基于IAP的ARM7程序在线更新设计

    ARM处理器是一种高性能、低成本、低功耗的RISC微处理器，是目前最为流行的微处理器之一。ARM7作为ARM微处理器系列中的一员，广泛应用于工业控制、网络应用、消费电子和安全产品等。实际应用中往往需要对产品的程序进行升级以提升性能或消除缺陷，如何对已经投入使用的产品进行方便可靠的程序在线升级，是产品设计初期必须考虑的问题。尽管目前绝大多数基于Flash结构的ARM7芯片具备ISP功能，但是这需要特定的烧写软件支持和专业人员操作。烧写软件由芯片厂商提供，不便于集成到产品的主机端软件中。在产品软件功能中添加简单易用的程序升级功能十分必要，文中以NXP公司的ARM7芯片LPC2132为例，为具有IAP功能的ARM7芯片提出一个稳定的在线升级方案。

1 IAP功能介绍
    在应用编程IAP(In-Application Programming)是应用在Flash程序存储器的一种编程模式。它可以在应用程序正常运行的情况下，通过调用特定的IAP程序对另外一段程序Flash空间进行读／写操作，甚至可以控制对某段、某页甚至某个字节的读／写操作，这为数据存储和固件的现场升级带来了更大的灵活性。LPC2132的IAP程序位于芯片的BootBlock中，芯片出厂时由厂家写入，不可修改。IAP程序是Thumb代码，位于地址0x7FFFFFFO(重映射后地址)处。IAP功能函数可以通过如下代码方便的调用。
    void(*IAP)(unsigned int parameter[]， un-signed int result[])；／／定义函数指针变量IAP，／／IAP指向的函数的参数为两个unsinged int数组
    IAP=(void(*)())0x7fff_fff1／／设置函数指针，因为是Thumb代码，地址最低位设定为1
    unsigned int parameter_in；／／通过设定parame-ter_in各成员的值，实现各种IAP功能
    usingned int result_out；
    (*IAP)(parameter_in，result_out)；／／调用特定功能的函数，执行结果存入result_out中
    ／／IAP的命令码、状态码和命令。

2 程序更新流程
    LPC2132有64 kB的Flash存储器，16 kB的RAM。Flash分为8个扇区，每个扇区4 kB空间，整个Flash存储器占用的地址空间为0x0000_0000-0x0000_ffff。为了实现用户程序运行过程中的程序更新，可以设计一段特定的驻留代码，专门用于接收来自主机新的代码，将其烧写到相应的Flash空间，完成后跳转到新的代码去执行新的程序，用户程序接收到来自主机的更新命令后跳转到这段驻留代码。驻留代码通过串口接收命令，调用IAP函数烧写Flash，代码比较少，编译生成的映像文件<4 kB，通过JTAG口将这段代码烧写到第一个4 kB扇区，每次系统上电或重启后先执行驻留代码，其运行流程为：
    (1)初始化串口，查询接受缓冲区，检测是否受到主机发来的4 bit数据包0x55 0xaa 0xff 0xff，其中前2 bit 0x55 0xaa为命令头；第3 bit 0xff为命令，表示需要更新；第4 bit为命令和校验。整个查询过程持续100 ms，如果在100 ms内没有收到此命令包，跳到应用程序入口执行旧程序，如收到该命令包，返回0xff，通知主机收到命令，执行下一步；
    (2)接受主机发来的数据包，其格式如表1所示。

    将接收到的4 kB数据存入SRAM，接收的同时计算数据载荷的8位校验和，对比校验和，如果校验和不对，给主机返回0x00表示接收不成功，主机会将当前包重发一遍；如果正确通过调用擦除IAP函数擦除当前需要写入的扇区，再调用写入IAP函数将RAM中的4 kB数据一次写入对应的扇区(通过配置上面提到的IAP函数参数parameter_in实现擦除和写入功能)，给主机返回0xff，表示操作成功；[page]

    (3)如果上一步接受的数据包中标识指定其为最后一包，在执行步骤(2)写入操作后，跳到0x0000_1000处，即用户程序区，执行新的用户程序。通过下面的内嵌汇编代码可以十分方便的实现该跳转功能。
    相应的用户程序设计时应该能从串口接收主机的命令，当接收到4 bit数据包0x55 0xaa 0xff0xff后跳转到0x0000_0000处，执行驻留代码，由驻留代码完成用户程序的更新。用户程序设计时加上该功能后，其余与普通代码设计没有区别。主机端软件在用户点击更新程序后，读取ARM7映像。bin文件，识别其大小，将其分成以4 kB字节为单位的若干段，按照上面与驻留代码的通信协议，将映像文件给驻留代码，并给用户提示是否成功信息。
    在ARM应用系统中软件一般采用C语言进行编程，为了能进行系统初始化，通常会用一段汇编文件作为启动代码，实现异常向量表的定义，堆栈初始化、系统变量初始化、中断系统初始化、I／O初始化、地址重映射等。ARM7的异常向量位于地址0x0000_0000开始的32 bit内，当异常发生时程序从异常向量表取指令进行跳转。异常向量表位于Flash的第一个4 kB空间，用户程序运行时遇到异常时，也会到0x0000_0000开始的32 bit异常向量表中取出相应的指令。按照前面的设计，ADS编译器会将用户代码异常向量表运行地址设为从0x0000_1000开始，为了能让用户程序实现正确的异常处理，驻留程序的启动汇编代码需要将相应的跳转设为0x0000_1000开始的真正的用户异常向量处，这样驻留代码不能使用中断功能，实际上驻留代码完全可以采用查询方式进行串口通信。驻留程序的启动汇编代码示例如下：
AREA vectors，CODE，READONLY

    ENTRY

    CODE32
Reset
LDR PC，ResetInit；复位跳到驻留代码初始化程序ResetInit
    B 0x000010004；跳到用户异常向量UndefinedAddr
    B 0x000010008；跳到用户异常向量SWI_Addr
    B 0x00001000c；跳到用户异常向量PrefetchAddr
    B 0x000010010；跳到用户异常向量DataAbortAddr
NOP
    B 0x000010018；跳到用户异常向量IRQ_Addr
    B 0x00001001c；跳到用户异常向量FIQ_Addr
ResetInit

3 注意事项
    为了让用户代码运行地址从0x0000_1000开始，在ADS的ARM Linker选项卡将RO Base设为0x0000_1000。因为处理器要切换到Thumb指令执行IAP代码，需要将ARM C Compiler下的ARMThumb Interwoking选项勾上。另外IAP函数使用了RAM空间的高32 bit空间，因此用户程序不应该使用该空间，用户堆栈栈顶要设定为小于RAM顶端地址减32。

4 结束语
    实验结果显示按照上面的方法编写的驻留程序，能够稳定的接受主机发来的新程序，并成功烧写进Flash区，实现程序的更新。文中虽然以LPC2132为例实现，对于具有IAP功能的其他公司的ARM7芯片的在线程序更新也有借鉴意义。