一種基于串口的ARM程序在線更新方法

卞美琴，錢 鷗

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，借助于處理器靈活的可編程能力和面向任務(wù)的自動處理能力，現(xiàn)代工業(yè)電子設(shè)備和組件模塊通常采用嵌入式處理器設(shè)計方式來實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時控制或狀態(tài)監(jiān)控。但嵌入式系統(tǒng)或設(shè)備為了便于工業(yè)控制，通常被配置人跡不易到達(dá)或維修難以施展的狹小空間內(nèi)，給嵌入式處理器的程序功能改進(jìn)、程序更新帶來了困難。傳統(tǒng)的基于JTAG下載電纜連接處理器的方法變得不再適用，迫切需要研究新的在線程序更新方法，以適應(yīng)組件免拆裝即能完成程序更新的功能。

本文介紹了一種基于串口的ARM嵌入式處理器程序在線更新方法。該方法基于C語言開發(fā)，便于移植，具有較好的操作系統(tǒng)適應(yīng)能力和應(yīng)用擴(kuò)展性，為處理器程序遠(yuǎn)程在線更新提供了一種思路。

1 原 理

1.1 目標(biāo)系統(tǒng)概述

本項目針對某通信設(shè)備的數(shù)字T/R組件設(shè)計，該組件采用FPGA+ARM處理器的主輔通道硬件實現(xiàn)架構(gòu)，如圖1所示。圖中，基于FPGA的主通道用于對多個收發(fā)通道的數(shù)據(jù)流進(jìn)行實時流式處理，而基于ARM處理器的輔助通道實現(xiàn)組件狀態(tài)的實時監(jiān)控與健康管理，這樣兩者控制平面與數(shù)據(jù)平面分開，從而實現(xiàn)數(shù)字組件的高效率運(yùn)行。

數(shù)字T/R組件處于設(shè)備的天線前端，而天線在工作時部署于室外高處，ARM程序通過JTAG更新較為困難，因此需要考慮其他在線更新方法。目標(biāo)數(shù)字T/R組件中所采用的ARM處理器是TI公司Cortex M4系列芯片[1]，TI官網(wǎng)提供了Boot loader的簡單例程，支持串口、網(wǎng)口、USB等接口的程序在線更新方式， 但需要配合其LM Flash Programmer上位機(jī)Windows軟件才能實現(xiàn)程序在線更新，而上位機(jī)是不開源的Windows軟件，無法跨平臺使用，且當(dāng)組件與上位機(jī)無直接物理連接時無法應(yīng)用該軟件，因此為了適應(yīng)目標(biāo)系統(tǒng)的研制，需要在TI公司現(xiàn)有Boot loader程序的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善改進(jìn)，并重新編寫上位機(jī)程序，使之滿足組件在各種操作系統(tǒng)下的研制和移植需要。

考慮圖1中的ARM與FPGA之間有一對串口，而FPGA可將該串口中的數(shù)據(jù)打包到高速光纖中，并轉(zhuǎn)發(fā)到上級分系統(tǒng)中，因此這里設(shè)計采用串口來實現(xiàn)對ARM程序的在線更新。

1.2 ARM程序在線更新原理

如圖2所示，ARM程序在線更新原理是將整個ARM內(nèi)部存儲程序的FLASH空間分為兩部分：Boot loader和Application區(qū)，其中Boot loader存于從0開始的地址，Application存于事先約定好的地址APP_BASE_ADDR(該地址以4為邊界，確保能從Boot loader程序跳到該地址執(zhí)行)。

圖2 ARM地址空間分配

上電時，ARM首先從0地址開始執(zhí)行Boot loader程序，Boot loader程序檢查APP_BASE_ADDR后的程序是否合法。若不合法，認(rèn)為Application區(qū)沒有可執(zhí)行的應(yīng)用程序，則進(jìn)入Boot loader主循環(huán)等待上位機(jī)進(jìn)行程序更新。若APP_BASE_ADDR后的程序是合法程序，則Boot loader繼續(xù)檢查Force_update標(biāo)識(可以是一個GPIO管腳的狀態(tài))：若該標(biāo)識為約定的強(qiáng)制更新狀態(tài)，則同樣進(jìn)入Boot loader主循環(huán)等待上位機(jī)進(jìn)行程序更新；若不是強(qiáng)制更新狀態(tài)，則Boot loader執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令，從App_Base_Addr開始執(zhí)行應(yīng)用程序。

因此，在組件正常工作時，組件總是運(yùn)行于App_Base_Addr后地址空間里，此時若需要更新Application程序，應(yīng)由上位機(jī)通過約定的傳輸協(xié)議通知現(xiàn)有Application程序，后者接收到程序更新命令后執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令，返回到Boot loader程序的起始地址，執(zhí)行Boot loader引導(dǎo)，隨后上位機(jī)即可按照約定程序更新流程，并與Boot loader交互對Application區(qū)域進(jìn)行程序更新。

2 實 現(xiàn)

基于串口的ARM程序在線更新實現(xiàn)包括兩部分程序：ARM程序和上位機(jī)MCU_PROG程序。

2.1 ARM程序

(1) Boot loader程序

如前所述，TI公司提供了Boot loader的簡單實現(xiàn)[2]，本項目在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。Boot loader的實現(xiàn)流程如圖3所示，其中CheckForceUpdate中首先檢測應(yīng)用程序地址段App_Base_Addr的程序是否合法(檢測堆棧指針和Reset向量是否正常)。若不合法，則直接返回Yes，開始進(jìn)行程序更新；若合法，則檢測預(yù)定義的GPIO腳電平是否滿足Force Update定義，若滿足，則返回Yes進(jìn)行程序更新。若應(yīng)用程序地址段程序合法且GPIO腳不滿足Force Update定義，則跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序地址，開始執(zhí)行應(yīng)用程序。

圖3 Boot loader流程圖

Update程序?qū)Υ趨f(xié)議進(jìn)行解析，通過Switch-Case格式分別執(zhí)行上位機(jī)發(fā)送的命令，如圖4所示。

圖4 Updater子程序分支結(jié)構(gòu)

Bootloader對上位機(jī)發(fā)送的PING、DOWNLOAD、SEND_DATA、GET_STATUS、RUN、RESET、WARM_UPDATE等命令進(jìn)行響應(yīng)，其中PING用于上位機(jī)和BOOT loader程序進(jìn)行握手，DOWNLOAD、SEND_DATA和GET_STATUS構(gòu)成程序下載的3個互操作語句：RUN和RESET用于上位機(jī)對Boot loader進(jìn)行程序控制，WARM_UPDATE用于和應(yīng)用程序的程序更新命令進(jìn)行兼容，只做應(yīng)答響應(yīng)。幾種命令的具體格式及定義見文獻(xiàn)[3]，也可以是自定義命令格式，只要和上位機(jī)程序保持一致即可。

(2) 應(yīng)用程序

ARM應(yīng)用程序在多任務(wù)實時操作系統(tǒng)TIRTOS中實現(xiàn)，為了和Boot loader執(zhí)行命令保持一致，程序中單獨創(chuàng)建一個任務(wù)，用于監(jiān)聽上位機(jī)的串口命令，并進(jìn)行Switch-Case格式響應(yīng)，如圖5所示。

圖5 ARM應(yīng)用程序串口監(jiān)聽任務(wù)分支結(jié)構(gòu)

與Boot loader不同之處在于：當(dāng)ARM應(yīng)用程序接收到COMMAND_WARM_UPDATE命令時，將跳轉(zhuǎn)到Boot loader起始地址，開始進(jìn)行程序更新。

2.2 上位機(jī)程序

如前所述，在本項目中ARM的串口用于和FPGA連接，其與上位機(jī)的交互最終由FPGA通過光纖實現(xiàn)，這里考慮程序流程驗證，忽略FPGA及光纖連接的部分，考慮直接由ARM串口與上位機(jī)串口直接連接，從而可以直接在上位機(jī)編寫可移植的C程序代碼，便于最終在不同的主機(jī)操作系統(tǒng)實現(xiàn)。

根據(jù)前述對boot loader程序中DOWNLOAD、SEND_DATA和GET_STATUS等3個互操作語句的描述，上位機(jī)對ARM應(yīng)用程序的更新步驟如下：

(1) 上位機(jī)發(fā)送COMMAND_WARM_UPDATE命令，請求程序更新，ARM準(zhǔn)備好后返回ACK，并跳轉(zhuǎn)到Boot loader程序空間；

(2) 上位機(jī)發(fā)送COMMAND_DOWNLOAD命令，給出ARM應(yīng)用程序的起始地址和程序字節(jié)長度；

(3) ARM返回ACK狀態(tài)，表示接收正常；

(4) 上位機(jī)發(fā)送COMMAND_GET_STATUS命令，獲取當(dāng)前狀態(tài)；

(5) 單片機(jī)返回狀態(tài)信息；

(6) 上位機(jī)發(fā)送COMMAND_SEND_DATA命令，開始發(fā)送更新的程序數(shù)據(jù)包；

(7) ARM返回ACK狀態(tài)，表示接收正常；

(8) 上位機(jī)發(fā)送COMMAND_GET_STATUS命令，獲取當(dāng)前狀態(tài)；

(9) 單片機(jī)返回狀態(tài)信息；

(10) 重復(fù)步驟(6)～(9)，直到程序下載結(jié)束；

(11) 上位機(jī)發(fā)送COMMAND_RUN命令，讓ARM執(zhí)行應(yīng)用程序；

(12) ARM返回ACK，并跳轉(zhuǎn)到ARM應(yīng)用程序空間，從而完成程序的在線更新。

根據(jù)以上分析，本項目通過Visual Studio 2013開發(fā)環(huán)境，基于多線程機(jī)制，實現(xiàn)了上位機(jī)MCU_PROG軟件完成基于串口的ARM程序在線更新，軟件實現(xiàn)了PING、DOWNLOAD、SEND_DATA、RUN、RESET、WARM_UPDATE等數(shù)據(jù)包的生成，通過專用下載線程與ARM進(jìn)行交互實現(xiàn)了程序在線更新，其運(yùn)行界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)ARM程序在線更新界面

3 結(jié)束語

本文通過分析ARM boot loader流程原理，分別以Visual C++程序和嵌入式C程序完成了上位機(jī)應(yīng)用程序與ARM程序的編寫， 實現(xiàn)了基于串口的ARM程序在線更新。同時，程序基于C語言，移植能力較強(qiáng)，便于數(shù)字組件程序的嵌入式移植和系統(tǒng)在線更新應(yīng)用，相關(guān)設(shè)計也可以應(yīng)用到類似的組件和模塊中，具有很好的技術(shù)應(yīng)用擴(kuò)展性。