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    STM32用戶基于IAP的程序更新技術(shù)*

    2012-06-25 02:45:50李興鶴蔡亮宋吉波王鵬金辛海時迎亮
    關(guān)鍵詞:用戶程序微控制器指針

    李興鶴,蔡亮,宋吉波,王鵬,金辛海,時迎亮

    (1.上海辛格林納新時達(dá)電機(jī)有限公司 研發(fā)中心,上海 201802;2.上海新時達(dá)電氣股份有限公司)

    李興鶴(工程師),從事嵌入式系統(tǒng)、變頻技術(shù)、新能源技術(shù)、電梯控制系統(tǒng)等方面的研究。

    引 言

    嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)最終需要將編譯好的代碼下載到具體的微控制器芯片上,而不同廠家的微控制器芯片有不同的下載方式。隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求的更新,用戶程序加載趨向于在線編程的方式,越來越多的芯片公司提供和開放了用戶更新程序的接口與方式,以提高整個系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用,在許多基于STM32系列產(chǎn)品的開發(fā)過程中不可避免要進(jìn)行用戶程序的加載。本文在介紹IAP技術(shù)原理基礎(chǔ)上,詳細(xì)論述使用該技術(shù)在STM32F103ZE芯片上實(shí)現(xiàn)用戶在線更新功能的方法,并具體分析其中可能發(fā)生異常的原因。

    1 背景綜述

    1.1 主要程序更新方式

    目前,除了直接通過仿真器或燒錄器進(jìn)行程序更新方式外,主要有Bootloader技術(shù)、ISP技術(shù)以及IAP技術(shù)3種更新程序的方法。

    (1)Bootloader技術(shù)

    引導(dǎo)加載程序,是指系統(tǒng)加電時,控制器將一段存儲在外部非易失性存儲器中的代碼載入到內(nèi)部高速存儲器單元(如片內(nèi)RAM)中執(zhí)行的過程。

    (2)ISP(In System Programming)技術(shù)

    MCU內(nèi)部自帶Bootloader,通過指定的方式激活,通過通信接口下載或擦除用戶代碼。需要有外部介入,靜態(tài)的,在用戶代碼沒有運(yùn)行時進(jìn)行下載。

    (3)IAP(In Application Programing)技術(shù)

    單片機(jī)內(nèi)部具有一些可擦寫的非易失存儲器,如Flash。在微控制器獨(dú)立運(yùn)行時,用戶利用自己編寫的燒寫程序通過通信下載或擦除自己的代碼。注意不具備IAP功能的單片機(jī)并不能對Flash的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。無需外部介入,動態(tài)的,在用戶代碼運(yùn)行時進(jìn)行下載。

    1.2 STM32系列簡介

    STM32系列微控制器基于Cortex-M3內(nèi)核,并在其架構(gòu)上進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn),包括在提升性能的同時提高了代碼密度的Thumb-2指令集,以及大幅度提高中斷響應(yīng)的緊耦合嵌套向量中斷控制器,從而大大提高了處理速度,降低了系統(tǒng)功耗。使用新內(nèi)核的Thumb-2指令集,設(shè)計(jì)人員可以把代碼容量降低45%,幾乎把應(yīng)用軟件所需內(nèi)存容量降低了一半。此外,STM32提供豐富的外圍接口,目前廣泛應(yīng)用到工業(yè)用及家用安全設(shè)備、消防和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等,以及家電、消費(fèi)電子、低功耗的可便攜式設(shè)備等。本文以STM32F103ZE為例來研究及使用IAP技術(shù)。

    2 IAP技術(shù)

    2.1 IAP技術(shù)原理

    首先人為設(shè)定單片機(jī)內(nèi)部存儲區(qū)分為兩塊:其中一塊稱為Boot區(qū),用于存儲IAP功能程序代碼;另外一塊稱為常態(tài)存儲區(qū),用于存儲除IAP功能外的所有程序代碼。IAP技術(shù)指的是,MCU在運(yùn)行的狀態(tài)下,通過程序(PC)指針不斷讀取需要執(zhí)行的程序指令。正常情況下,PC指針只在常態(tài)存儲區(qū)內(nèi)移動,并讀取指令,如圖1所示。當(dāng)用戶需要更新或升級程序時,程序指令會將PC指針跳轉(zhuǎn)至Boot區(qū)。這段存儲區(qū)的指令代碼的功能是,通過通信等方式接收用戶需要更新的程序數(shù)據(jù),并通過校驗(yàn)確認(rèn)接收到的程序數(shù)據(jù)正確后,根據(jù)約定的方式寫入常態(tài)存儲區(qū),如圖2所示。當(dāng)完成用戶程序更新后,PC指針再跳回到常態(tài)存儲區(qū),開始執(zhí)行存儲在其上的用戶程序,這樣便實(shí)現(xiàn)了IAP功能。

    圖1 通過PC指針讀取程序指令

    圖2 更新存儲區(qū)代碼

    2.2 IAP技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

    通過研究IAP技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶程序更新的過程,不難發(fā)現(xiàn),在更新過程中必須保證PC指針在Boot區(qū)移動,而不能隨意跳轉(zhuǎn)至常態(tài)存儲區(qū)?;谶@個要求,結(jié)合微控制器原理可以得出需要特別注意的幾個關(guān)鍵點(diǎn)。

    (1)禁止中斷

    毫無疑問,中斷會使得PC指針跳轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)程序入口地址,因此,在進(jìn)入Boot區(qū)前需要禁止所有中斷。

    (2)禁用底層外圍接口

    對于有些外圍接口,比如當(dāng)采用ADC+DMA的方式進(jìn)行多通道A/D采樣時,采樣過程會按照預(yù)先設(shè)置的通道順序進(jìn)行A/D采樣。若在PC指針跳轉(zhuǎn)至Boot區(qū)前沒有禁用,則更新完程序跳回常態(tài)存儲區(qū)時,其存儲A/D通道值就可能發(fā)生錯位的情況。

    (3)使用實(shí)時操作系統(tǒng)

    如果使用具有搶占式RTOS(即硬實(shí)時操作系統(tǒng)),則需要禁止所有任務(wù),并且屏蔽所有的信號量及郵箱,以防止激活某個任務(wù),導(dǎo)致PC指針跳轉(zhuǎn)至常態(tài)存儲區(qū)。

    (4)使用看門狗

    在考慮導(dǎo)致PC指針跳轉(zhuǎn)的原因時,看門狗很容易被忽略,而且很多芯片的看門狗一旦使能就不能禁用,所以不能通過禁用的方法達(dá)到目的。最安全的方法是,在Boot區(qū)中也加入看門狗的喂狗指令。特別要注意的是,當(dāng)需要擦除、寫入大量Flash數(shù)據(jù)時,需要對其過程所需時間進(jìn)行定量的估計(jì),有必要時可以在這個過程中多次喂狗。

    (5)存儲空間分配

    Boot區(qū)以及常態(tài)存儲區(qū)的大小可以人為分配,一般而言,盡可能使常態(tài)存儲區(qū)最大化,因?yàn)楫a(chǎn)品的功能是在該區(qū)域得到體現(xiàn);而Boot區(qū)盡可能使其代碼簡潔,避免使用中斷以及復(fù)雜的底層驅(qū)動及算法。

    2.3 IAP技術(shù)實(shí)現(xiàn)

    (1)關(guān)閉相關(guān)中斷及禁用相關(guān)外圍接口

    如定時器中斷、SysTick中斷、A/D中斷、外部I/O中斷等。

    (2)設(shè)定跳轉(zhuǎn)地址

    (3)喂狗并執(zhí)行跳轉(zhuǎn)

    (4)IAP代碼(Boot區(qū)代碼)

    只需要驅(qū)動用到的底層接口,盡量不使用中斷,盡可能少地占用存儲空間,同時需要適時地喂狗。另外對該系列Flash操作會有所不同,比如STM32F103ZE執(zhí)行擦除操作時,一頁為2KB,而SMT32F103VC6等芯片一頁為1KB,使用其他型號芯片時需要具體查閱相關(guān)數(shù)據(jù)手冊。

    3 總 結(jié)

    本文從分析IAP技術(shù)原理入手,詳細(xì)論述了利用IAP技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶程序更新的要點(diǎn)。另外,可以想象,如果Boot區(qū)加入TCP/IP協(xié)議連入互聯(lián)網(wǎng),即可借助網(wǎng)絡(luò)對產(chǎn)品進(jìn)行在線升級,既可提高系統(tǒng)的可維護(hù)性,又可降低產(chǎn)品的維護(hù)成本,必將在未來得到更為廣泛的應(yīng)用。

    [1]意法Cortex-M3微控制器重塑 MCU 市場[OL].(2007-06-12) [2011-08 ]. http://www. eccn. com/design _2007061215020077.htm.

    [2]彭剛,春志強(qiáng).基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應(yīng)用實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011:320-325.

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