在嵌入式开发过程中， ISP设计的设计原理

[导读]在嵌入式开发过程中，许多系统通常使用串口驱动来满足通信要求，但在实际应用中，使用SPI通信方式会更加高效和快捷。

嵌入式系统已被广泛应用于国防电子、数字家庭、工业自动化、汽车电子等多种领域[1]。在嵌入式开发过程中，许多系统通常使用串口驱动来满足通信要求，但在实际应用中，使用SPI通信方式会更加高效和快捷[2]。SPI接口是一种高速、高效的串行接口技术，因而SPI设备在数据通信应用中十分方便[3]。本文基于ARM9芯片的S3C2440和Linux操作系统，设计了一种SPI驱动程序，该驱动程序功能可靠灵活、易于移植，可应用于多种嵌入式平台，实现ARM与设备之间的通信。

1 硬件说明

1.1 S3C2440开发平台

采用三星公司的SoC芯片S3C2440[4]作为核心处理器，主频为400 MHz，并与64 MB SDRAM和64 MB NAND Flash共同组成核心部分。此外，该平台也为用户提供了大量的通信、显示、调试以及I/O接口。为满足设计需要，将Linux2.6.21版内核移植于该平台上。

1.2 SPI硬件模块

S3C2440具有两个SPI，每个SPI具有两个8位移位寄存器用于独立地发送和接收数据，并兼容SPI ver.2.11协议，支持8位逻辑预分频，系统可用polling、中断、DMA三种方式判断SPI发送及接收状态。此SPI模块共包含以下信号线[5]：

(1)SCK：数据同步时钟信号，由主设备驱动，向从设备输出，使得从设备按照同步时钟的步调来接收或发送数据。

(2)nCS(由用户指定GPIO)：从设备选择信号线(Slave Select，SS)由主设备发出，用来选择激活某个从设备，低电平有效。

(3)MISO(SPIMISO0)：主入从出信号线，表示该信号在主设备中作为输入，在从设备中作为输出。

(4)MOSI(SPIMOSI0)：主出从入信号线，表示该信号在主设备中作为输出，在从设备中作为输入。

(5)/SS(nSS)：多主错误检测。

应用程序的固化是嵌入式产品开发和生产过程中一个重要环节。基于ARM的嵌入式系统常用的程序固化方法是，用仿真器通过JTAG口将程序烧录到Flash里，在产品的开发阶段，使用仿真器几乎是必然的;然而到了产品的生产阶段，进行应用程序烧录或升级操作的往往是生产线上的工人，他们不易掌握仿真器的使用方法，而且在生产阶段也需要把JTAG调试口封住以防软件被窥视。笔者在使用意法半导体的STR730开发产品的过程中，设计了一种通过串口进行ISP(InSystemProgramming，在系统编程)的方案。该方案成本低，生产线使用起来也很方便，而且即使升级过程中发生掉电之类的意外也不会影响下一次升级，安全而可靠。

1 硬件连接

ISP方案的硬件连接如图1所示。RS232转接板用来将RS232电平转换为TTL电平，并通过ISP_EN引脚给ARM开发板提供信号，让其进入ISP状态。PC机上运行用VC语言编写的ISP.exe，该程序把需要烧录到F1ash里的.bin文件加密后发送到ARM开发板，同时把烧录的进度提示显示给用户。图1中的阴影部分具有固定的程序。

2 Flash烧录原理

2.1存储器分配

STR730是意法半导体生产的基于ARM7TDMI的微控制器芯片，内置16 KB RAM(0xa0000000～Oxa0003fff)和256 KB Flash(Ox80000000～Ox8003ffff)。内置256 KB Flash的分配情况如图2所示。按照图2中存储器的分配编写Scatter文件，在生成可执行文件时链接器会根据Scatter文件的内容把相关代码段定位到特定的地址上。该例中，程序从Flash启动，且没有使用存储器重映射，因此中断向量必须定位到Flash的起始位置。

扇区O的内容需要事先通过JTAG口烧入，此后就可以利用扇区O中的烧录程序Programrher.o通过串口进行ISP。在整个ISP过程中扇区0的内容是保持不变的，这样就可以防止ISP过程中出现掉电之类的意外，导致初始化代码Startup或烧录程序Programmer受到损坏而无法再一次进行ISP。

无论对嵌入式产品添加新功能还是修改原有的软件BUG，涉及的都只是用户应用程序的改动，初始化代码Startup.s是无需改动的，所以扇区O的内容在ISP过程中可否保持不变，关键是能否使首次编译生成的Vector.0始终与以后多次编译的App.o相匹配。

需要特别指出的是，当用户应用程序发生改变时，实际的中断服务函数(一般是C语言函数)很可能发生了改变，或者是实际的中断服务函数的入口地址发生了改变，怎么通过固定不变的中断向量Vector.o找到变化的中断服务函数的入口呢?只要这个问题解决了，就可以使首次编译生成的Vector.o始终和以后多次编译的App.o相匹配，这是该方案可行性的关键所在。为解决这个问题，笔者在Flash的固定位置(0x80002000～0x800020ff)做了一个中断映射表，实际上里面存放的是一条条跳转指令。由于中断映射表INTMap.s和用户应用程序App.c是一同编译、链接的，里面的跳转指令当然可以准确找到实际的中断服务程序入口;而位于扇区O的中断向量Vector.s虽然不和用户应用程序一起编译，但中断向量里的跳转指令是绝对跳转到固定的中断映射表区域。这样通过2次跳转就可以准确找到中断服务程序的入口。

可以通过图3看出快中断的处理流程(其他的中断处理流程类似)。

2.2 ISP执行的步骤

笔者把起到烧录Flash作用的程序单独作为一个工程编译、链接，生成.bin文件;然后把.bin文件转化成一个unsigned char型的数组，并把该数组放在一个单独的文件Programmet.c中;最后利用Scatter文件把Programmer.o定位在固定的地址空间(0x80001000～Ox80001fff，如图2所示)。这样一来，就可以编写汇编程序，把烧录程序Pro—grammer.o拷贝到RAM中，并让PC指针跳转到RAM中执行烧录。由于STR730没有外部Flash，要烧录Flash程序必须在RAM中运行，所以拷贝Programmer.o到RAM中是必需的。以下代码摘取自Startup.s。