片外FIash存储器IAP的n种方案

2006-10-18 15:21:23来源: 单片机及嵌入式系统应用
引 言

  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IAP(InApplicatAion Program)就是这样的自修改程序。它先在RAM存储器中写人数据值,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Phnips公司的LPC2210 和 Silicon storage Technology 公司的SST39VFl60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LPC22lO是一款基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器。芯片采用144脚封装,有16 KB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16 Mb,数据宽度8/16/32位均可;具有多个32位定时器、8路lO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5 V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l~30 MHz,通过片内PLL可实现最大为60 MHz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 SST39VFl60介绍


  Silicon StoraLge Technology公司的SST39VFl60是一个lM×16b的CMOS多功能Flash器件,单电压的读和写操作,电压范围3.O~3.6 V,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、字编程、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l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“O”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CSO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SST39VFl60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l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,以便下次上电能获取以前的数据。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:LPC22lO允许的芯片核工作频率(CCLK)范围是10~60 MHz,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WSTl控制,其最大可用长度为35个CCLK,而SST39VFl60的扇区擦除典型时间为18 ms。下面是计算算式:
TRDmax=RDLenmax/CCLKmin=35/10×10一6=3.5 μs
.TD=18 ms》3.5μs

其中:TRDmax—最大读访问时间;
   RDLenmix——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F1ash在执行命令期间,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。实践也表明,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指定存储区,然后跳转到指定区的起点开始执行。这里,lAP程序先自复制到LPC2210片内SRAM中,然后跳转到SRAM执行lAP代码。前面说过,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以及跳转指令。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。

2.2 扇区擦除


  事先编程在Flash中的程序先自复制到SRAM指定的位置,然后,赋PC为SRAM中扇区编程代码段的起点ERASEPART。程序于SRAM中的ERASEPART起点开始执行,按照SST39VF160扇区擦除的时序要求开始擦除。按照ARM公司提出的ATPCS规定,C语言程序调用汇编程序时,寄存器R0一R3传递参数,返回值由寄存器RO传递原则,扇区擦除程序的一个参数,要擦除的扇区号,由RO传递;返回参数置于R0,扇区擦除成功返回“1”,否则返回“0”。

2.3 字编程


  程序于SRAM中的PROGRAMPART起点开始执行,按照SST39VFl60字编程的时序要求开始编程。入口参数有三个,依次为编程地址、数据起始地址、编程数据长度。字编程成功返回“1”,否则返回“0”。


3 结论

  在嵌入式应用系统中,IAP是极为有效的一种技术。根据本文提出的方案,在实际应用中只需针对选用的Flash,更改特定的擦、写操作代码就可实现系统片外存储器的在应用编程。文中提出的IAP代码重入到SR—kM执行的方法,有效地解决了应用无片内程序存储器的32位ARM处理器的嵌入式系统IAP难题,有很大的应用价值。

关键字:处理器  功耗  存储

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/memory/200610/6571.html
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