片外Flash存储器IAP的一种方案

引言

以arm芯片为处理器核的嵌入式应用系统，以其小体积、低功耗、低成本、高性能、丰富的片内资源以及对操作系统的广泛支持，得到了人们越来越多的青睐。包括工业控制领域、无线通信领域、网络应用、消费电子、成像和安全产品等，如今，arm微处理器及嵌入式技术的应用几乎已经渗透到了各个领域。其中，arm7作为arm微处理器系列中的一员，是低功耗的32位risc处理器。samsung公司的s3c4510b、philips公司的lpc20xx、lpc21xx、lpc22xx系列等都是arm7处理器。这些为数繁多的arm7处理器，因其片内外设不同而各擅所长，但都应用同样的arm7tdmi核（或arm7tdmi－s核，这是arm7tdmi的综合版本，这两种核对处理器应用人员来说没有区别）。可以说，arm7tdmi是目前使用最为广泛的32位嵌入式risc处理器。arm7tdmi核应用冯·诺依曼结构，处理器使用的存储器中数据和程序指令不予区分，pc寄存器指向的存储器单元，无论是rom区还是ram区，只要符合arm指令的格式都可以执行，这就为系统自修改提供了可能。在应用编程iap（in application program）就是这样的自修改程序。它先在ram存储器中写入数据值，然后使pc指向该存储段，把该段作为程序段来执行。很多arm7芯片自带iap处理器，应用其自带的iap处理器可以方便地对其片内集成的flash存储器进行在应用编程，但几乎所有的arm核芯片均不支持片外iap处理，因为片外flash存储器是用户选型的，芯片生产厂家无法先知先觉，而不同flash存储器其编程时序也不尽相同，导致芯片生产厂家无法提供通用的iap代码。那么，如何对嵌入式系统的片外flash存储器进行在应用编程呢？这里分两种情况：一是普通代码存放在片外单独1片flash中，iap代码在另一片flash中完成，此时只要依据flash的操作时序执行iap代码，完成擦除或写入操作即可。这种情况虽然简单，但应用了2片flash；而iap代码很小，一般完全可以集成到1片中，所以这里对这种情况不予考虑，另一种情况是1片flash中既要存储普通代码，又要实现iap。下面以philips公司的lpc2210和silicon storage technology公司的sst39vf160为例，详细讨论这种情况iap的解决方案。

1 硬件结构

1.1 lpc2210介绍

philips公司的lpc2210是一款基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位arm7tdmi－s cpu的微控制器。芯片采用144脚封装，有16kb片内静态ram，开放外部总线；通过外部存储器接口可将外部存储器配置成4组，每组的容量高达16mb，数据宽度8/16/32位均可；具有多个32位定时器、8路10位pwm输出、多个串行接口（包括2个16c550工业标准uart、高速i2c接口和2个spi接口）以及9个外部中断、多达76个可承受5v电压的通用i/o口，同时内嵌实时时钟和看门狗，片内外设功能丰富强大；片内晶振频率范围1－30mhz，通过片内pll可实现最大为60mhz的cpu工作频率，具有2种低功耗模式--空闲和掉电，通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒，并可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。以上特性，使其特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和pos机，同时也非常适合于通信网关协议转换器、嵌入式软modem，以及其他各种类型的应用。

1.2 sst39vf160介绍

silicon storage technology公司的sst39vf160是一个1m×16b的coms多功能flash器件，单电压的读和写操作，电压范围3.0－3.6v，提供48脚tsop和48脚tfbga两种封装形式。

该器件主要操作包括读、写编程、扇区/块擦除和芯片擦除操作。擦除和字编程必须遵循一定的时序，表1列出了扇区擦除和字编程过程及时序。擦除或编程操作过程中读取触发位dq6将得到"1"和"0"的循环跳变；而操作结束后读dq6，得到的是不变的固定值。这是器件提供的写操作状态检测软件方法。

1.3 硬件连接

sst39vf160作为系统的程序存储器，以lpc2210的cs0作为flash的片选信号，处理器配置boot引脚为16位数据总线宽度后，上电可直接执行sst39vf160中代码。此flash芯片为16位数据宽度，无字节控制总线，所以应用中不使用lpc2210的bls引脚。系统结构示意图如图1所示。

2.软件实现

2.1 iap实现要点分析

在嵌入式应用系统中，通常要求记录一些现场的传感、交互输入数据，通常把数据记录在flash存储器中，以便下次上电能获得以前的数据。如果系统程序和数据分开存储。那么只要对存放数据的flash器件进行编程即可。然而大多数嵌入式系统，程序和需保存的数据都共存于同一flash存储器中，那么是否也如前所述，可对flash存储器直接编程呢？理论和实践都表明不可以。

先从理论上计算：lpc2210允许的芯片核工作频率（cclk）范围是10－60mhz，存储器读访问长度由存储器组配置寄存器bcfg中读访问的长度域控制wst1控制，其最大可用长度为35个cclk，而sst39vf160的扇区擦除典型时间为18ms。下面是计算算式：

trdmax＝rdlenmax/cclkmin＝35/10×10－6＝3.5μs
tp＝18ms＞＞3.5μs
其中：trdmax--最大读访问的时间；
rdlenmax--最大读访问可用长度；
cclkmin--最小核工作时钟频率；
tp--扇区擦除典型时间。

算式得出扇区擦除典型时间远大于最大读访问时间。这样一来，如果再给某flash写数据，同时于其中预取指，那么因flash执行命令期间，对其他操作不响应，预取出的必定是其数据引脚上的不确定数据，预取指失败。实践也表现，如果在程序执行过程中，对同一flash进行扇区擦除，必定引起预取指中断。

为了解决在同一flash芯片存放程序并iap这一问题，引进代码重映射的思想。所谓重映射就是代码先自复制到制定存储区，然后跳转到制定区的起点开始执行。这里，iap程序先自复制到lpc2210片内sram中，然后跳转到sram执行iap代码。前面过说，arm7为冯·诺依曼结构，这就为iap程序重映射提供了可能。

编写可重映射代码的关键是要解决程序中相对偏移的问题，arm7指令系列中涉及相对偏移的指令主要有ldr/str以跳转指令。这里的解决方案是：凡涉及偏移值的指令通通采用基址变址寻址方式，以pc寄存器作基址寄存器，以立即数为变址，这样当程序块整块移动时，要加载的数据或跳转的地址与当前pc值的偏移值固定，解决了相对偏移问题。

2.2 扇区擦除

事先编程在flash中的程序前自复制到sram制定的位置，然后，赋pc为sram中扇区编程代码段的起点erasepart。程序于sram中的erasepart起点开始执行，按照sst39vf160扇区擦除的时序要求开始擦除。按照arm公司提出的atpcs规定，c语言程序调用汇编程序时，寄存器r0－r3传递参数，返回值由寄存器r0传递原则，扇区擦除程序的一个参数，要擦除的扇区号，由r0传递；返回参数置于r0，扇区擦除成功返回"1"，否则返回"0"。

2.3 字编程

程序于sram中的programpart起点开始执行，按照sst39vf160字编程的时序要求开始编程。入口参数有三个，一次为编程地址、数据起始地址、编程数据长度。字编程成功返回"1"，否则返回"0"。

（编制注：擦除和编程程序见本刊网站www.mesnet.com.cn。）

3.结论

在嵌入式应用系统中，iap是极为有效的一种技术。根据本文提出的方案，在实际应用中只需针对选用的flash，更改特定的擦、写操作代码就可实现系统片外存储器的在应用编程。本文提出的iap代码重入到sram执行的方法，有效地解决了应用无片内程序存储器的32位arm处理器的嵌入式系统iap难题，有很大的应用价值。