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IAP即在應用中編程，對于嵌入式產(chǎn)品，指在不影響產(chǎn)品正常運行的情況下實(shí)現應用程序的更新。許多ARM芯片都提供該操作接口，相對于ISP(在系統編程)方式，具有方便靈活且不需要借助專(zhuān)用boot裝載程序或工具的特點(diǎn)，而且在不影響嵌入式產(chǎn)品正常運行的情況下即可完成應用程序的動(dòng)態(tài)升級。在工業(yè)控制領(lǐng)域尤其是電力系統控制領(lǐng)域中，嵌入式產(chǎn)品必須保證連續、穩定、可靠地運行，由各種原因導致的應用程序的更新都必須在產(chǎn)品正常運行過(guò)程中完成，因此許多用戶(hù)對相關(guān)產(chǎn)品的IAP功能都有明確的要求。 LPC2214 是Philips公司推出的一款32位ARM7TDMI-S工業(yè)用微控制器。內置256 KB高速Flash，128位寬度接口／加速器可以實(shí)現60 MHz的操作頻率；配置有2個(gè)uART接口、4個(gè)外部片選，支持8、16、32外部總線(xiàn)；片內boot下載程序可以實(shí)現在系統編程(ISP)和在應用中編程(IAP)。由于該芯片的內置Flash速度很快，并且支持128位寬度接口／加速，應用程序存儲并運行在片內Flash中可以獲得較快的執行速度。 本文提供一種基于LPC2214的在應用編程方案，可以實(shí)現應用程序方便、可靠的升級，以及當地維護串口或遠方GPRS方式的代碼更新。更新過(guò)程中，通信中斷、裝置異常復位、裝置停電等異常情況的發(fā)生，都不會(huì )導致因程序更新而造成的產(chǎn)品死機。 1 嵌入式產(chǎn)品應用程序啟動(dòng)方式 在嵌入式產(chǎn)品中，應用程序可以運行在RAM或Flash中。對于中高端產(chǎn)品，由于要求較高的執行速度和效率，一般采用Coldfire、x86、 PowerPC、ARM9等CPU。此類(lèi)CPU一般都有DRAM控制器，支持DRAM操作，為了獲得較快的執行速度，將應用程序從代碼Flash中復制到 DRAM的代碼空間后才開(kāi)始執行。對于x86模式，應用程序以文件方式保存在硬盤(pán)或電子盤(pán)上。在不同的嵌入式操作系統上，應用程序在DRAM上的展開(kāi)方式存在一定差異，例如VxWorks系統可以完成對壓縮應用程序的展開(kāi)，而早期的PSOS操作系統則是直接展開(kāi)，但其基本過(guò)程類(lèi)似。 對于低端產(chǎn)品，由于成本的嚴格控制，在滿(mǎn)足產(chǎn)品功能需求的前提下一般采用性?xún)r(jià)比較高的CPU，如8位、16位、低端ARM等。此類(lèi)CPU一般有內部RAM、內部 Flash，由于采用內部高速總線(xiàn)，內部Flash具有較高的執行速度。在外部RAM中運行的產(chǎn)品，執行速度較快，但是由于啟動(dòng)過(guò)程較為復雜，導致時(shí)間較長(cháng)(尤其是x86系統，啟動(dòng)過(guò)程可能需要半分鐘以上)；而在Flash上直接運行的產(chǎn)品，即使CPU具有較高的主頻，執行速度也會(huì )受到Flash速度的限制，但是此類(lèi)產(chǎn)品啟動(dòng)較快，一般可以在幾秒鐘內完成啟動(dòng)。 嵌入式產(chǎn)品應用程序的啟動(dòng)方式?jīng)Q定了應用程序動(dòng)態(tài)更新的方式。對于代碼在外部 RAM執行的情況，正常情況下更新Flash中的代碼不會(huì )影響系統正常運行，實(shí)現起來(lái)較為簡(jiǎn)單。例如PC104模塊，應用程序一般保存在電子盤(pán)上，以文件系統方式管理，應用程序的在線(xiàn)更新非常方便。對于代碼在Flash上直接執行的情況，由于應用程序正常運行過(guò)程中會(huì )不斷從Flash上讀取指令，給在線(xiàn)更新程序帶來(lái)一定困難，如果不借助一定手段或方法，很、難保證應用程序的可靠升級。 2 硬件實(shí)現方案 本產(chǎn)品為電力負荷用電管理終端，用來(lái)實(shí)現對廠(chǎng)礦、企業(yè)、機關(guān)等電力用戶(hù)的用電監測和控制，提高用電質(zhì)量。終端產(chǎn)品通過(guò)GPRS／CDMA無(wú)線(xiàn)通信接口完成與電力局遠方調度主站的信息交互。由于終端產(chǎn)品分散分布在一個(gè)區域的各個(gè)位置，調度主站必須通過(guò)GPRS／CDMA方式實(shí)現對終端產(chǎn)品應用程序的在線(xiàn)升級，因此產(chǎn)品在線(xiàn)升級的可靠性會(huì )對電力用戶(hù)造成很大的影響。 終端產(chǎn)品采用圖1所示的硬件方案�？紤]到LPC2214片內Flash的特點(diǎn)，應用程序固化在內部 Flash中并在其中執行。LPC2214通過(guò)數據線(xiàn)、地址線(xiàn)與RAM、外部Flash、LCD、擴展串口芯片連接，通過(guò)串行總線(xiàn)與A／D轉換器通信。 LPC2214本身提供的2路UART接口可以分別實(shí)現本地維護接口和GPRS／CDMA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口，擴展串口芯片可以擴展出2路UART，實(shí)現本地紅外維護和RS485方式的抄表功能。 
為了確保應用程序的在線(xiàn)更新，片外RAM 和Flash除了滿(mǎn)足應用程序的正常使用外，還必須滿(mǎn)足應用程序更新時(shí)臨時(shí)備份代碼的需求。 3 應用程序IAP實(shí)現方案 如圖2所示，需要更新的應用程序代碼通過(guò)GPRS／CDMA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口或本地維護接口下載到RAM的程序代碼緩存區中。經(jīng)過(guò)校驗檢查正確后，導入到外部 Flash的應用程序代碼區。導入成功后，設置相關(guān)標志，再通過(guò)LPC2214的IAP接口功能函數，將應用程序代碼保存到CPU內部Flash中。
由于應用程序運行在CPU內部的高速Flash上，因此產(chǎn)品正常運行過(guò)程中無(wú)法完成內部Flash中代碼的更新。為了解決上述問(wèn)題，采用“應用boot”的方式加以實(shí)現。將內部Flash分為2個(gè)區域：應用boot和應用程序代碼區。應用boot為一個(gè)簡(jiǎn)單的應用程序，實(shí)現從外部Flash導入應用程序代碼以及向應用程序代碼區入口跳轉的功能。應用boot存放在CPU內部Flash的開(kāi)始部分，一旦寫(xiě)入后不再修改。產(chǎn)品上電或復位后，CPU的PC指針首先指向應用boot的入口，應用boot開(kāi)始執行。一旦檢測到外部Flash中有完整的用戶(hù)代碼需要更新，則通過(guò)LPC2214的IAP接口將應用程序代碼導入到內部Flash的應用程序代碼區，并跳轉到應用程序代碼的人口處執行新的應用程序；如果沒(méi)有應用程序需要更新，boot程序會(huì )直接跳轉到當前應用程序代碼的入口處執行。 在整個(gè)應用程序在線(xiàn)升級過(guò)程中，應用程序代碼正常寫(xiě)入片外Flash之前都不影響產(chǎn)品的正常運行。正確寫(xiě)入片外Flash后，應用程序自動(dòng)復位，然后啟動(dòng)應用boot，通過(guò)應用boot將新的應用程序寫(xiě)入內部Flash。經(jīng)測試，該過(guò)程可以在10 s內完成，完全滿(mǎn)足用戶(hù)的使用要求。 4 應用boot設計 應用 boot是應用代碼更新的關(guān)鍵，它不但解決了在線(xiàn)升級的問(wèn)題，而且提供了一種異常防護機制。即使在內部Flash的應用程序代碼區寫(xiě)入失敗的情況下，由于 boot可以正常運行，仍然可以通過(guò)boot程序的功能重新更新應用程序。boot程序基本功能包括：內部Flash更新、向應用程序跳轉以及本地下載更新應用程序。為保證該軟件的可靠性，同時(shí)考慮硬件配置情況，采用μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統。通過(guò)對該操作系統的合理裁剪和軟件優(yōu)化，可以將boot程序代碼控制在12 KB以?xún)�，從而為應用程序代碼提供了足夠的片內Flash存儲空間。 當boot程序從內部Flash中讀取指令執行時(shí)，不能擦除該Flash。為解決該問(wèn)題，boot程序執行時(shí)首先將boot程序代碼復制到RAM中，然后跳轉到RAM中執行，這樣就可以對內部 Flash的應用程序代碼區進(jìn)行修改操作。 boot程序的啟動(dòng)部分非常重要，會(huì )直接影響整個(gè)系統的運行情況。啟動(dòng)代碼首先初始化CPU總線(xiàn)控制器；然后初始化RAM和外部Flash片選，將boot程序代碼復制到RAM中并在RAM中執行；最后初始化堆棧和基本系統后進(jìn)入主程序入口。
boot程序的IAP實(shí)現，主要包括兩個(gè)接口函數：CPU內部Flash扇區的擦除和寫(xiě)入。對于擦除操作，按照IAP提供的操作方式即可實(shí)現，注意發(fā)送完擦除指令后需要一段時(shí)間的延時(shí)，并借助指令檢查擦除是否成功。對于寫(xiě)入操作，需要根據IAP操作的相關(guān)要求，將數據首先復制到CPU的內部RAM中；然后通過(guò)相應的 IAP寫(xiě)入命令將其寫(xiě)入到內部Flash中；寫(xiě)入操作完成后，需要進(jìn)行一定的延時(shí)并檢查寫(xiě)入是否成功。為了保證上述操作過(guò)程的完整性，對于μc／OS- II操作系統，需要借助OS_ENTER_CRITICAL函數進(jìn)行必要的保護。 5 異常情況應對措施 對于嵌入式產(chǎn)品的在線(xiàn)升級過(guò)程，突發(fā)的在線(xiàn)升級過(guò)程異常中止、裝置停電或異常復位，以及更新程序代碼錯誤等情況會(huì )導致嚴重后果，而本產(chǎn)品的IAP在線(xiàn)升級方案完全解決了上述問(wèn)題，可以保證產(chǎn)品的可靠升級。 ①在線(xiàn)升級過(guò)程異常中止的情況。外部無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )或人為原因都可能導致代碼下載中斷的發(fā)生。而對于本產(chǎn)品，下載中止只會(huì )導致本次下載失敗，再次開(kāi)始下載即可；而且由于采用了斷點(diǎn)續傳的軟件技術(shù)，后續下載可以從上次下載失敗處繼續進(jìn)行，從而提高了下載效率。 ② 裝置停電或異常復位的情況。當停電或復位發(fā)生在下載到外部RAM過(guò)程中時(shí)，只會(huì )導致本次下載失敗，重新啟動(dòng)裝置可以再次下載；發(fā)生在代碼從外部RAM向外部Flash導入過(guò)程中時(shí)，也只會(huì )導致本次下載失敗，不會(huì )影響產(chǎn)品的正常運行；發(fā)生在代碼從外部Flash向CPU內部Flash導入過(guò)程中時(shí)，內部 Flash的應用程序代碼區被破壞，應用程序無(wú)法正常運行，但是boot程序可以繼續工作，可以在boot程序中完成應用程序的更新工作。 ③ 更新程序代碼錯誤的情況。例如由于人為原因下載了一個(gè)錯誤版本的應用程序，導致產(chǎn)品循環(huán)異常復位無(wú)法正常運行。應用程序中加入了復位監測機制，當異常復位連續達到一定范圍時(shí)會(huì )自動(dòng)進(jìn)入boot程序運行狀態(tài)，可以在boot程序中完成應用程序的更新修復工作。 結語(yǔ) 采用本 IAP設計方案的終端產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)上千個(gè)用戶(hù)現場(chǎng)的應用程序在線(xiàn)升級的實(shí)際應用檢驗，完全達到了快速、穩定、可靠的使用要求。該方案為現場(chǎng)服務(wù)人員和用戶(hù)提供了一種簡(jiǎn)單、可靠的產(chǎn)品維護手段，對于其他嵌入式產(chǎn)品的設計和開(kāi)發(fā)也具有一定的指導和借鑒意義。 參考文獻 1. 杜春雷.ARM體系結構與編程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003. 2. 廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.LPC2114/2124/2212/2214使用指南,2003. 作者：天津凱發(fā)電氣股份有限公司 曾慶釗 李政 董文寬 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用 》 2009（10） |
