一种片外Flash存储器IAP的方案

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IA（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。