基于IAP和網(wǎng)口的ARM Cortex- M3固件升級(jí)技術(shù)※

蔣俊，藍(lán)敏

（長(zhǎng)沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙410081）

引 言

現(xiàn)有的一臺(tái)嵌入式設(shè)備基于ARM Cortex-M3處理器，具有以太網(wǎng)通信功能。為了降低設(shè)備維護(hù)成本，需要設(shè)計(jì)網(wǎng)口升級(jí)固件功能。本文描述了基于IAP和網(wǎng)口升級(jí)該嵌入式系統(tǒng)的方法，其中處理器為NXP公司的ARM Cortex-M3，開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench for ARM。

IAP（In Application Programming，在應(yīng)用編程），一般指MCU可以通過(guò)通信端口 （UART 口、網(wǎng) 口等）從外部接收應(yīng)用程序鏡像并燒錄到FLASH中實(shí)現(xiàn)固件升級(jí)，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)口升級(jí)固件

1 原理介紹

先溫習(xí)下小知識(shí)：一個(gè)典型的嵌入式軟件地址空間如圖2所示，程序代碼（RO段）和初始化數(shù)據(jù)（RW段）都是存儲(chǔ)在ROM（常見為FLASH）中，當(dāng)系統(tǒng)上電運(yùn)行時(shí)，Boot Loader程序會(huì)把RW段數(shù)據(jù)從ROM中拷貝到RAM中（.data），同時(shí)它會(huì)清零未初始化數(shù)據(jù)段（.bss）、設(shè)置棧（.stack）和堆（.heap），之后系統(tǒng)就可以正常運(yùn)行了[1]。

這里會(huì)有兩個(gè)疑問(wèn)：為什么要拷貝RW段呢？Boot-Loader程序是什么？第一個(gè)問(wèn)題很簡(jiǎn)單，既然是RW（Read＆Write）數(shù)據(jù)，就只能保存在RAM中，因?yàn)镽OM是無(wú)法執(zhí)行“寫數(shù)據(jù)”操作的。第二個(gè)問(wèn)題很容易被程序員忽視，它的實(shí)現(xiàn)有兩種，一種是由芯片的Boot代碼（固化在ROM中）來(lái)執(zhí)行拷貝，另一種是編譯器自帶的代碼（如IAR就有＿＿iar＿program＿start函數(shù)）。

圖2 軟件地址空間

基于IAP固件升級(jí)一般會(huì)把軟件設(shè)計(jì)成兩部分：BOOT和應(yīng)用程序。其中BOOT相當(dāng)于PC機(jī)的BIOS，負(fù)責(zé)升級(jí)固件和引導(dǎo)應(yīng)用程序，它對(duì)于用戶是不可見的；應(yīng)用程序就是常見的嵌入式軟件。這兩個(gè)軟件的存儲(chǔ)地址如圖3所示。

再來(lái)看看BOOT和APP啟動(dòng)時(shí)序，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，它首先從0地址找到中斷向量表，取出Reset＿Handler中斷服務(wù)代碼，該代碼先初始化芯片（如PLL和中斷寄存器），然后調(diào)用Boot Loader代碼執(zhí)行搬運(yùn)工作，把存儲(chǔ)空間布置成圖2（b）所示的“運(yùn)行地址視圖”，之后跳轉(zhuǎn)到用戶代碼的main（）函數(shù)，此時(shí)BOOT軟件啟動(dòng)完成。BOOT代碼開始檢測(cè)是否需要升級(jí)固件，如果需要，就從外部取APP鏡像文件并燒錄到FLASH中，最后一步是啟動(dòng)APP軟件。

那么，BOOT代碼如何啟動(dòng)APP代碼呢？其實(shí)很簡(jiǎn)單，因?yàn)锳PP代碼自身包含中斷向量表和Boot Loader代碼，BOOT代碼只需要告訴MCU新的中斷向量表地址，然后跳轉(zhuǎn)到APP代碼區(qū)。之后，APP的Boot Loader會(huì)把自己的RW數(shù)據(jù)搬運(yùn)到RAM中，同樣也會(huì)布置存儲(chǔ)空間（如圖2（b）所示），最終跳轉(zhuǎn)到APP代碼的用戶main（）函數(shù)，這樣APP代碼就完成了啟動(dòng)。

圖3 存儲(chǔ)地址視圖

2 IAP關(guān)鍵技術(shù)

首先，APP代碼需要將程序地址重定向，在本例中，需要把代碼地址重定向到0x0001 0000。為什么要如此操作呢？看一個(gè)實(shí)例，假設(shè)代碼中有調(diào)用f1（），如果沒(méi)有執(zhí)行重定向，那么f1（）可能被鏈接器分配在0x 1234。當(dāng)PC寄存器導(dǎo)入該地址并解析指令執(zhí)行時(shí)，致命的錯(cuò)誤發(fā)生了——該地址根本沒(méi)有f1（）代碼，因?yàn)锳PP代碼是從0x0001 0000開始存儲(chǔ)的。重定向就是告訴鏈接器，請(qǐng)從0x0001 0000開始定位程序代碼，這樣在本例中f1（）分配在0x0001 1234，才能被正確調(diào)用。

在IAR環(huán)境下程序空間重定向操作如下：打開“Options”→“Linker”→“Config”，點(diǎn)擊“Edit”，在彈出的窗口中設(shè)置如圖4所示的地址空間[2]。

圖4 鏈接器重定向代碼地址

然后，BOOT代碼在使用外設(shè)后，一定要De-Initialize該外設(shè)后再啟動(dòng)APP代碼，即要讓APP代碼認(rèn)為MCU只是剛上電運(yùn)行，而不是跑完一個(gè)系統(tǒng)再調(diào)用自己。如果BOOT代碼沒(méi)有執(zhí)行該動(dòng)作，當(dāng)APP代碼運(yùn)行時(shí)，MCU的外設(shè)處于不確定狀態(tài)（尤其是中斷未關(guān)閉），可能會(huì)帶來(lái)一些預(yù)料不到的錯(cuò)誤。

再次，BOOT代碼操作FLASH是通過(guò)調(diào)用IAP函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的（NXP公司的IAP庫(kù)函數(shù)提供Erase（）/Write（）/Compare（）等），其中寫FLASH函數(shù)一次操作只能接收256/512/1 024/4 096字節(jié)，如果不足就需要填充[3]。

千萬(wàn)要注意的是，調(diào)用IAP函數(shù)期間，中斷需要特別處理，一起看看NXP官方的說(shuō)明文檔：在IAP函數(shù)調(diào)用期間，芯片的Boot Loader會(huì)暫時(shí)禁止訪問(wèn)用戶ROM空間數(shù)據(jù)，用戶ROM空間被映射到一些配置數(shù)據(jù)區(qū)以便于IAP調(diào)用。因?yàn)樵瓉?lái)的中斷向量地址沒(méi)有包含正確的中斷向量，所以當(dāng)IAP調(diào)用正在處理時(shí)發(fā)生一個(gè)中斷，該中斷將不能被正確對(duì)待，同時(shí)MCU的行為也是不確定的。在一些情況下，當(dāng)中斷不能被正確處理時(shí)，MCU將會(huì)復(fù)位[4]。

解決該問(wèn)題有兩種方法：如果中斷是至關(guān)重要的（任何時(shí)候都不能禁止），那么需要把中斷向量表和ISR重定向到SRAM中；另外一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法是調(diào)用IAP函數(shù)之前先禁止中斷，調(diào)用完成之后再使能中斷。在本固件升級(jí)中，采用第二種方法，因?yàn)槎虝旱仃P(guān)閉中斷對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是可以接受的。

最后，當(dāng)APP代碼被引導(dǎo)運(yùn)行時(shí)，中斷向量表不再位于0地址了，在本例中位于0x0001 0000，因此需要將這個(gè)新地址告訴MCU，有一個(gè)專門寄存器VTOR（Vector Table Offset Register）用來(lái)存儲(chǔ)該地址。該工作必須由BOOT代碼來(lái)完成，因?yàn)橐坏┨D(zhuǎn)到APP代碼，MCU的第一件事情就是訪問(wèn)中斷向量表。

千萬(wàn)要注意的一個(gè)問(wèn)題是：APP代碼不要再對(duì)VTOR寄存器進(jìn)行任何操作，否則MCU將因?yàn)闊o(wú)法訪問(wèn)中斷向量表而紊亂。（筆者就遇到這個(gè)問(wèn)題，APP代碼中的匯編文件startup＿LPC17xx.s啟動(dòng)時(shí)“靜悄悄地”調(diào)用了NXP庫(kù)函數(shù)SystemInit，該函數(shù)會(huì)重置VTOR導(dǎo)致APP的中斷不能使用）。

3 網(wǎng)口下載鏡像

這部分內(nèi)容是偏向策略進(jìn)行的設(shè)計(jì)，因此很多地方值得商榷，在這里堅(jiān)持的原則是——簡(jiǎn)單就是美。

首先，通信幀直接建立在802.3以太網(wǎng)協(xié)議上，這樣可以保證簡(jiǎn)單化；其次，不管鏡像文件的實(shí)際長(zhǎng)度是多少，一律向1 KB取整，不足則填充0；然后，因?yàn)橐蕴W(wǎng)MTU為1 518字節(jié)，通信幀每次傳輸1 KB鏡像文件；再次，嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)通信采用“停等＋ACK”機(jī)制，即PC機(jī)只有接收到第i幀確認(rèn)后才能傳輸?shù)趇＋1幀；最后，為確保鏡像文件在傳輸中不受損，每幀都包含CRC校驗(yàn)碼。

升級(jí)固件時(shí)，PC與嵌入式設(shè)備的通信邏輯如下：當(dāng)設(shè)備發(fā)出握手幀連續(xù)10次無(wú)應(yīng)答后，BOOT代碼將直接引導(dǎo)原APP程序啟動(dòng)，即無(wú)需升級(jí)固件，如圖5所示。

圖5 無(wú)需升級(jí)固件通信時(shí)序

當(dāng)正常升級(jí)固件時(shí)，首先有3次握手，接下來(lái)是分片傳輸鏡像文件，最后嵌入式設(shè)備會(huì)回應(yīng)“升級(jí)成功”幀，如圖6所示。

圖6 正常升級(jí)固件通信時(shí)序

如果某分片通信時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，嵌入式設(shè)備會(huì)回應(yīng)“錯(cuò)誤原因”幀，當(dāng)重傳達(dá)到5次仍出錯(cuò)時(shí)，PC機(jī)需要提醒用戶，最好還能說(shuō)明錯(cuò)誤原因，如圖7所示。

圖7 升級(jí)固件出錯(cuò)通信時(shí)序

嵌入式設(shè)備回應(yīng)PC的數(shù)據(jù)幀直接封裝字符串，這樣做的好處是可以通過(guò)截取數(shù)據(jù)包查明通信內(nèi)容；而PC機(jī)傳輸給設(shè)備的數(shù)據(jù)幀采用二進(jìn)制，主要是考慮到嵌入式系統(tǒng)較弱的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，該二進(jìn)制通信幀格式如圖8所示。

圖8 二進(jìn)制通信幀格式

FLASH一般是由Sector組成的，并且在寫操作之前需要擦除該Sector。本系統(tǒng)中使用的FLASH共30個(gè)Sector，前16個(gè)均為4 KB，后14個(gè)為32 KB。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，將BOOT放置在前16個(gè)Sector中，共計(jì)64 KB；APP鏡像放置在后14個(gè)32 KB的Sector中，共448 KB。

這樣安排程序依賴如下設(shè)定：鏡像文件起始位置為0x0001 0000，每次接收與寫入FLASH的字節(jié)數(shù)為1 024，當(dāng)寫入FLASH地址為Sector之首時(shí)需要擦除該分區(qū)，邏輯流程如圖9所示。

圖9 分片寫鏡像文件流程圖

結(jié) 語(yǔ)

本文重點(diǎn)研究了基于IAP和網(wǎng)口的固件升級(jí)技術(shù)，雖然基于NXP公司的ARM Cortex-M3處理器和IAR開發(fā)環(huán)境，但技術(shù)原理對(duì)于其他架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)也是適用的。論文中涉及的技術(shù)方法在IAR V6.0和NXP LPC1768芯片上測(cè)試成功，并研制成產(chǎn)品，接受過(guò)嚴(yán)格的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)考驗(yàn)。實(shí)踐證明，論文中的方法穩(wěn)定可行。

編者注：源程序見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1]David E.Simon.嵌入式系統(tǒng)軟件教程[M].陳向群，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]IAR.IAR embedded workbench user guides，2010.

[3]NXP.LPC176x/5x user manual，2013.

[4]NXP.AN11333 interrupt handling during IAP calls for LPC177x＿8x and LPC407x＿8x ，2014.