基于IAP和Keil MDK的遠(yuǎn)程升級設(shè)計

　　寫在前面：三個周之前，我突然想寫一個遠(yuǎn)程升級的程序。那個時候我只是大概知道IAP的意思是在應(yīng)用編程，但怎么編，我還一無所知。我給自己定下一個個階段目標(biāo)，從最基礎(chǔ)的代碼一點點寫起，解決一個又一個的問題。三個周之后，我用自己設(shè)計的方法實驗了50多次，無一例升級失敗。

　　三個周來，遇到了很多的不解、困惑，甚至是想放棄，但我現(xiàn)在想說的是：很多未知的困難會擋在我們面前，我們會感覺毫無頭緒甚至覺得毫無出路忍不住要放棄，但多堅持一下，那些困難不但能煙消云散還能帶給我們進(jìn)步。

　　本設(shè)計是基于LPC2114和Keil MDK(V4.10)，但所有支持IAP的處理器都可借鑒本方案，重要的是思想，而不是用什么。

　　0 引言

　　在應(yīng)用編程(IAP)技術(shù)為系統(tǒng)在線升級和遠(yuǎn)程升級提供了良好的解決方案，也為數(shù)據(jù)存儲和現(xiàn)場固件的升級都帶來了極大的靈活性。通?？衫眯酒拇锌诮拥接嬎銠C的RS232口、通過現(xiàn)有的Internet或、無線網(wǎng)絡(luò)或者其他通信方式很方便地實現(xiàn)在線以及遠(yuǎn)程升級和維護(hù)。

　　本文以NXP的LPC2114 ARM微處理器為平臺，以Keil MDK為開發(fā)工具，闡述IAP的原理、Flash的劃分、分散加載機制、中斷重映射以及在線升級的實現(xiàn)方案及其優(yōu)化。本方案使用多種校驗技術(shù)，最大限度的保障傳輸數(shù)據(jù)的正確性;使用bootloader機制，即使因意外事件(斷電，編程Flash失敗等)造成升級失敗后，程序也能返回到升級前的狀態(tài)。

　　1 LPC2114的Flash規(guī)劃

　　1.1 扇區(qū)描述

　　LPC2114共有128KB片內(nèi)Flash，共分為16個扇區(qū)，分別為0扇區(qū)～15扇區(qū)，每個扇區(qū)為8KB存儲空間。其中第15扇區(qū)出廠時被固化為Boot Block區(qū)，控制復(fù)位后的初始化操作，并提供實現(xiàn)Flash 編程的方法。所以用戶可用的Flash空間只有120KB。IAP程序固化于Boot Block中，IAP操作是以扇區(qū)為單位，并占用片內(nèi)RAM的高32字節(jié)。下表列出LPC2114器件所包含的扇區(qū)數(shù)和存儲器地址.

　　表1.1 LPC2114 Flash 器件中的扇區(qū)

　　1.2 Flash的扇區(qū)劃分

　　本設(shè)計將Flash劃分為四個區(qū)，扇區(qū)0存放跳轉(zhuǎn)程序和升級引導(dǎo)程序(Bootloader)。分站上電后執(zhí)行跳轉(zhuǎn)程序，跳轉(zhuǎn)到用戶程序處。用戶程序運行過程中，如果接收到升級指令，會從用戶程序跳轉(zhuǎn)到引導(dǎo)程序區(qū)(Bootloader)，接收新程序數(shù)據(jù)包，完成Flash編程并跳轉(zhuǎn)到新程序區(qū)執(zhí)行程序。扇區(qū)1～扇區(qū)7為程序存儲低區(qū);扇區(qū)8～扇區(qū)13為程序存儲高區(qū);扇區(qū)14存放當(dāng)前程序運行區(qū)域標(biāo)志，如果當(dāng)前程序運行在高區(qū)，該標(biāo)志區(qū)的最低四個字節(jié)為0x00010000，如果當(dāng)前程序運行在低區(qū)，該標(biāo)志區(qū)的最低四個字節(jié)為0x00008000。

　　2 IAP的原理與軟件設(shè)計

　　2.1 IAP的原理

　　IAP函數(shù)是固化在微處理器內(nèi)部flash上的一些函數(shù)代碼，最終的用戶程序可以直接通過調(diào)用這些函數(shù)來對內(nèi)部flash進(jìn)行擦除和編程操作。LPC2114微處理器的內(nèi)部flash有一個塊稱為Boot Block，位于flash的頂端，可供調(diào)用的IAP函數(shù)就位于該塊中。上電后Boot Block被映射到內(nèi)部地址空間的頂端，同樣IAP函數(shù)人口地址也被映射到地址0x7ffffff0處。用戶可通過跳轉(zhuǎn)到該地址來調(diào)用相應(yīng)的lAP函數(shù)。

　　2.2 IAP 命令

　　對于在應(yīng)用編程來說，應(yīng)當(dāng)通過寄存器r0 中的字指針指向存儲器(RAM)包含的命令代碼和參數(shù)來調(diào)用IAP 程序。IAP 命令的結(jié)果返回到寄存器r1 所指向的返回表。用戶可通過傳遞寄存器r0 和r1 中的相同指針重用命令表來得到結(jié)果。參數(shù)表應(yīng)當(dāng)大到足夠保存所有的結(jié)果以防結(jié)果的數(shù)目大于參數(shù)的數(shù)目。參數(shù)傳遞見圖2-1。參數(shù)和結(jié)果的數(shù)目根據(jù)IAP命令而有所不同。參數(shù)的最大數(shù)目為5，由“將RAM 內(nèi)容復(fù)制到Flash”命令傳遞。結(jié)果的最大數(shù)目為2，由“扇區(qū)查空”命令返回。命令處理程序在接收到一個未定義的命令時發(fā)送狀態(tài)代碼INVALID_COMMAND。IAP 程序是thumb 代碼，位于地址0x7FFFFFF0。

　　圖2-1 IAP的參數(shù)傳遞

　　表2-1描述了IAP的命令。

　　表2-1 IAP 命令匯總

　　IAP命令命令代碼描述

　　準(zhǔn)備編程扇區(qū)50該命令必須在執(zhí)行“將 RAM 內(nèi)容復(fù)制到Flash”或“擦除扇區(qū)”命令之前執(zhí)行。這兩個命令的成功執(zhí)行會導(dǎo)致相關(guān)的扇區(qū)再次被保護(hù)。該命令不能用于boot 扇區(qū)。要準(zhǔn)備單個扇區(qū)，可將起始和結(jié)束扇區(qū)號設(shè)置為相同值。

　　將RAM內(nèi)容復(fù)制到Flash51該命令用于編程 Flash 存儲器。受影響的扇區(qū)應(yīng)當(dāng)先通過調(diào)用“準(zhǔn)備寫操作的扇區(qū)”命令準(zhǔn)備。當(dāng)成功執(zhí)行復(fù)制命令后，扇區(qū)將自動受到保護(hù)。該命令不能寫boot 扇區(qū)。

　　擦除扇區(qū)52該命令用于擦除片內(nèi) Flash 存儲器的一個或多個扇區(qū)。boot 扇區(qū)不能由該命令擦除。要擦除單個扇區(qū)可將起始和結(jié)束扇區(qū)號設(shè)定為相同值。

　　扇區(qū)查空53該命令用于對片內(nèi) Flash 存儲器的一個或多個扇區(qū)進(jìn)行查空。要查空單個扇區(qū)可將起始和結(jié)束扇區(qū)號設(shè)定為相同值。

　　讀器件ID54該命令用于讀取器件的 ID 號。

　　讀Boot版本55該命令用于讀取 boot 代碼版本號。

　　IAP比較56該命令用來比較兩個地址單元的存儲器內(nèi)容。當(dāng)源或目標(biāo)地址包含從地址0 開始的前64字節(jié)中的任意一個時，比較的結(jié)果不一定正確。前64字節(jié)重新映射到Flash boot 扇區(qū)。

　　2.3 IAP 編程函數(shù)接口

　　IAP 功能可用下面的C 代碼來調(diào)用。

　　定義 IAP 程序的入口地址。由于IAP 地址的第0 位是1，因此，當(dāng)程序計數(shù)器轉(zhuǎn)移到該地址時會引起Thumb 指令集的變化。

　　#define IAP_LOCATION 0x7ffffff1

　　定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或指針，將IAP 命令表和結(jié)果表傳遞給IAP 函數(shù)

　　unsigned long command[5];

　　unsigned long result[2];

　　定義函數(shù)類型指針，函數(shù)包含2 個參數(shù)，無返回值。注意：IAP 將函數(shù)結(jié)果和R1 中的表格基址一同返回。

　　typedef void (*IAP) (unsigned int [ ] , unsigned int [ ]);

　　IAP iap_entry;

　　設(shè)置函數(shù)指針

　　iap_entry=(IAP) IAP_LOCATION;

　　使用下面的語句來調(diào)用IAP。

　　iap_entry (command , result);

　　Flash 存儲器在寫或擦除操作過程中不可被訪問。執(zhí)行Flash 寫/擦除操作的IAP 命令

　　使用片內(nèi)RAM 頂端的32 個字節(jié)空間。如果應(yīng)用程序中允許IAP 編程，那么用戶程序不應(yīng)

　　使用該空間。

　　3 LPC2114升級實現(xiàn)過程

　　由于在升級程序軟件設(shè)計中，分散加載機制、中斷向量的重映射、軟中斷等的實現(xiàn)還與所使用的編譯器緊密相關(guān)，因此，本文結(jié)合Keil MDK(V4.10)編譯工具，來詳細(xì)闡述升級程序的實現(xiàn)過程。

　　3.1 總體思路

　　分站上電后，首先運行位于Flash 0x000～0x3FF中的跳轉(zhuǎn)程序。跳轉(zhuǎn)程序會讀取位于14扇區(qū)的當(dāng)前程序運行標(biāo)志，如果該扇區(qū)的最低四個字節(jié)為0x00010000，表示當(dāng)前程序運行在高區(qū)，跳轉(zhuǎn)程序會跳轉(zhuǎn)到Flash的0x00010000處執(zhí)行用戶程序;如果該標(biāo)志區(qū)的最低四個字節(jié)為0x00008000，表示當(dāng)前程序運行在低區(qū)，跳轉(zhuǎn)程序會跳轉(zhuǎn)到Flash的0x00002000處執(zhí)行用戶程序。用戶程序正常執(zhí)行后，會按照設(shè)計進(jìn)行正常的程序采集、數(shù)據(jù)處理傳送。當(dāng)接收到升級命令后，用戶程序會跳轉(zhuǎn)到Flash的0x00000400處的Bootloader處進(jìn)行升級的一些操作。當(dāng)升級成功后，Bootloader程序更新當(dāng)前程序運行區(qū)標(biāo)志，程序跳轉(zhuǎn)到新程序處運行，如果升級不成功，返回升級前的程序。

　　流程圖如下所示：

　　3.2 跳轉(zhuǎn)程序的設(shè)計

　　跳轉(zhuǎn)程序是分站上電后最先運行的程序，根據(jù)當(dāng)前程序運行區(qū)標(biāo)志，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的用戶程序區(qū)執(zhí)行。本段程序占用Flash的最低1K字節(jié)空間，與Bootloader同在第0扇區(qū)。

　　跳轉(zhuǎn)程序的啟動代碼僅初始化堆棧，不使用PLL和存儲加速功能。代碼1描述了跳轉(zhuǎn)程序的主要啟動代碼。

　　; Enter User Mode and set its Stack Pointer

　　MSR CPSR_c, #Mode_USR

　　MOV SP, R0

　　SUB SL, SP, #USR_Stack_Size

　　; Enter the C code

　　IMPORT __main

　　LDR R0, =__main

　　BX R0

　　代碼1：跳轉(zhuǎn)程序啟動代碼

　　當(dāng)跳轉(zhuǎn)程序確定要跳轉(zhuǎn)到高區(qū)用戶程序或者低區(qū)用戶程序后，使用函數(shù)指針跳轉(zhuǎn)到0x00010000處(高區(qū)用戶函數(shù)入口地址)或0x00002000處(低區(qū)用戶函數(shù)入口地址)。

　　定義函數(shù)指針：

　　void (*UserProgram)() ;

　　指定入口地址：

　　UserProgram = (void (*)()) (0x00010000);

　　UserProgram = (void (*)()) (0x00002000);

　　實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)：

　　(*UserProgram)() ;

　　要將用戶代碼精確定位到Flash的0x00010000處(高區(qū)用戶函數(shù)入口地址)或0x00002000處(低區(qū)用戶函數(shù)入口地址)，需要使用編譯器的分散加載機制，將在Bootloader中詳細(xì)描述實現(xiàn)過程。

　　另外，跳轉(zhuǎn)程序還在燒錄代碼的同時初始化當(dāng)前程序運行區(qū)標(biāo)志，即對Flash的0x0001C000地址處寫入0x00008000，表示當(dāng)前用戶程序在低區(qū)。主要使用了編譯器的__at關(guān)鍵字：精確定位變量。需要注意的是，使用該關(guān)鍵字必須包含頭文件absacc.h。

　　const uint32 x __at(0x0001C000)=0x00008000; //初始化用戶程序標(biāo)志區(qū),默認(rèn)運行低區(qū)

　　3.3 升級程序Bootloader的設(shè)計

　　升級程序的好壞，在很大程度上取決于Bootloader設(shè)計的好壞。

　　一個優(yōu)秀的IAP升級Bootloader，必須做好升級中出現(xiàn)故障等異常的處理。保證系統(tǒng)不會崩潰，即使升級失敗，也能返回升級前的程序。

　　? 有升級指令，進(jìn)行初始化工作(串口、定時器、看門狗)

　　? 接收升級數(shù)據(jù)包，檢測幀頭、長度、幀號、數(shù)據(jù)區(qū)校驗，最大程度的保證升級數(shù)據(jù)的完整性、正確性。

　　? 實時檢測接收狀態(tài)，10 S內(nèi)沒有接收到數(shù)據(jù)或接收到的數(shù)據(jù)包都是錯的，則退出升級，返回原程序。

　　? 接收的數(shù)據(jù)按照512字節(jié)一組寫入Flash，寫入后再讀出與原數(shù)據(jù)進(jìn)行對比校驗，校

　　驗成功后，本次編程Flash成功。允許連續(xù)3次編程Flash，三次都不成功，退出升級程序，執(zhí)行原程序。

　　? 升級成功后，更新當(dāng)前程序運行區(qū)標(biāo)志，跳轉(zhuǎn)到新程序，同時原程序保存。

　　本設(shè)計的Bootload位于Flash的0x400開始的扇區(qū)0存儲區(qū)內(nèi)，使用分散加載機制，將程序的入口地址定位到0x00000400處。當(dāng)用戶程序接收到升級指令后，就會使用函數(shù)指針跳轉(zhuǎn)到這個入口處。

　　3.3.1 使用IAP

　　圖3-1 描述了使用IAP編程Flash所必須的步驟。

　　3.3.1.1 定義系統(tǒng)參數(shù)

　　在使用IAP前，需要定義一些系統(tǒng)參數(shù)，比如系統(tǒng)時鐘、IAP中斷入口、輸入輸出緩存。

　　#define IAP_CLK 11059200UL

　　#define IAP_LOCATION 0x7FFFFFF1

　　typedef void(*IAP)(uint32 [],uint32 []); //定義函數(shù)類型指針

　　IAP iap_entry=(IAP)IAP_LOCATION; //設(shè)置函數(shù)指針

　　unsigned long command[5] = {0,0,0,0,0};

　　unsigned long result[2]= {0,0};

　　代碼3-1：定義系統(tǒng)參數(shù)