片外FIash存儲(chǔ)器IAP的n種方案

　　引 言

　　以ARM芯片為處理器核的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，以其小體積、低功耗、低成本、高性能、豐富的片內(nèi)資源以及對(duì)操作系統(tǒng)的廣泛支持，得到了人們?cè)絹?lái)越多的青睞。包括工業(yè)控制領(lǐng)域、無(wú)線通信領(lǐng)域、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、消費(fèi)電子、成像和安全產(chǎn)品等，如今，ARM微處理器及嵌入式技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)滲透到了各個(gè)領(lǐng)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(shù)繁多的ARM7處理器，因其片內(nèi)外設(shè)不同而各擅所長(zhǎng)，但都應(yīng)用同樣的ARM7TDMI核（或ARM7TDMI—S核，這是ARM7TDMI的綜合版本，這兩種核對(duì)處理器應(yīng)用人員來(lái)說(shuō)沒(méi)有區(qū)別）?？梢哉f(shuō)，ARM7TDMI是目前使用最為廣泛的32位嵌入式RIsc處理器。ARM7TDMI核應(yīng)用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，處理器使用的存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)和程序指令不予區(qū)分，PC寄存器指向的存儲(chǔ)器單元，無(wú)論是ROM區(qū)還是RAM區(qū)，只要符合ARM指令的格式都可以執(zhí)行，這就為系統(tǒng)自修改提供了可能。在應(yīng)用編程IAP（InApplicatAion Program）就是這樣的自修改程序。它先在RAM存儲(chǔ)器中寫(xiě)人數(shù)據(jù)值，然后使PC指向該存儲(chǔ)段，把該段作為程序段來(lái)執(zhí)行。很多ARM7芯片自帶IAP處理器，應(yīng)用其自帶的IAP處理器可以方便地對(duì)其片內(nèi)集成的Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行在應(yīng)用編程，但幾乎所有的ARM核芯片均不支持片外IAP處理，因?yàn)槠釬lash存儲(chǔ)器是用戶選型的，芯片生產(chǎn)廠家無(wú)法先知先覺(jué)，而不同F(xiàn)lash存儲(chǔ)器其編程時(shí)序也不盡相同，導(dǎo)致芯片生產(chǎn)廠家無(wú)法提供通用的IAP代碼。那么，如何對(duì)嵌入式系統(tǒng)的片外Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行在應(yīng)用編程呢？這里分兩種情況：一是普通代碼存放在片外單獨(dú)1片F(xiàn)lash中，IAP代碼在另一片F(xiàn)lash中完成，此時(shí)只要依據(jù)Flash的操作時(shí)序執(zhí)行IAP代碼，完成擦除或?qū)懭氩僮骷纯?。這種情況雖然簡(jiǎn)單，但應(yīng)用了2片F(xiàn)lash；而IAP代碼很小，一般完全可以集成到1片中，所以這里對(duì)這種情況不予考慮。另一種情況是1片F(xiàn)lash中既要存儲(chǔ)普通代碼，又要實(shí)現(xiàn)IAP。下面以Phnips公司的LPC2210 和 Silicon storage Technology 公司的SST39VFl60為例，詳細(xì)討論這種情況IAP的解決方案。

　　1 硬件結(jié)構(gòu)

　　1.1 LPC2210介紹

　　Philips公司的LPC22lO是一款基于支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16／32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器。芯片采用144腳封裝，有16 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM，開(kāi)放外部總線；通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口可將外部存儲(chǔ)器配置成4組，每組的容量高達(dá)16 Mb，數(shù)據(jù)寬度8／16／32位均可；具有多個(gè)32位定時(shí)器、8路lO位PWM輸出、多個(gè)串行接口（包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C接口和2個(gè)sPI接口）以及9個(gè)外部中斷、多達(dá)76個(gè)可承受5 V電壓的通用I／O口，同時(shí)內(nèi)嵌實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗，片內(nèi)外設(shè)功能豐富強(qiáng)大；片內(nèi)晶振頻率范圍l～30 MHz，通過(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60 MHz的CPU工作頻率，具有2種低功耗模式——空閑和掉電，通過(guò)外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒，并可通過(guò)個(gè)別使能／禁止外部功能來(lái)優(yōu)化功耗。以上特性，使其特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和POS機(jī)，同時(shí)也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，嵌入式軟Modem，以及其他各種類(lèi)型的應(yīng)用。

　　1.2 SST39VFl60介紹

　　Silicon StoraLge Technology公司的SST39VFl60是一個(gè)lM×16b的CMOS多功能Flash器件，單電壓的讀和寫(xiě)操作，電壓范圍3．O～3．6 V，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、字編程、扇區(qū)／塊擦除和芯片擦除操作。擦除和字編程必須遵循一定的時(shí)序，表l列出了扇區(qū)擦除和字編程過(guò)程及時(shí)序。擦除或編程操作過(guò)程中讀取觸發(fā)位DQ6將得到“1”和“O”的循環(huán)跳變；而操作結(jié)束后讀DQ6，得到的是不變的固定值。這是器件提供的寫(xiě)操作狀態(tài)檢測(cè)軟件方法。

　　1.3 硬件連接

　　SST39VF160作為系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器，以LPC2210的CSO作為Flash的片選信號(hào)，處理器配置Boot引腳為16位數(shù)據(jù)總線寬度后，上電可直接執(zhí)行SST39VFl60中代碼。此Flash芯片為16位數(shù)據(jù)寬度，無(wú)字節(jié)控制總線，所以應(yīng)用中不使用LPC2210的BLS引腳。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖l所示。

　　2 軟件實(shí)現(xiàn)

　　2.1 IAP實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)分析

　　在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，通常要求記錄一些現(xiàn)場(chǎng)的傳感、交互輸入數(shù)據(jù)，通常把數(shù)據(jù)記錄在Flash存儲(chǔ)器中，以便下次上電能獲取以前的數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)，那么只要對(duì)存放數(shù)據(jù)的Flash器件進(jìn)行編程即可。然而大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)，程序和需保存的數(shù)據(jù)都共存于同一Flash存儲(chǔ)器中，那么是否也如前所述，可對(duì)Flash存儲(chǔ)器直接編程呢？理論和實(shí)踐都表明不可以。先從理論上計(jì)算：LPC22lO允許的芯片核工作頻率（CCLK）范圍是10～60 MHz，存儲(chǔ)器讀訪問(wèn)長(zhǎng)度由存儲(chǔ)器組配置寄存器BCFG中讀訪問(wèn)的長(zhǎng)度域控制WSTl控制，其最大可用長(zhǎng)度為35個(gè)CCLK，而SST39VFl60的扇區(qū)擦除典型時(shí)間為18 ms。下面是計(jì)算算式：

　　TRDmax=RDLenmax／CCLKmin=35／10×10一6=3．5 μs

　?。甌D=18 ms》3．5μs

　　其中：TRDmax—最大讀訪問(wèn)時(shí)間；

　　RDLenmix——最大讀訪問(wèn)可用長(zhǎng)度；

　　CCLKmin——最小核工作時(shí)鐘頻率；

　　Tp——扇區(qū)擦除典型時(shí)間。

　　算式得出扇區(qū)擦除典型時(shí)間遠(yuǎn)大于最大讀訪問(wèn)時(shí)間。這樣一來(lái)，如果再給某Flash寫(xiě)數(shù)據(jù)，同時(shí)于其中預(yù)取指，那么因F1ash在執(zhí)行命令期間，對(duì)其他操作不響應(yīng)，預(yù)取出的必定是其數(shù)據(jù)引腳上的不確定數(shù)據(jù)，預(yù)取指失敗。實(shí)踐也表明，如果在程序執(zhí)行過(guò)程中，對(duì)同一Flash進(jìn)行扇區(qū)擦除，必定引起預(yù)取指中斷。

　　為了解決在同一Flash芯片存放程序并IAP這一問(wèn)題，引進(jìn)代碼重映射的思想。所謂重映射就是代碼先自復(fù)制到指定存儲(chǔ)區(qū)，然后跳轉(zhuǎn)到指定區(qū)的起點(diǎn)開(kāi)始執(zhí)行。這里，lAP程序先自復(fù)制到LPC2210片內(nèi)SRAM中，然后跳轉(zhuǎn)到SRAM執(zhí)行l(wèi)AP代碼。前面說(shuō)過(guò)，ARM7為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，這就為IAP程序重映射提供了可能。

　　編寫(xiě)可重映射代碼的關(guān)鍵是要解決程序中相對(duì)偏移的問(wèn)題，ARM7指令系列中涉及相對(duì)偏移的指令主要有LDR／STR以及跳轉(zhuǎn)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(shù)為變址，這樣當(dāng)程序塊整塊移動(dòng)時(shí)，要加載的數(shù)據(jù)或跳轉(zhuǎn)的地址與當(dāng)前Pc值的偏移值固定，解決了相對(duì)偏移問(wèn)題。

　　2.2 扇區(qū)擦除

　　事先編程在Flash中的程序先自復(fù)制到SRAM指定的位置，然后，賦PC為SRAM中扇區(qū)編程代碼段的起點(diǎn)ERASEPART。程序于SRAM中的ERASEPART起點(diǎn)開(kāi)始執(zhí)行，按照SST39VF160扇區(qū)擦除的時(shí)序要求開(kāi)始擦除。按照ARM公司提出的ATPCS規(guī)定，C語(yǔ)言程序調(diào)用匯編程序時(shí)，寄存器R0一R3傳遞參數(shù)，返回值由寄存器RO傳遞原則，扇區(qū)擦除程序的一個(gè)參數(shù)，要擦除的扇區(qū)號(hào)，由RO傳遞；返回參數(shù)置于R0，扇區(qū)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(diǎn)開(kāi)始執(zhí)行，按照SST39VFl60字編程的時(shí)序要求開(kāi)始編程。入口參數(shù)有三個(gè)，依次為編程地址、數(shù)據(jù)起始地址、編程數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。字編程成功返回“1”，否則返回“0”。

　　3 結(jié)論

　　在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，IAP是極為有效的一種技術(shù)。根據(jù)本文提出的方案，在實(shí)際應(yīng)用中只需針對(duì)選用的Flash，更改特定的擦、寫(xiě)操作代碼就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)片外存儲(chǔ)器的在應(yīng)用編程。文中提出的IAP代碼重入到SR—kM執(zhí)行的方法，有效地解決了應(yīng)用無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的32位ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)IAP難題，有很大的應(yīng)用價(jià)值。