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以ARM芯片為處理器核的嵌入式應用系統，以其小體積、低功耗、低成本、高性能、豐富的片內資源以及對操作系統的廣泛支持，得到了人們越來越多的青睞。包括工業控制領域、無線通信領域、網絡應用、消費電子、成像和安全產品等，如今，ARM微處理器及嵌入式技術的應用幾乎已經滲透到了各個領域。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。這些為數繁多的ARM7處理器，因其片內外設不同而各擅所長，但都應用同樣的ARM7TDMI核（或ARM7TDMI－S核，這是ARM7TDMI的綜合版本，這兩種核對處理器應用人員來說沒有區別）。可以說，ARM7TDMI是目前使用最為廣泛的32位嵌入式RISC處理器。 ARM7TDMI核應用馮 ·諾依曼結構，處理器使用的存儲器中數據和程序指令不予區分，PC寄存器指向的存儲器單元，無論是ROM區還是RAM區，只要符合ARM指令的格式都可以執行，這就為系統自修改提供了可能。在應用編程IA（In Application Program）就是這樣的自修改程序。它先在RAM存儲器中寫入數據值，然后使PC指向該存儲段，把該段作為程序段來執行。很多ARM7芯片自帶IAP處理器，應用其自帶的IAP處理器可以方便地對其片內集成的FLASH存儲器進行在應用編程，但幾乎所有的ARM核芯片均不支持片外IAP處理，因為片外Flash存儲器是用戶選型的，芯片生產廠家無法先知先覺，而不同Flash存儲器其編程時序也不盡相同，導致芯片生產廠家無法提供通用的IAP代碼。那么，如何對嵌入式系統的片外Flash存儲器進行在應用編程呢？這里分兩種情況：一是普通代碼存放在片外單獨1片Flash中，IAP代碼在另一片Flash中完成，此時只要依據Flash的操作時序執行IAP代碼，完成擦除或寫入操作即可。這種情況雖然簡單，但應用了2片Flash；而IAP代碼很小，一般完全可以集成到1片中，所以這里對這種情況不予考慮，另一種情況是1片Flash中既要存儲普通代碼，又要實現IAP。下面以Philips公司的LPC2210和Silicon Storage Technology公司的SST39VF160為例，詳細討論這種情況IAP的解決方案。 1 硬件結構 1.1 LPC2210介紹 Philips公司的LPC2210是一款基于支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI－S CPU的微控制器。芯片采用144腳封裝，有16KB片內靜態RAM，開放外部總線；通過外部存儲器接口可將外部存儲器配置成4組，每組的容量高達16Mb，數據寬度8/16/32位均可；具有多個32位定時器、8路10位PWM輸出、多個串行接口（包括2個16C550工業標準UART、高速I2C接口和2個SPI接口）以及9個外部中斷、多達76個可承受5V電壓的通用I/O口，同時內嵌實時時鐘和看門狗，片內外設功能豐富強大；片內晶振頻率范圍1－30MHz，通過片內PLL可實現最大為60MHz的CPU工作頻率，具有2種低功耗模式--空閑和掉電，通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒，并可通過個別使能/禁止外部功能來優化功耗。以上特性，使其特別適用于工業控制、醫療系統、訪問控制和POS機，同時也非常適合于通信網關協議轉換器、嵌入式軟Modem，以及其他各種類型的應用。 1.2 SST39VF160介紹 Silicon Storage Technology公司的SST39VF160是一個1M×16b的COMS多功能FLASH器件，單電壓的讀和寫操作，電壓范圍3.0－3.6V，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、寫編程、扇區/塊擦除和芯片擦除操作。擦除和字編程必須遵循一定的時序，表1列出了扇區擦除和字編程過程及時序。擦除或編程操作過程中讀取觸發位DQ6將得到"1"和"0"的循環跳變；而操作結束后讀DQ6，得到的是不變的固定值。這是器件提供的寫操作狀態檢測軟件方法。 1.3 硬件連接 SST39VF160作為系統的程序存儲器，以LPC2210的CS0作為Flash的片選信號，處理器配置Boot引腳為16位數據總線寬度后，上電可直接執行SST39VF160中代碼。此Flash芯片為16位數據寬度，無字節控制總線，所以應用中不使用LPC2210的BLS引腳。系統結構示意圖如圖1所示。 2.1 IAP實現要點分析 在嵌入式應用系統中，通常要求記錄一些現場的傳感、交互輸入數據，通常把數據記錄在Flash存儲器中，以 便下次上電能獲得以前的數據。如果系統程序和數據分開存儲。那么只要對存放數據的Flash器件進行編程即可。然而大多數嵌入式系統，程序和需保存的數據都共存于同一Flash存儲器中，那么是否也如前所述，可對Flash存儲器直接編程呢？理論和實踐都表明不可以。 先從理論上計算：LPC2210允許的芯片核工作頻率（CCLK）范圍是10－60MHz，存儲器讀訪問長度由存儲器組配置寄存器BCFG中讀訪問的長度域控制WST1控制，其最大可用長度為35個CCLK，而SST39VF160的扇區擦除典型時間為18ms。下面是計算算式： TRDmax＝RDLenmax/CCLKmin＝35/10×10－6＝3.5μs Tp＝18ms＞＞3.5μs 其中：TRDmax--最大讀訪問的時間； RDLenmax--最大讀訪問可用長度； CCLKmin--最小核工作時鐘頻率； Tp--扇區擦除典型時間。 算式得出扇區擦除典型時間遠大于最大讀訪問時間。這樣一來，如果再給某FLASH寫數據，同時于其中預取指，那么因Flash執行命令期間，對其他操作不響應，預取出的必定是其數據引腳上的不確定數據，預取指失敗。實踐也表現，如果在程序執行過程中，對同一Flash進行扇區擦除，必定引起預取指中斷。 為了解決在同一Flash芯片存放程序并IAP這一問題，引進代碼重映射的思想。所謂重映射就是代碼先自復制到制定存儲區，然后跳轉到制定區的起點開始執行。這里，IAP程序先自復制到LPC2210片內SRAM中，然后跳轉到SRAM執行IAP代碼。前面過說，ARM7為馮·諾依曼結構，這就為IAP程序重映射提供了可能。 編寫可重映射代碼的關鍵是要解決程序中相對偏移的問題，ARM7指令系列中涉及相對偏移的指令主要有LDR/STR以跳轉指令。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，以立即數為變址，這樣當程序塊整塊移動時，要加載的數據或跳轉的地址與當前PC值的偏移值固定，解決了相對偏移問題。 2.2 扇區擦除 事先編程在Flash中的程序前自復制到SRAM制定的位置，然后，賦PC為SRAM中扇區編程代碼段的起點ERASEPART。程序于SRAM中的ERASEPART起點開始執行，按照SST39VF160扇區擦除的時序要求開始擦除。按照ARM公司提出的ATPCS規定，C語言程序調用匯編程序時，寄存器R0－R3傳遞參數，返回值由寄存器R0傳遞原則，扇區擦除程序的一個參數，要擦除的扇區號，由R0傳遞；返回參數置于R0，扇區擦除成功返回"1"，否則返回"0"。 2.3 字編程 程序于SRAM中的PROGRAMPART起點開始執行，按照SST39VF160字編程的時序要求開始編程。入口參數有三個，一次為編程地址、數據起始地址、編程數據長度。字編程成功返回"1"，否則返回"0"。 3.結論 在嵌入式應用系統中，IAP是極為有效的一種技術。根據本文提出的方案，在實際應用中只需針對選用的Flash，更改特定的擦、寫操作代碼就可實現系統片外存儲器的在應用編程。本文提出的IAP代碼重入到SRAM執行的方法，有效地解決了應用無片內程序存儲器的32位ARM處理器的嵌入式系統IAP難題，有很大的應用價值。 |
