ARM系统代码固化的串口实现

早期的嵌入式程序采用“编程—烧写—修改—烧写”的开发模式，大量的时间消耗在重复烧写芯片上，增加了开发成本和研发周期。之后发展到仿真器阶段，虽然简化了开发模式，但是由于仿真器与ARM芯片的兼容性等因素，经常会发生程序在仿真器上能正确运行，但是固化之后运行却出现问题的情况。
程序的固化是软件开发过程中重要的一环，一般可通过JATG口、网口及串口等进行烧写。相比之下，串口实现更为便捷,更值得推广。笔者在开发1C1T小灵通中继站的过程中，通过编制烧写程序，利用串口将编译后的目标代码发送给ARM处理器；由ARM处理器内部的监控程序将目标代码写入片外Flash，实现程序的在线烧写。这样不仅简化了电路设计，而且降低了开发成本，缩短了开发时间。
1 烧写原理及过程
硬件连接如图1所示，ARM开发板一方面通过串口与PC机连接，另一方面通过20针IDC宽带线与仿真器相连，再由仿真器通过25针并口插座与PC机的LPT口相连。开发板通电后即可进行烧写工作。
如图2所示，代码固化分2个步骤进行。第1步，如虚线一所示，监控程序的映像通过仿真器下载到ARM的内部RAM中运行，用户可以在主机端用超级终端或者其他串口调试工具与开发板通信。第2步，将应用程序的可执行代码通过串口发送，如虚线二所示，此时内部RAM里的监控程序就会接收并把它烧写到Flash中。

图1 ARM开发板与PC机的连接

图2 代码烧写原理
2 监控程序的设计
2.1 启动代码设计
实现串口烧写的监控程序包括ARM启动代码、串口通信代码和Flash烧写代码3部分。ARM启动代码是整个程序运行的入口点，完成ARM系统正常运行所必需的简单初始化，然后把系统控制权交给操作系统或者高级语言编写的监控程序。由于启动代码直接对SoC内核和硬件控制器进行编程,因此必须采用汇编语言。
启动代码包括异常向量表的定义、各种模式的堆栈初始化、系统硬件初始化、程序运行环境初始化，最后跳转到用户C语言主程序。当系统上电或复位后首先会从逻辑地址0x0处执行。
ARM处理器有7种运行模式，如表1所列。每一种模式都有独立的堆栈指针寄存器（SP），因此对使用的模式都要给堆栈指针寄存器SP定义堆栈地址。改变状态寄存器（CPSR）内的状态位，使处理器切换到不同模式，然后给SP赋值就可以实现堆栈的初始化。当然，堆栈的大小视需要而定。
表1 ARM处理器的7种运行模式

堆栈初始化程序如下：
InitStack
MOVr0,lr;保存返回地址
MOV r1,#Mode_SVC:OR:I_Bit:OR:F_Bit;设置管理模式堆栈
MSRcpsr_c, r1
LDRr13, =SVC_STACK
MOVpc,r0;子程序返回
系统硬件初始化包括设置外部存储器的类型、数据位宽度等，完成之后即可通过“B Main”语句跳转到C语言主程序。与LDR指令相比，虽然跳转范围小，但是32 MB的地址空间跳转足以满足程序需要，而且运行得更快。
2.2 烧写主程序设计
Main函数功能主要包括接收串口数据、解析映像文件及写入外部Flash，如图3所示。串口函数主要由init_sio()、init_val()和send_data()组成。函数init_sio()用于对串口通信参数的设置：波特率，57 600 b/s；奇偶校验，无；数据位，8位；停止位，1位。init_val()是对接收到的数据进行转存，为了提高接收速率，把接收到的数据先暂存到外部SRAM中。如果程序量较小也可以选择暂存到芯片内部的RAM（64 KB）中，等接收完毕后再对其进行解析。send_data()用于向串口回送烧写工作的信息。

图3 Main函数流程
下一步就是要对映像文件进行解析并正确地写入外部Flash中。嵌入式程序通过编译器生成的映像文件是elf格式的axf文件，里面有文件头、段信息等信息，不能直接烧录，一般将它转化为bin或者hex文件。这里将嵌入式程序编译成SRecord十六进制文件。这是一种Motorola公司推出的标准文件格式，用来将数据从PC机传送到目标平台Flash，在嵌入式开发中广为应用。SRecord文件格式如下：

其中，SID表示当前记录的类型，常见的有S0、S1、S5和S9等，各个类型代表的意义不同，如S9所在语句表示文件的结束；数据长度代表本句后面数据的长度；地址的字节数会因不同的S记录而异，一般为2字节，表示的是后面的数据在存储器中的地址。
一个S记录的长度不会超过78字节，所以每次读数据的长度设为78字节，通过判断文件类型（如S3为0x5333）的标志位来确定一个S记录的开始。解析过程就是根据SID确定数据长度，截取数据部分，传递要写入Flash中的地址。
最后一步就是如何将数据写入Flash。不同类型Flash存储器的编程与擦除指令也不太一样。本系统使用的是Hyundai公司生产的HY29LV160。
向Flash存储器的特定寄存器写入地址和数据命令,就可对Flash存储器进行烧写、擦除等操作。编程指令只能使“1”变为“0”,而擦除命令则可使“0”变为“1”,因此正确的操作顺序是先擦除、后编程。当Flash被擦除后读出的数据应为0xff。写指令编程如下：
*((volatile uint16 *)start_addr + addr_unlock1)=data_unlock1;
start_add为Flash起始地址,addr_unlock1为0x555,//data_unlock1为0xaaaa
*((volatile uint16 *)start_addr +addr_unlock2)= data_unlock2;
//addr_unlock2为0x2aa,data_unlock2为0x5555
*((volatile uint16 *)start_addr +addr_unlock1)= setup_write;
//setup_write为0xa0a0
*to_add=data_pra;//写入数据
应在每个单元烧写命令发出后进行检测,以保证前一个单元烧写结束后再进行下一个存储单元的烧写,当然也可采用延时等待的方法进行连续的烧写。
2.3 编译与执行
由于日本OKI公司的小灵通芯片ml7338是基于ARM7TDMI核，所以系统采用ARM集成开发调试环境ADS1.2，使用TechorICE仿真器。具体编译语句如下：
armlink Startup.o main.o
-rw-base 0x10000000
-first Startup.o(vectors)//中断向量表位于映像头部
-o loader.axf
-info totals
其中，0x10000000是ml7338内部RAM的起始地址，编译完成后生成loader.axf文件。
需要注意的是，要固化的代码应转化为SRecord文件。可在编译器下ARM fromELF﹥Output format中选择Motorola 32 bit Hex,或者使用以下编译语句处理：
>fromelfnodebug filename.axfm32 filename.txt
以上两种方式都将产生SRecord文件。通过仿真器把烧写程序下载到ml7338的内部RAM中,运行后即可固化PC端通过串口工具发送过来的应用程序代码。固化完成后拔掉仿真器，当系统复位或上电后Flash存储器被映射到起始地址0x0处,装入的可执行映像文件即可得到执行。
结语
本文所写的烧写程序虽然是针对小灵通芯片ml7338的，但是已经把它拓展到了基于ARM的32位嵌入式系统，开发人员只需对框架略做修改即可编写自己的烧写程序。整个系统采用ARM汇编语言和C语言开发，因此可以方便地移植,而且对编写基于网口的监控程序也具有重要的参考价值。
参考文献
[1] 杜春雷. ARM体系结构和编程[M].北京：清华大学出版社,2003.
[2] OKI.ML733801 Baseband LSI for PHS,2006-05-29.
[3] 孙昊,曹玉强,杜秀芳.ARM处理器启动代码的分析与编程[J]. 工业控制计算机,2005(11): 54-55.
[4] 李驹光. ARM应用系统开发详解[M].北京：清华大学出版社,2004.
陈建明（研究生），主要研究方向为多媒体通信与技术；
章坚武（博士后、教授），主要研究方向为移动通信与个人通信
唐兵（研究生），主要研究方向为通信网络与终端技术。