AT91SAM7Sxx系列MCU Boot-Loader的设计

AT91SAM7xx 系列是Atmel 公司推出的基于ARM7内核的32位MCU。用户代码编译在Thumb 模式下可获得16位指令宽度，从而节约内部程序空间。目前这个系列芯片的内部Flash空间范围从32KB到256KB， RAM空间范围是8KB 到 6?KB。除了SAM7S32外，这个系列的芯片都内嵌有USB2.0全速通讯模块。本文介绍的就是基于USB接口的用户程序升级工具。

我们知道 Atmel 公司为这个系列芯片提供了 SAM-BA 下载工具。这个工具在产品阶段的应用有一定的局限，就是为了启动芯片内部的 SAM-BA 程序，用户需要短接芯片的TST引脚到电源端，然后上电10秒钟，再重新上电．本文介绍的Boot-loader 程序常驻在芯片内部Flash空间，启动方法是用户按住产品的一个特定的按键然后上电。这样大大简化了产品固件的升级过程。

1 Boot-loader 在Flash中的位置

为了在整个SAM7Sxx系列中通用同一个Boot-Loader程序，我们把它定位在Flash的低端位置偏移量为0x800至0x15ff位置，共占用3584个字节空间。相应的用户程序在链接时要避开使用这段地址。笔者采用的是IAR编译环境，需要修改链接目标定位控制文件达到定位目标文件的目的。以S256为例，需要修改at91SAM7S256_NoRemap.xcl 文件

? Boot-loader 的链接控制文件中需要修改的项目有:
-DROMSTART1=00 中断向量表起始位置
-DROMEND1=3F 中断向量表结束位置
-DROMSTART2=800 目标程序起始位置
-DROMEND2=15FF 目标程序结束位置
CODE, ICODE CONST 的定位同样需要相应的修改。
? Boot-loader 启动文件为Atmel提供(Cstartup.s79)，但需要作一定修改:
RSEG ICODE:CODE:ROOT(2) 改为RSEG INTVEC:CODE:ROOT(2) 把异常向量表定位在0x00至0x3f.
异常向量表的末端添加语句RSEG ICODE:CODE:ROOT(2) 把启动代码定位在CODE段．
? 用户应用项目需要修改at91SAM7S256_NoRemap.xcl文件中
-DROMSTART1=00 中断向量表及启动代码起始位置
-DROMEND1=7FF 中断向量表及启动代码结束位置
-DROMSTART2=1600 目标程序起始位置
-DROMEND2=3FFFF 目标程序结束位置
CODE, ICODE CONST 的定位同样需要相应的修改。以避免和Boot-Loader 地址重叠。

2 Boot-Loader 的实现

2.1 Boot-Loader 的启动
上电复位后，PC指针首先指向Boot-Loader，Boot-Loader首先初始化IO口，然后判断用户有无按下启动Boot-Loader的按键。如果该键没有被按下，同时Flash内有用户代码，则跳到用户程序入口。下面代码是用汇编写用户入口子程序。
PUBLIC EnterUser
CODE16
EnterUser:
ldr r1, = 0x15fc ; 0x15fc 保存用户入口地址
ldr r0, [r1,#0]
bx r0
如果用户在上电时有按下该键，则运行Boot-Loader 的主循环。
2.2 USB 驱动
USB驱动采用HID类以省下开发驱动程序的需要．HID的报表采用如下结构：
const char LoaderDescriptor[] = {
0x06, 0xA0, 0xFF, // 厂家定义用途
0x09, 0x01, // 厂家定义用途
0xA1, 0x01, // 报表集合：应用
// The Input report
0x09, 0x03, // 厂家定义的报表ID
0x15, 0x00, // 逻辑最小值 (0)
0x26, 0xFF, 0x00, // 逻辑最大值(255)
0x75, 0x08, // 报表位宽(8 位)
0x95, 0x03, // 报表长度(3 )
0x81, 0x02, // 输入报表
// The Output report
0x09, 0x04, // 厂家定义的报表ID
0x15, 0x00, // 逻辑最小值 (0)
0x26, 0xFF, 0x00, // 逻辑最大值 (255)
0x75, 0x08, // 报表位宽
0x96, 0x04, 0x01, // 报表长度(260 字节)
0x91, 0x02, // 输出报表
0xC0}; // 集合结束
这样PC下传的数据报大小是260B，其中第一字节为写命令，第二，第三字节是用户固件的页地址（用户固件需编译为二进制文件*.bin）．接下来是256字节的固件数据。

2.3 Flash 的操作
把所有操作Flash的函数定义在RAM空间，例如：
__ramfunc int CFlash::Erase_All(void)
因为SAM7Sxx系列的Flash采用单层结构，不允许程序在Flash上运行的同时改写Flash的内容, 所以要将操作Flash的程序放在RAM中运行.

2.4 数据包的处理
第一个数据包包含用户启动代码和异常向量表。Boot-Loader需要修改复位向量，并保存用户入口地址（伪代码如下）
if (Page == 0) {
Get User Entrance Address
Replace User Entrance Address with Boot-Loader Entrance Address
Program first page into Flash
Set flag to indicate an unfinished task
Calculate checksum and return to PC
}
收到结束指令后需要设置完成标志（伪代码如下）：
if (Command == END_OF_TASK) {
Write last page into Flash
Reset unfinished flag
Calculate checksum and return to PC
}
如果页地址与boot-loader 重叠，则不进行写操作，仅返成功标志给PC：
if ( (Page >= BL_START_PAGE) (Page = BL_END_PAGE) ) {
ret = true ;
break ;
}

3 PC端下载软件的实现简介
下面是标准的PC端操作流程：
- 获得USB HID 类GUID
- 获得所有HID设备结构数组
- 根据VID PID 获得设备信息
- 打开设备句柄
- 与Boot-Loader 进行通讯
以上操作步骤在Windows, MacOS, Linux 中都是通用的，读者可以在参考文献3找到关于PC端程序实现的具体方法。