嵌入式系统实现在系统编程(ISP)

随着嵌入式系统技术的发展，电可擦除的Flash芯片以容量大、价格低、编程方便等优势得到了广泛的应用。由于同一片Flash作业程序存储器的系统无法直接实现在系统编程(ISP)。为了方便现场调试和程序升级，可以采用集成ISP功能较新的MCU(如AVR、部分ARM芯片等)，或者采用双Flash 设计等方法实现ISP功能。但有不少系统仍然使用不具备直接ISP功能的MCU(如M68K、N80C196等)，由于印制版面积、成本等原因的考虑也没有采用双Flash芯片，此类系统在程序升级时通常需要如编程器、仿真器等特定工具，在现场应用时不很方便。为解决这些系统的ISP问题，本文以 MC68332平台为例提出了一种通用的ISP方案。

1 方法分析 对于使用M68K这类不具备ISP功能的MCU系统，进行ISP设计必须满足以下几个条件： (1)程序空间和数据空间统一编址，程序可以在RAM中运行; (2)Flash芯片正确连接了写信号; (3)拥有能放下update程序并让其正常工作的额外程序/数据空间; (4)具备某种通信能力(如以太网、串口、CAN、MODEM等); 满足了这四个条件，就可以按照本文的方法进行ISP设计。针对自编程过程中文件出错、断电等特殊情况的容错程度不同，可以有如下两种方案。 1.1 方案1——自编程过程是安全可靠的，不会出现异常情况 这种情况相对简单一些，整个程序可以分为两个独立的部分完成，一是升级程序(称为update程序)，它通过通信接口从主机接收程序数据到RAM空间，并对数据进行CRC校验以保证数据的正确性，在校验正确后将数据写到程序存储器的指定地址空间。如果RAM空间较小，可以接收一页、校验一页、写入一页，分次完成。由于程序存储器写操作过程必须连续，不能被打断，所以update程序必须在链接时指定在RAM地址空间运行。

另一部分是正常的程序(称为normal程序)，这是正常编译的在程序存储器空间运行的程序，除了正常的工作之外它还需判断(通过通信命令或者查询一个输入状态等)是否应该转到升级模式，如果是，则将update程序复制到指定的RAM空间并转去执行update程序。 程序完成需要将update和normal通过编程通过编程工具分别固公到程序存储器上的指定地址(注意：在固化第二个程序时不可损坏第一个程序内容)，也可将两个文件合并，一次固化到程序存储器，update程序作为normal程序的数据信息而存在，如图1所示。这样正常运行时程序运行在normal 部分，update程序得不到运行;在升级模式时normal程序把程序存储器中的update部分复制到其运行空间(RAM)并执行。如果在自编程过程中出现灾难性故障，那么程序存储器旧的normal程序已经擦除而新的normal程序还未写入或者未完全写入，这都将导致程序存储器中的程序数据不再完整，此时必须用专用工具写normal程序，才能让系统可再次自编程。 1.2 方案——考虑自编程过程中的异常状况，做到做障保护 这种情况下需要把整个工作分为三部分完成，第一是引导程序(称为BOOT程序);第二是升级程序(update程序);第三是正常程序(normal程序)。BOOT程序负责控制程序的运行模式：升级模式、正常模式。如果进入升级模式，BOOT程序需要将update程序复制到指定的运行空间，并转入执行update程序;如果进入正常模式，BOOT需要做的工作就十分简单，可以直接把控制权交给正常程序。为了使各个程序可以单独调试，不要依赖其它程序来初始化硬件。Update程序所要完成的功能与方案1中的相同，此时要注意update在自编程时不能破坏BOOT程序。此时normal程序不再负有复制update程序到指定运行空间的任务，完全按照正常的模式运行。

按照这种方案，BOOT程序和update程序是自编程设计的核心内容，只要保证这部分数据的完整性，就能拥有在线编程的能力，要在软件对这部分数据区进行保护，保证在第一次写入程序存储器后就不会再被擦除。这样即使在自编程时发生灾难性故障，BOOT程序和update程序是不会被破坏的，仍然可以继续运行，保证下次仍然可以进行自编程。 同样，程序完成后也必须分别固化到程序存储器的指定空间，以保证程序的正常运行，程序分布如图2所示。 2 在MC68332目标平台上的实现(采用方案2) 目标平台的基本配置如下： CPU为MC68332，Flash为512KB(Am29F400B)，RAM为1MB，通信口为10Mbps以太网。 在编写程序之前首先应该设计好程序在Flash和RAM空间的分布，按照方案2的思路考虑平台的硬件配置，具体设计如下： (1)BOOT程序通过MC68332的一个I/O状态判定程序的走向; (2)update程序通过以太网口采用TFTP协议从主机接收程序并进行CRC校验; (3)Flash具体分配如表1所示。 表1 程序空间的分布 　代码存储空间代码运行空间可用数据空间 BOOT 0x00000～0x00400 0x000000～0x000400 0x700000～0x800000 update 0x00400～0x10000 0x700000～0x710000 0x710000～0x800000 normal 0x10000～0x80000 0x010000～0x080000 0x700000～0x800000 按照方案2，BOOT程序在系统复位后初始化Flash、RAM片选，把Flash、RAM映射到对应的地址空间，并通过MC68332的一个I/O状态判断应用进入何种运行模式。如果进入正常模式，BOOT程序通过从normal复位向量处取得PC值，转入相应的地址执行;进入升级模式，BOOT程序把 update程序从Flash地址0x00400S～0x10000复制到RAM地址0x700000～0x710000中，然后把控制权转移给 update程序。程序流程如图2。 update程序主要分为三大部分：(1)从网络接口接收主机中的normal程序，为了尽量减小程序的复杂性，采用TFTP协议(TFTP Version 2,RFC 1350)从网络接收程序(这部分也可以通过其他方式，如串口、MODEM等实现);(2)解析出程序数据并进行校验，接收到的程序是Motorola格式的S-Record文件，必须按照S-Record格式进行解析，得到程序数据并进行CRC校验，保证程序的正常性;(3)写到Flash中地址 0x10000～0x80000，验证工作完成后把数据固化到Flash中指定地址，重启并进入正常模式就可运行升级后的程序。程序流程见图4。

normal程序按照正常需要进行编写，必须链接到0x10000～0x80000空间运行。 这三个程序完成后，编写一个工具程序把三个程序合并到一个文件(注意地址空间的分配)，然后利用编程工具烧写到Flash片上，这样这个具备ISP功能的系统就完成了。 该设计的实现方法简单，可以避免生产时不必要的物质和时间上的开销，同时也可以帮助提供更为简易、灵活、经济的现场服务，值得在嵌入式系统中推广使用。