引 言

IAP即在應用中編程，對于嵌入式產品，指在不影響產品正常運行的情況下實現應用程序的更新。許多ARM芯片都提供該操作接口，相對于ISP（在系統(tǒng)編程）方式，具有方便靈活且不需要借助專用boot裝載程序或工具的特點，而且在不影響嵌入式產品正常運行的情況下即可完成應用程序的動態(tài)升級。在工業(yè)控制領域尤其是電力系統(tǒng)控制領域中，嵌入式產品必須保證連續(xù)、穩(wěn)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品正常運行過程中完成，因此許多用戶對相關產品的IAP功能都有明確的要求。IAP是用戶自己的程序在運行過程中對User Flash的部分區(qū)域進行燒寫，目的是為了在產品發(fā)布后可以方便地通過預留的通信口對產品中的固件程序進行更新升級。 通常在用戶需要實現IAP功能時，即用戶程序運行中作自身的更新操作，需要在設計固件程序時編寫兩個項目代碼，第一個項目程序不執(zhí)行正常的功能操作，而只是通過某種通信管道（如USB、USART）接收程序或數據，執(zhí)行對第二部分代碼的更新；第二個項目代碼才是真正的功能代碼。

LPC2214是Philips公司推出的一款32位ARM7TDMI-S工業(yè)用微控制器。內置25 6 KB高速Flash，128位寬度接口／加速器可以實現60 MHz的操作頻率；配置有2個UART接口、4個外部片選，支持8、16、32外部總線；片內boot下載程序可以實現在系統(tǒng)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(zhí)行速度。 LPC2124基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-SCPU，并帶有236 KB嵌入的高速Flash存儲器和16 KB RAM。對于內嵌Flash存儲器支持JTAG、ISP、IAP等多種編程方式。LPC2124具有非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、PWM輸出、46個GPIO以及多達Array個外部中斷，且內置了寬范圍的串行通信接口，使它們特別適用于工業(yè)控制中。因為用電監(jiān)控終端對硬件資源要求高，軟件功能復雜，實時性強，所以采用LPC2124可以提高產品的性價比。

1 嵌入式產品應用程序啟動方式

在嵌入式產品中，應用程序可以運行在RAM或Flash中。對于中高端產品，由于要求較高的執(zhí)行速度和效率，一般采用Coldfire、x86、PowerPC、ARM9等CPU。此類CPU一般都有DRAM控制器，支持DRAM操作，為了獲得較快的執(zhí)行速度，將應用程序從代碼Flash中復制到DRAM的代碼空間后才開始執(zhí)行。對于x86模式，應用程序以文件方式保存在硬盤或電子盤上。在不同的嵌入式操作系統(tǒng)上，應用程序在DRAM上的展開方式存在一定差異。

對于低端產品，由于成本的嚴格控制，在滿足產品功能需求的前提下一般采用性價比較高的CPU，如8位、16位、低端ARM等。此類CPU一般有內部RAM、內部Flash，由于采用內部高速總線，內部Flash具有較高的執(zhí)行速度。在外部RAM中運行的產品，執(zhí)行速度較快，但是由于啟動過程較為復雜，導致時間較長（尤其是。x86系統(tǒng)，啟動過程可能需要半分鐘以上）；而在Flash上直接運行的產品，即使CPU具有較高的主頻，執(zhí)行速度也會受到Flash速度的限制，但是此類產品啟動較快，一般可以在幾秒鐘內完成啟動。

嵌入式產品應用程序的啟動方式決定了應用程序動態(tài)更新的方式。對于代碼在外部RAM執(zhí)行的情況，正常情況下更新Flash中的代碼不會影響系統(tǒng)正常運行，實現起來較為簡單。對于代碼在Flash上直接執(zhí)行的情況，由于應用程序正常運行過程中會不斷從Flash上讀取指令，給在線更新程序帶來一定困難，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 硬件實現方案

本產品為電力負荷用電管理終端，用來實現對廠礦、企業(yè)、機關等電力用戶的用電監(jiān)測和控制，提高用電質量。終端產品通過GPRS／CDMA無線通信接口完成與電力局遠方調度主站的信息交互。由于終端產品分散分布在一個區(qū)域的各個位置，調度主站必須通過GPRS／CDMA方式實現對終端產品應用程序的在線升級，因此產品在線升級的可靠性會對電力用戶造成很大的影響。終端產品采用圖1所示的硬件方案?？紤]到LPC2214片內Flash的特點，應用程序固化在內部Flash中并在其中執(zhí)行。LPC2214通過數據線、地址線與RAM、外部Flash、LCD、擴展串口芯片連接，通過串行總線與A／D轉換器通信。LPC2214本身提供的2路UART接口可以分別實現本地維護接口和GPRS／CDMA無線網絡接口，擴展串口芯片可以擴展出2路UART，實現本地紅外維護和RS485方式的抄表功能。基于LPC2124的以上3種編程方法的分析，IAP實現對終端程序升級自然是最佳選擇方案。下面介紹一種基于GPRS的遠程IAP系統(tǒng)方案，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

AT45DB08081B，8Mb串行Flash存儲器，兼有ROM的掉電數據保存和RAM的讀／寫速度，最快支持20MHz的時鐘頻率，擦寫次數達10000次，內置2個264字節(jié)SRAM緩沖器，使得對主存儲體的編程可以連續(xù)進行，省去編程等待時間。AT45DB081B采用CASON-8封裝，支持2.5～3.6 V低電壓，操作功耗低，支持模式O和3的SPI總線接口，與MCU接口簡單，穩(wěn)定可靠，非常適用于數字語音、圖像、程序代碼和數據的存儲應用中。在本設計中采用模式0與LPC2124通信，速度可達MCU主頻的1／8。GPRS模塊使用Wavecom公司生產的Q2406B，雙頻GPRS／GSM模塊（EGSMArray00／1800 MHz，EGSMArray00／lArray00 MHz），內置TCP／IP，與標準AT指令完全兼容；其設計開發(fā)符合ETSI GSM Phase 2+標準。

為了確保應用程序的在線更新，片外RAM和Flash除了滿足應用程序的正常使用外，還必須滿足應用程序更新時臨時備份代碼的需求。

3 應用程序IAP實現方案

如圖2所示，需要更新的應用程序代碼通過GPRS／CDMA無線網絡接口或本地維護接口下載到RAM的程序代碼緩存區(qū)中。經過校驗檢查正確后，導入到外部Flash的應用程序代碼區(qū)。導入成功后，設置相關標志，再通過LPC2214的IAP接口功能函數，將應用程序代碼保存到CPU內部Flash中。IAP技術是從結構上將Flash存儲器映射為兩個存儲體，當運行一個存儲體上的用戶程序時，可對另一個存儲體重新編程，之后將控制從一個存儲體轉向另一個。ISP的實現一般需要很少的外部電路輔助實現，而IAP的實現更加靈活，通常可利用單片機的串行口接到計算機的RS232口，通過專門設計的固件程序來編程內部存儲器。

由于應用程序運行在CPU內部的高速Flash上，因此產品正常運行過程中無法完成內部Flash中代碼的更新。為了解決上述問題，采用“應用boot：”的方式加以實現。將內部Flash分為2個區(qū)域：應用boot和應用程序代碼區(qū)。應用boot為一個簡單的應用程序，實現從外部Flash導入應用程序代碼以及向應用程序代碼區(qū)入口跳轉的功能。應用boot存放在CPU內部Flash的開始部分，一旦寫入后不再修改。產品上電或復位后，CPU的PC指針首先指向應用boot的入口，應用boot開始執(zhí)行。一旦檢測到外部Flash中有完整的用戶代碼需要更新，則通過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(qū)，并跳轉到應用程序代碼的入口處執(zhí)行新的應用程序；如果沒有應用程序需要更新，boot程序會直接跳轉到當前應用程序代碼的入口處執(zhí)行。

在整個應用程序在線升級過程中，應用程序代碼正常寫入片外Flash之前都不影響產品的正常運行。正確寫入片外Flash后，應用程序自動復位，然后啟動應用boot，通過應用boot將新的應用程序寫入內部Flash。

4 應用boot設計

應用boot是應用代碼更新的關鍵，它不但解決了在線升級的問題，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(qū)寫入失敗的情況下，由于boot可以正常運行，仍然可以通過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，同時考慮硬件配置情況，采用μC／OS-II嵌入式操作系統(tǒng)。通過對該操作系統(tǒng)的合理裁剪和軟件優(yōu)化，可以將boot程序代碼控制在12 KB以內，從而為應用程序代碼提供了足夠的片內Flash存儲空間。boot程序的啟動部分非常重要，會直接影響整個系統(tǒng)的運行情況。啟動代碼首先初始化CPU總線控制器；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(zhí)行；最后初始化堆棧和基本系統(tǒng)后進入主程序入口。它提供了一個真正的由MCU本身自動下載和更新（采用讀/寫同時“Read-While-Write”進行的方式）程序代碼的系統(tǒng)程序自編程更新的機制。利用AVR的這個功能，可以實現在應用編程（IAP）以及實現系統(tǒng)程序的遠程自動更新的應用。 IAP的本質就是，MCU可以靈活地運行一個常駐Flash的引導加載程序（Boot Loader Program），實現對用戶應用程序的在線自編程更新。引導加載程序的設計可以使用任何的可用的數據接口和相關的協(xié)議讀取代碼，或者從程序存儲器中讀取代碼，然后將代碼寫入（編程）到Flash存儲器中。

boot程序的IAP實現，主要包括兩個接口函數：CPU內部Flash扇區(qū)的擦除和寫入。對于擦除操作，按照IAP提供的操作方式即可實現，注意發(fā)送完擦除指令后需要一段時間的延時，并借助指令檢查擦除是否成功。對于寫入操作，需要根據IAP操作的相關要求，將數據首先復制到CPU的內部RAM中；然后通過相應的IAP寫入命令將其寫入到內部Flash中；寫入操作完成后，需要進行一定的延時并檢查寫入是否成功。為了保證上述操作過程的完整性，對于μC／OS-II操作系統(tǒng)，需要借助OS_ENTER_CRITICAL函數進行必要的保護。引導加載程序有能力讀寫整個Flash存儲器，包括引導加載程序所在的引導加載區(qū)本身。引導加載程序還可以對自身進行更新修改，甚至可以將自身刪除，使系統(tǒng)的自編程能力消失。引導加載程序區(qū)的大小可以由芯片的熔絲位設置，該段程序區(qū)還提供兩組鎖定位，以便用戶選擇對該段程序區(qū)的不同級別的保護。

5 異常情況應對措施

對于嵌入式產品的在線升級過程，突發(fā)的在線升級過程異常中止、裝置停電或異常復位，以及更新程序代碼錯誤等情況會導致嚴重后果，而本產品的IAP在線升級方案完全解決了上述問題，可以保證產品的可靠升級。

①在線升級過程異常中止的情況。外部無線網絡或人為原因都可能導致代碼下載中斷的發(fā)生。而對于本產品，下載中止只會導致本次下載失敗，再次開始下載即可；而且由于采用了斷點續(xù)傳的軟件技術，后續(xù)下載可以從上次下載失敗處繼續(xù)進行，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過程中時，只會導致本次下載失敗，重新啟動裝置可以再次下載；發(fā)生在代碼從外部RAM向外部Flash導入過程中時，也只會導致本次下載失敗，不會影響產品的正常運行；發(fā)生在代碼從外部Flash向CPU內部Flash導入過程中時，內部Flash的應用程序代碼區(qū)被破壞，應用程序無法正常運行，但是boot程序可以繼續(xù)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錯誤版本的應用程序，導致產品循環(huán)異常復位無法正常運行。應用程序中加入了復位監(jiān)測機制，當異常復位連續(xù)達到一定范圍時會自動進入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

采用本IAP設計方案的終端產品，經過上千個用戶現場的應用程序在線升級的實際應用檢驗，完全達到了快速、穩(wěn)定、可靠的使用要求。該方案為現場服務人員和用戶提供了一種簡單、可靠的產品維護手段，對于其他嵌入式產品的設計和開發(fā)也具有一定的指導和借鑒意義。