片外Flash存儲(chǔ)器IAP的一種方案

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)絹碓蕉嗟那嗖A。包括工業(yè)控制領(lǐng)域、無線通信領(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)用人員來說沒有區(qū)別）?？梢哉f，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（in application program）就是這樣的自修改程序。它先在ram存儲(chǔ)器中寫入數(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鈌lash存儲(chǔ)器是用戶選型的，芯片生產(chǎn)廠家無法先知先覺，而不同flash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flash中，iap代碼在另一片flash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flash；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flash中既要存儲(chǔ)普通代碼，又要實(shí)現(xiàn)iap。下面以philips公司的lpc2210和silicon storage technology公司的sst39vf160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lpc2210是一款基于支持實(shí)時(shí)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(nèi)靜態(tài)ram，開放外部總線；通過外部存儲(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)16mb，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10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5v電壓的通用i/o口，同時(shí)內(nèi)嵌實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗，片內(nèi)外設(shè)功能豐富強(qiáng)大；片內(nèi)晶振頻率范圍1－30mhz，通過片內(nèi)pll可實(shí)現(xiàn)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(gè)別使能/禁止外部功能來優(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，以及其他各種類型的應(yīng)用。

1.2 sst39vf160介紹

silicon storage technology公司的sst39vf160是一個(gè)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(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1列出了扇區(qū)擦除和字編程過程及時(shí)序。擦除或編程操作過程中讀取觸發(fā)位dq6將得到"1"和"0"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cs0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sst39vf160中代碼。此flash芯片為16位數(shù)據(jù)寬度，無字節(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1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，以便下次上電能獲得以前的數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)分開存儲(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：lpc2210允許的芯片核工作頻率（cclk）范圍是10－60mhz，存儲(chǔ)器讀訪問長(zhǎng)度由存儲(chǔ)器組配置寄存器bcfg中讀訪問的長(zhǎng)度域控制wst1控制，其最大可用長(zhǎng)度為35個(gè)cclk，而sst39vf160的扇區(qū)擦除典型時(shí)間為18ms。下面是計(jì)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(shí)間；
rdlenmax--最大讀訪問可用長(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)大于最大讀訪問時(shí)間。這樣一來，如果再給某flash寫數(shù)據(jù)，同時(shí)于其中預(yù)取指，那么因flash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)踐也表現(xiàn)，如果在程序執(zhí)行過程中，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)制到制定存儲(chǔ)區(qū)，然后跳轉(zhuǎn)到制定區(qū)的起點(diǎn)開始執(zhí)行。這里，iap程序先自復(fù)制到lpc2210片內(nèi)sram中，然后跳轉(zhuǎn)到sram執(zhí)行iap代碼。前面過說，arm7為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，這就為iap程序重映射提供了可能。

編寫可重映射代碼的關(guān)鍵是要解決程序中相對(duì)偏移的問題，arm7指令系列中涉及相對(duì)偏移的指令主要有l(wèi)dr/str以跳轉(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)偏移問題。

2.2 扇區(qū)擦除

事先編程在flash中的程序前自復(fù)制到sram制定的位置，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)開始執(zhí)行，按照sst39vf160扇區(qū)擦除的時(shí)序要求開始擦除。按照arm公司提出的atpcs規(guī)定，c語言程序調(diào)用匯編程序時(shí)，寄存器r0－r3傳遞參數(shù)，返回值由寄存器r0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r0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)開始執(zhí)行，按照sst39vf160字編程的時(shí)序要求開始編程。入口參數(shù)有三個(gè)，一次為編程地址、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"。

（編制注：擦除和編程程序見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。）

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。本文提出的iap代碼重入到sram執(zhí)行的方法，有效地解決了應(yīng)用無片內(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。