基于LPC2000系列ARM的工業(yè)儀表IAP升級實現(xiàn)

張偉 陳月紅

摘 要：隨著計算機網(wǎng)絡技術以及微電子技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在各行各業(yè)的應用越來越廣泛，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的不足逐漸暴露無遺，ARM嵌入式系統(tǒng)逐漸成為很多行業(yè)的最佳選擇，工業(yè)儀表亦是如此。根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場儀表嵌入式系統(tǒng)軟件升級困難的現(xiàn)狀，本文敘述了IAP（In-Application Programming）升級技術原理和ARM在線編程的方案，該方案摒棄傳統(tǒng)的使用ISP接口和仿真器進行程序更新的方式，實現(xiàn)了固件的靈活存儲與升級。

關鍵詞：ARM 嵌入式 IAP 工業(yè)儀表

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（b）-0107-02

LPC2000系列ARM處理器是目前最為流行的微處理器之一，是一種高性能、低功耗、低成本的RISC微處理器。LPC2000系列微控制器是基于支持仿真的ARM7TDMI-S CPC內(nèi)核，支持ARM和Thumb指令集。它采用ARM7架構的微控制單元。ARM具有大量的片內(nèi)存儲器和豐富的片內(nèi)外設，具有連接片內(nèi)外設功能的VISI外設總線、與中斷控制器接口的AMBA高性能總線和與片內(nèi)存儲器控制器接口的ARM7局部總線。

傳統(tǒng)的LPC2000處理器更新的方式是采用仿真器和ISP下載。ISP，即In-System Programming，在線編程。具有ISP功能的單片機芯片，通過簡單的下載線，可以直接在電路板上給芯片寫入或者擦除程序，且支持在線調試。仿真器下載在工業(yè)應用現(xiàn)場程序更新時，操作復雜、成本高。雖然ISP下載成本較低，但其更新程序的來源和操作都受到硬件的限制。

1 IAP介紹

IAP詳細描述為In Application Programming，是指在應用編程中，單片機程序自身可以往程序存儲器里寫數(shù)據(jù)或修改程序，IAP是在Flash程序存儲器中的一種編程模式，是程序正在應用過程中的編程。在產(chǎn)品運行時，對Flash的部分區(qū)域存儲進行擦除、讀寫操作等，使其數(shù)據(jù)改變，這為數(shù)據(jù)存儲和固件的現(xiàn)場升級帶來了更大的靈活性。

IAP技術的實現(xiàn)，首先需要在產(chǎn)品上預留一個通信口，在產(chǎn)品應用過程中，如果boot程序檢測到上位機有新的下載需求，就可以通過這個通信口將數(shù)據(jù)下載到存儲區(qū)中運行，從而實現(xiàn)固件程序的更新升級[2]。

以Boot Loader的功能與設計過程為例，從系統(tǒng)操作角度來看，Boot Loader是先于操作系統(tǒng)內(nèi)核運行的一段程序。其主要作用在于硬件設備的初始化，即通過監(jiān)理內(nèi)存空間的映射圖，來使系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境達到操作內(nèi)核調用的狀態(tài)[3]。

#define iap_entry（in， out） （（void （*）（））（0x7ffffff1））（in， out），in是輸入?yún)?shù)，out是輸出參數(shù)，調用iap_entry函數(shù)就可以實現(xiàn)存儲器扇區(qū)選擇、擦除、查空、拷貝和校驗等。

2 功能設計

將IAP代碼放于LPC2000系列ARM存儲器的扇區(qū)0和扇區(qū)1中，即地址0x00000000～0x00001FFF的8KB空間，作為系統(tǒng)啟動的BootLoader（啟動引導）程序，從存儲器地址0x00002000開始存放應用程序代碼。IAP的靈活性在于，更新程序時不需要像ISP那樣進行跳線操作，也不需要專用軟件，數(shù)據(jù)來源也沒有限制，可以來至串口、U盤、以太網(wǎng)口等。本設計選擇的數(shù)據(jù)來源為串口。圖2為IAP升級的過程。

BootLoader啟動代碼的分析與移植是嵌入式產(chǎn)品研發(fā)中最重要的環(huán)節(jié)之一。近年來，嵌入式技術已取得了飛速的發(fā)展，但對于其最本質的核心部分Boot Loader的分析卻不是很多。實踐證明，BootLoader的優(yōu)越與否，對嵌入式系統(tǒng)的性能起到?jīng)Q定性的作用[4]。

每次上電或重新啟動后，ARM都會首先運行BootLoader程序，等待PC端軟件的更新程序命令或運行原來存儲器中的程序，當在3s鐘內(nèi)接收到0xAA 0x55數(shù)據(jù)幀時，BootLoader程序進入等待更新程序模式，否則檢測存儲器應用程序區(qū)是否有應用程序，若有則運行應用程序。當BootLoader程序進入更新程序模式時，首先讀取芯片的ID，然后根據(jù)芯片ID來確定芯片的程序存儲器的扇區(qū)結構，同時PC端下載軟件開始發(fā)送16進制格式的程序文件的數(shù)據(jù)幀，程序文件的數(shù)據(jù)幀格式為以0x79做幀頭，16進制文件的每行數(shù)據(jù)作為幀的數(shù)據(jù)部分。

圖3是PC端下載軟件的界面，在下載時先正確設置串口，選擇起始扇區(qū)為2，其他設置默認，選擇需要下載的HEX格式文件，然后下載即可。下載有兩種模式：手動和自動模式，下載過程中，軟件狀態(tài)欄會顯示當前操作狀態(tài)。

需要注意的是，為了讓用戶代碼運行地址從0x00002000開始，在開發(fā)應用程序時，將ADS的ARM Linker選項卡中RO Base設為0x00002000，在相應的分散加載文件中修改程序加載地址為0x00002000。因為處理器要切換到Thumb指令執(zhí)行IAP代碼，需要將ARM C Compiler下的ARM/Thumb Interwoking選項勾上。另外IAP函數(shù)使用了RAM空間的高32字節(jié)空間，因此應用程序不應該使用該空間，應用程序堆棧不能超過RAM頂端-32，在啟動代碼中設置如下：

；Build the SYS stack

；設置系統(tǒng)模式堆棧

MSR CPSR_c， #0xdf

LDR SP， =StackUsr-32 ； iap減32

MOV PC， R0

3 結語

隨著ARM嵌入式技術在儀表中的應用，人們不僅對系統(tǒng)的性能和可靠性有很高的要求，產(chǎn)品是否能升級也成為重要的指標。本設計開發(fā)了LPC2000系列ARM的BootLoader程序和PC端下載軟件，在儀表程序的現(xiàn)場更新中得到了很好的應用。

參考文獻

[1] 姚夢濤，杭佳，趙漢清，等.基于ARM的嵌入式軟硬件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電子技術與軟件工程，2017（15）：202.

[2] 易前旭.基于無線IAP的工業(yè)嵌入式系統(tǒng)升級技術應用探討[J].科技致富向導，2014（24）：185.

[3] 孫李斌，趙明明.嵌入式系統(tǒng)軟件設計中ARM和Linux的核心技術分析[J].電子世界，2017（12）：40.