次上电能获取以前的数据。如果系统程序和数据分开存储，那么只要对存放数据的Flash器件进行编程即可。然而大多数嵌入式系统，程序和需保存的数据都共存于同一Flash存储器中，那么是否也如前所述，可对Flash存储器直接编程呢?理论和实践都表明不可以。先从理论上计算：LPC22lO允许的芯片核工作频率(CCLK)范围是10～60 MHz，存储器读访问长度由存储器组配置寄存器BCFG中读访问的长度域控制WSTl控制，其最大可用长度为35个CCLK，而SST39VFl60的扇区擦除典型时间为18 ms。下面是计算算式：　　
TRDmax=RDLenmax/CCLKmin=35/10×10一6=3.5 μs.TD=18 ms》3.5μs其中：TRDmax—最大读访问时间;RDLenmix——最大读访问可用长度;CCLKmin——最小核工作时钟频率;Tp——扇区擦除典型时间。
　　
算式得出扇区擦除典型时间远大于最大读访问时间。这样一来，如果再给某Flash写数据，同时于其中预取指，那么因F1ash在执行命令期间，对其他操作不响应，预取出的必定是其数据引脚上的不确定数据，预取指失败。实践也表明，如果在程序执行过程中，对同一Flash进行扇区擦除，必定引起预取指中断。
　　
为了解决在同一Flash芯片存放程序并IAP这一问题，引进代码重映射的思想。所谓重映射就是代码先自复制到指定存储区，然后跳转到指定区的起点开始执行。这里，lAP程序先自复制到LPC2210片内SRAM中，然后跳转到SRAM执行lAP代码。前面说过，ARM7为冯·诺依曼结构，这就为IAP程序重映射提供了可能。
　　
编写可重映射代码的关键是要解决程序中相对偏移的问题，ARM7指令系列中涉及相对偏移的指令主要有LDR/STR以及跳转指令。这里的解决方案是：凡涉及偏移值的指令通通采用基址变址寻址方式，以PC寄存器作基址寄存器，以立即数为变址，这样当程序块整块移动时，要加载的数据或跳转的地址与当前Pc值的偏移值固定，解决了相对偏移问题。
　　
2.2 扇区擦除
　　
事先编程在Flash中的程序先自复制到SRAM指定的位置，然后，赋PC为SRAM中扇区编程代码段的起点ERASEPART。程序于SRAM中的ERASEPART起点开始执行，按照SST39VF160扇区擦除的时序要求开始擦除。按照ARM公司提出的ATPCS规定，C语言程序调用汇编程序时，寄存器R0一R3传递参数，返回值由寄存器RO传递原则，扇区擦除程序的一个参数，要擦除的扇区号，由RO传递;返回参数置于R0，扇区擦除成功返回“1”，否则返回“0”。
　　
2.3 字编程
　　
程序于SRAM中的PROGRAMPART起点开始执行，按照SST39VFl60字编程的时序要求开始编程。入口参数有三个，依次为编程地址、数据起始地址、编程数据长度。字编程成功返回“1”，否则返回“0”。
　　
3 结论
　　
文中提出的IAP代码重入到SR—kM执行的方法，有效地解决了应用无片内程序存储器的32位ARM处理器的嵌入式系统IAP难题，有很大的应用价值。