寫在前面：三個(gè)周之前，我突然想寫一個(gè)遠(yuǎn)程升級(jí)的程序。那個(gè)時(shí)候我只是大概知道IAP的意思是在應(yīng)用編程，但怎么編，我還一無所知。我給自己定下一個(gè)個(gè)階段目標(biāo)，從最基礎(chǔ)的代碼一點(diǎn)點(diǎn)寫起，解決一個(gè)又一個(gè)的問題。三個(gè)周之后，我用自己設(shè)計(jì)的方法實(shí)驗(yàn)了50多次，無一例升級(jí)失敗。

三個(gè)周來，遇到了很多的不解、困惑，甚至是想放棄，但我現(xiàn)在想說的是：很多未知的困難會(huì)擋在我們面前，我們會(huì)感覺毫無頭緒甚至覺得毫無出路忍不住要放棄，但多堅(jiān)持一下，那些困難不但能煙消云散還能帶給我們進(jìn)步。

本設(shè)計(jì)是基于LPC2114和Keil MDK（V4.10），但所有支持IAP的處理器都可借鑒本方案，重要的是思想，而不是用什么。

0 引言

在應(yīng)用編程(IAP)技術(shù)為系統(tǒng)在線升級(jí)和遠(yuǎn)程升級(jí)提供了良好的解決方案，也為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)固件的升級(jí)都帶來了極大的靈活性。通?？衫眯酒拇锌诮拥接?jì)算機(jī)的RS232口、通過現(xiàn)有的Internet或、無線網(wǎng)絡(luò)或者其他通信方式很方便地實(shí)現(xiàn)在線以及遠(yuǎn)程升級(jí)和維護(hù)。

本文以NXP的LPC2114 ARM微處理器為平臺(tái)，以Keil MDK為開發(fā)工具，闡述IAP的原理、Flash的劃分、分散加載機(jī)制、中斷重映射以及在線升級(jí)的實(shí)現(xiàn)方案及其優(yōu)化。本方案使用多種校驗(yàn)技術(shù)，最大限度的保障傳輸數(shù)據(jù)的正確性；使用bootloader機(jī)制，即使因意外事件（斷電，編程Flash失敗等）造成升級(jí)失敗后，程序也能返回到升級(jí)前的狀態(tài)。

1 LPC2114的Flash規(guī)劃

1.1 扇區(qū)描述

LPC2114共有128KB片內(nèi)Flash，共分為16個(gè)扇區(qū)，分別為0扇區(qū)～15扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為8KB存儲(chǔ)空間。其中第15扇區(qū)出廠時(shí)被固化為Boot Block區(qū)，控制復(fù)位后的初始化操作，并提供實(shí)現(xiàn)Flash 編程的方法。所以用戶可用的Flash空間只有120KB。IAP程序固化于Boot Block中，IAP操作是以扇區(qū)為單位，并占用片內(nèi)RAM的高32字節(jié)。下表列出LPC2114器件所包含的扇區(qū)數(shù)和存儲(chǔ)器地址.

表1.1 LPC2114 Flash器件中的扇區(qū)

1.2 Flash的扇區(qū)劃分

本設(shè)計(jì)將Flash劃分為四個(gè)區(qū)，扇區(qū)0存放跳轉(zhuǎn)程序和升級(jí)引導(dǎo)程序（Bootloader）。分站上電后執(zhí)行跳轉(zhuǎn)程序，跳轉(zhuǎn)到用戶程序處。用戶程序運(yùn)行過程中，如果接收到升級(jí)指令，會(huì)從用戶程序跳轉(zhuǎn)到引導(dǎo)程序區(qū)（Bootloader），接收新程序數(shù)據(jù)包，完成Flash編程并跳轉(zhuǎn)到新程序區(qū)執(zhí)行程序。扇區(qū)1～扇區(qū)7為程序存儲(chǔ)低區(qū)；扇區(qū)8～扇區(qū)13為程序存儲(chǔ)高區(qū)；扇區(qū)14存放當(dāng)前程序運(yùn)行區(qū)域標(biāo)志，如果當(dāng)前程序運(yùn)行在高區(qū)，該標(biāo)志區(qū)的最低四個(gè)字節(jié)為0x00010000，如果當(dāng)前程序運(yùn)行在低區(qū)，該標(biāo)志區(qū)的最低四個(gè)字節(jié)為0x00008000。

2 IAP的原理與軟件設(shè)計(jì)

2.1 IAP的原理

IAP函數(shù)是固化在微處理器內(nèi)部flash上的一些函數(shù)代碼，最終的用戶程序可以直接通過調(diào)用這些函數(shù)來對(duì)內(nèi)部flash進(jìn)行擦除和編程操作。LPC2114微處理器的內(nèi)部flash有一個(gè)塊稱為Boot Block，位于flash的頂端，可供調(diào)用的IAP函數(shù)就位于該塊中。上電后Boot Block被映射到內(nèi)部地址空間的頂端，同樣IAP函數(shù)人口地址也被映射到地址0x7ffffff0處。用戶可通過跳轉(zhuǎn)到該地址來調(diào)用相應(yīng)的lAP函數(shù)。

2.2 IAP 命令

對(duì)于在應(yīng)用編程來說，應(yīng)當(dāng)通過寄存器r0 中的字指針指向存儲(chǔ)器(RAM)包含的命令代碼和參數(shù)來調(diào)用IAP 程序。IAP 命令的結(jié)果返回到寄存器r1 所指向的返回表。用戶可通過傳遞寄存器r0 和r1 中的相同指針重用命令表來得到結(jié)果。參數(shù)表應(yīng)當(dāng)大到足夠保存所有的結(jié)果以防結(jié)果的數(shù)目大于參數(shù)的數(shù)目。參數(shù)傳遞見圖2-1。參數(shù)和結(jié)果的數(shù)目根據(jù)IAP命令而有所不同。參數(shù)的最大數(shù)目為5，由“將RAM 內(nèi)容復(fù)制到Flash”命令傳遞。結(jié)果的最大數(shù)目為2，由“扇區(qū)查空”命令返回。命令處理程序在接收到一個(gè)未定義的命令時(shí)發(fā)送狀態(tài)代碼INVALID_COMMAND。IAP 程序是thumb 代碼，位于地址0x7FFFFFF0。

圖2-1 IAP的參數(shù)傳遞

表2-1描述了IAP的命令。

表2-1 IAP 命令匯總

IAP命令

命令代碼

描述

準(zhǔn)備編程扇區(qū)

50

該命令必須在執(zhí)行“將 RAM 內(nèi)容復(fù)制到Flash”或“擦除扇區(qū)”命令之前執(zhí)行。這兩個(gè)命令的成功執(zhí)行會(huì)導(dǎo)致相關(guān)的扇區(qū)再次被保護(hù)。該命令不能用于boot 扇區(qū)。要準(zhǔn)備單個(gè)扇區(qū)，可將起始和結(jié)束扇區(qū)號(hào)設(shè)置為相同值。

將RAM內(nèi)容復(fù)制到Flash

51

該命令用于編程 Flash 存儲(chǔ)器。受影響的扇區(qū)應(yīng)當(dāng)先通過調(diào)用“準(zhǔn)備寫操作的扇區(qū)”命令準(zhǔn)備。當(dāng)成功執(zhí)行復(fù)制命令后，扇區(qū)將自動(dòng)受到保護(hù)。該命令不能寫boot 扇區(qū)。

擦除扇區(qū)

52

該命令用于擦除片內(nèi) Flash 存儲(chǔ)器的一個(gè)或多個(gè)扇區(qū)。boot 扇區(qū)不能由該命令擦除。要擦除單個(gè)扇區(qū)可將起始和結(jié)束扇區(qū)號(hào)設(shè)定為相同值。

扇區(qū)查空

53

該命令用于對(duì)片內(nèi) Flash 存儲(chǔ)器的一個(gè)或多個(gè)扇區(qū)進(jìn)行查空。要查空單個(gè)扇區(qū)可將起始和結(jié)束扇區(qū)號(hào)設(shè)定為相同值。

讀器件ID

54

該命令用于讀取器件的 ID 號(hào)。

讀Boot版本

55

該命令用于讀取 boot 代碼版本號(hào)。

IAP比較

56

該命令用來比較兩個(gè)地址單元的存儲(chǔ)器內(nèi)容。當(dāng)源或目標(biāo)地址包含從地址0開始的前64字節(jié)中的任意一個(gè)時(shí)，比較的結(jié)果不一定正確。前64字節(jié)重新映射到Flash boot扇區(qū)。

2.3 IAP 編程函數(shù)接口

IAP 功能可用下面的C 代碼來調(diào)用。

定義 IAP 程序的入口地址。由于IAP 地址的第0 位是1，因此，當(dāng)程序計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)移到該地址時(shí)會(huì)引起Thumb 指令集的變化。

#define IAP_LOCATION 0x7ffffff1

定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或指針，將IAP 命令表和結(jié)果表傳遞給IAP 函數(shù)

unsigned long command[5];

unsigned long result[2];

定義函數(shù)類型指針，函數(shù)包含2 個(gè)參數(shù)，無返回值。注意：IAP 將函數(shù)結(jié)果和R1 中的表格基址一同返回。

typedef void (*IAP) (unsigned int [ ] , unsigned int [ ]);

IAP iap_entry;

設(shè)置函數(shù)指針

iap_entry=(IAP) IAP_LOCATION;

使用下面的語句來調(diào)用IAP。

iap_entry (command , result);

Flash 存儲(chǔ)器在寫或擦除操作過程中不可被訪問。執(zhí)行Flash 寫/擦除操作的IAP 命令

使用片內(nèi)RAM 頂端的32 個(gè)字節(jié)空間。如果應(yīng)用程序中允許IAP 編程，那么用戶程序不應(yīng)

使用該空間。

3 LPC2114升級(jí)實(shí)現(xiàn)過程

由于在升級(jí)程序軟件設(shè)計(jì)中，分散加載機(jī)制、中斷向量的重映射、軟中斷等的實(shí)現(xiàn)還與所使用的編譯器緊密相關(guān)，因此，本文結(jié)合Keil MDK（V4.10）編譯工具，來詳細(xì)闡述升級(jí)程序的實(shí)現(xiàn)過程。

3.1 總體思路

分站上電后，首先運(yùn)行位于Flash 0x000～0x3FF中的跳轉(zhuǎn)程序。跳轉(zhuǎn)程序會(huì)讀取位于14扇區(qū)的當(dāng)前程序運(yùn)行標(biāo)志，如果該扇區(qū)的最低四個(gè)字節(jié)為0x00010000，表示當(dāng)前程序運(yùn)行在高區(qū)，跳轉(zhuǎn)程序會(huì)跳轉(zhuǎn)到Flash的0x00010000處執(zhí)行用戶程序；如果該標(biāo)志區(qū)的最低四個(gè)字節(jié)為0x00008000，表示當(dāng)前程序運(yùn)行在低區(qū)，跳轉(zhuǎn)程序會(huì)跳轉(zhuǎn)到Flash的0x00002000處執(zhí)行用戶程序。用戶程序正常執(zhí)行后，會(huì)按照設(shè)計(jì)進(jìn)行正常的程序采集、數(shù)據(jù)處理傳送。當(dāng)接收到升級(jí)命令后，用戶程序會(huì)跳轉(zhuǎn)到Flash的0x00000400處的Bootloader處進(jìn)行升級(jí)的一些操作。當(dāng)升級(jí)成功后，Bootloader程序更新當(dāng)前程序運(yùn)行區(qū)標(biāo)志，程序跳轉(zhuǎn)到新程序處運(yùn)行，如果升級(jí)不成功，返回升級(jí)前的程序。

流程圖如下所示：

3.2 跳轉(zhuǎn)程序的設(shè)計(jì)

跳轉(zhuǎn)程序是分站上電后最先運(yùn)行的程序，根據(jù)當(dāng)前程序運(yùn)行區(qū)標(biāo)志，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的用戶程序區(qū)執(zhí)行。本段程序占用Flash的最低1K字節(jié)空間，與Bootloader同在第0扇區(qū)。

跳轉(zhuǎn)程序的啟動(dòng)代碼僅初始化堆棧，不使用PLL和存儲(chǔ)加速功能。代碼1描述了跳轉(zhuǎn)程序的主要啟動(dòng)代碼。

; Enter User Mode and set its Stack Pointer

MSR CPSR_c, #Mode_USR

MOV SP, R0

SUB SL, SP, #USR_Stack_Size

; Enter the C code

IMPORT __main

LDR R0, =__main

BX R0

代碼1：跳轉(zhuǎn)程序啟動(dòng)代碼

當(dāng)跳轉(zhuǎn)程序確定要跳轉(zhuǎn)到高區(qū)用戶程序或者低區(qū)用戶程序后，使用函數(shù)指針跳轉(zhuǎn)到0x00010000處（高區(qū)用戶函數(shù)入口地址）或0x00002000處（低區(qū)用戶函數(shù)入口地址）。

定義函數(shù)指針：

void (*UserProgram)() ;

指定入口地址：

UserProgram = (void (*)()) (0x00010000)；

UserProgram = (void (*)()) (0x00002000)；

實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)：

(*UserProgram)() ；

要將用戶代碼精確定位到Flash的0x00010000處（高區(qū)用戶函數(shù)入口地址）或0x00002000處（低區(qū)用戶函數(shù)入口地址），需要使用編譯器的分散加載機(jī)制，將在Bootloader中詳細(xì)描述實(shí)現(xiàn)過程。

另外，跳轉(zhuǎn)程序還在燒錄代碼的同時(shí)初始化當(dāng)前程序運(yùn)行區(qū)標(biāo)志，即對(duì)Flash的0x0001C000地址處寫入0x00008000，表示當(dāng)前用戶程序在低區(qū)。主要使用了編譯器的__at關(guān)鍵字：精確定位變量。需要注意的是，使用該關(guān)鍵字必須包含頭文件absacc.h。

const uint32 x __at(0x0001C000)=0x00008000; //初始化用戶程序標(biāo)志區(qū),默認(rèn)運(yùn)行低區(qū)

3.3 升級(jí)程序Bootloader的設(shè)計(jì)

升級(jí)程序的好壞，在很大程度上取決于Bootloader設(shè)計(jì)的好壞。

一個(gè)優(yōu)秀的IAP升級(jí)Bootloader，必須做好升級(jí)中出現(xiàn)故障等異常的處理。保證系統(tǒng)不會(huì)崩潰，即使升級(jí)失敗，也能返回升級(jí)前的程序。

? 有升級(jí)指令，進(jìn)行初始化工作（串口、定時(shí)器、看門狗）

? 接收升級(jí)數(shù)據(jù)包，檢測(cè)幀頭、長(zhǎng)度、幀號(hào)、數(shù)據(jù)區(qū)校驗(yàn)，最大程度的保證升級(jí)數(shù)據(jù)的完整性、正確性。

? 實(shí)時(shí)檢測(cè)接收狀態(tài)，10 S內(nèi)沒有接收到數(shù)據(jù)或接收到的數(shù)據(jù)包都是錯(cuò)的，則退出升級(jí)，返回原程序。

? 接收的數(shù)據(jù)按照512字節(jié)一組寫入Flash，寫入后再讀出與原數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)，校