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以MC68332平臺為基礎的ISP方案設計
摘要: 不少系統仍然使用不具備直接ISP功能的MCU(如M68K、N80C196等),由于印制版面積、成本等原因的考慮也沒有采用雙Flash芯片,此類系統在程序升級時通常需要如編程器、仿真器等特定工具,在現場應用時不很方便。為解決這些系統的ISP問題,本文以MC68332平臺為例提出了一種通用的ISP方案。
Abstract:
Key words :

由于同一片Flash作業程序存儲器的系統無法直接實現在系統編程(ISP)。為了方便現場調試和程序升級,可以采用集成ISP功能較新的MCU(如AVR、部分ARM芯片等),或者采用雙Flash設計等方法實現ISP功能。但有不少系統仍然使用不具備直接ISP功能的MCU(如M68K、N80C196等),由于印制版面積、成本等原因的考慮也沒有采用雙Flash芯片,此類系統在程序升級時通常需要如編程器、仿真器等特定工具,在現場應用時不很方便。為解決這些系統的ISP問題,本文以MC68332平臺為例提出了一種通用的ISP方案。

1 方法分析

對于使用M68K這類不具備ISP功能的MCU系統,進行ISP設計必須滿足以下幾個條件:

(1)程序空間和數據空間統一編址,程序可以在RAM中運行;

(2)Flash芯片正確連接了寫信號;

(3)擁有能放下update程序并讓其正常工作的額外程序/數據空間;

(4)具備某種通信能力(如以太網、串口、CAN、MODEM等);

滿足了這四個條件,就可以按照本文的方法進行ISP設計。針對自編程過程中文件出錯、斷電等特殊情況的容錯程度不同,可以有如下兩種方案。

1.1 方案1——自編程過程是安全可靠的,不會出現異常情況

這種情況相對簡單一些,整個程序可以分為兩個獨立的部分完成,一是升級程序(稱為update程序),它通過通信接口從主機接收程序數據到RAM空間,并對數據進行CRC校驗以保證數據的正確性,在校驗正確后將數據寫到程序存儲器的指定地址空間。如果RAM空間較小,可以接收一頁、校驗一頁、寫入一頁,分次完成。由于程序存儲器寫操作過程必須連續,不能被打斷,所以update程序必須在鏈接時指定在RAM地址空間運行。

 

另一部分是正常的程序(稱為normal程序),這是正常編譯的在程序存儲器空間運行的程序,除了正常的工作之外它還需判斷(通過通信命令或者查詢一個輸入狀態等)是否應該轉到升級模式,如果是,則將update程序復制到指定的RAM空間并轉去執行update程序。

程序完成需要將update和normal通過編程通過編程工具分別固公到程序存儲器上的指定地址(注意:在固化第二個程序時不可損壞第一個程序內容),也可將兩個文件合并,一次固化到程序存儲器,update程序作為normal程序的數據信息而存在,如圖1所示。這樣正常運行時程序運行在normal部分,update程序得不到運行;在升級模式時normal程序把程序存儲器中的update部分復制到其運行空間(RAM)并執行。如果在自編程過程中出現災難性故障,那么程序存儲器舊的normal程序已經擦除而新的normal程序還未寫入或者未完全寫入,這都將導致程序存儲器中的程序數據不再完整,此時必須用專用工具寫normal程序,才能讓系統可再次自編程。

1.2 方案——考慮自編程過程中的異常狀況,做到做障保護

這種情況下需要把整個工作分為三部分完成,第一是引導程序(稱為BOOT程序);第二是升級程序(update程序);第三是正常程序(normal程序)。BOOT程序負責控制程序的運行模式:升級模式、正常模式。如果進入升級模式,BOOT程序需要將update程序復制到指定的運行空間,并轉入執行update程序;如果進入正常模式,BOOT需要做的工作就十分簡單,可以直接把控制權交給正常程序。為了使各個程序可以單獨調試,不要依賴其它程序來初始化硬件。Update程序所要完成的功能與方案1中的相同,此時要注意update在自編程時不能破壞BOOT程序。此時normal程序不再負有復制update程序到指定運行空間的任務,完全按照正常的模式運行。

 

按照這種方案,BOOT程序和update程序是自編程設計的核心內容,只要保證這部分數據的完整性,就能擁有在線編程的能力,要在軟件對這部分數據區進行保護,保證在第一次寫入程序存儲器后就不會再被擦除。這樣即使在自編程時發生災難性故障,BOOT程序和update程序是不會被破壞的,仍然可以繼續運行,保證下次仍然可以進行自編程。

同樣,程序完成后也必須分別固化到程序存儲器的指定空間,以保證程序的正常運行,程序分布如圖2所示。

2 在MC68332目標平臺上的實現(采用方案2)

目標平臺的基本配置如下:

CPU為MC68332,Flash為512KB(Am29F400B),RAM為1MB,通信口為10Mbps以太網。

在編寫程序之前首先應該設計好程序在Flash和RAM空間的分布,按照方案2的思路考慮平臺的硬件配置,具體設計如下:

(1)BOOT程序通過MC68332的一個I/O狀態判定程序的走向;

(2)update程序通過以太網口采用TFTP協議從主機接收程序并進行CRC校驗;

(3)Flash具體分配如表1所示。

 

按照方案2,BOOT程序在系統復位后初始化Flash、RAM片選,把Flash、RAM映射到對應的地址空間,并通過MC68332的一個I/O狀態判斷應用進入何種運行模式。如果進入正常模式,BOOT程序通過從normal復位向量處取得PC值,轉入相應的地址執行;進入升級模式,BOOT程序把update程序從Flash地址0x00400S~0x10000復制到RAM地址0x700000~0x710000中,然后把控制權轉移給update程序。程序流程如圖2。

update程序主要分為三大部分:(1)從網絡接口接收主機中的normal程序,為了盡量減小程序的復雜性,采用TFTP協議(TFTP Version 2,RFC 1350)從網絡接收程序(這部分也可以通過其他方式,如串口、MODEM等實現);(2)解析出程序數據并進行校驗,接收到的程序是Motorola格式的S-Record文件,必須按照S-Record格式進行解析,得到程序數據并進行CRC校驗,保證程序的正常性;(3)寫到Flash中地址0x10000~0x80000,驗證工作完成后把數據固化到Flash中指定地址,重啟并進入正常模式就可運行升級后的程序。程序流程見圖4。

normal程序按照正常需要進行編寫,必須鏈接到0x10000~0x80000空間運行。

這三個程序完成后,編寫一個工具程序把三個程序合并到一個文件(注意地址空間的分配),然后利用編程工具燒寫到Flash片上,這樣這個具備ISP功能的系統就完成了。

該設計的實現方法簡單,可以避免生產時不必要的物質和時間上的開銷,同時也可以幫助提供更為簡易、靈活、經濟的現場服務,值得在嵌入式系統中推廣使用。

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