基于ARM處理器的IAP功能實現(xiàn)配變監(jiān)測終端程序遠程更新的
摘要： 本文介紹了基于LPC2378的IAP功能實現(xiàn)配變監(jiān)測終端程序遠程更新的方法，并將LZW壓縮算法應用于程序更新中。該產(chǎn)品投入運行一年多以來，取得了良好的運行效果。此項技術(shù)具有一定普遍性，略加修改可以應用到其他同類產(chǎn)品中。
Abstract：
Key words :
關(guān)鍵字：LPC2378 IAP功 配變監(jiān)測
1 LPC2378芯片介紹
LPC2378是一款基于ARM7TDMI-S的32位處理器。它具有512 KB的片內(nèi)Flash程序存儲器、32 KB的靜態(tài)RAM(SRAM)，以及在系統(tǒng)編程(In-System Programming，ISP)和在應用編程(In-Application Program-ming，IAP)功能。由于程序?qū)?nèi)存需求比較大，所以外擴了一片64 KB的SRAM。
通常，程序的下載可通過3種方式實現(xiàn)：
①采用嵌入式實時操作系統(tǒng)。該方法加大了系統(tǒng)對存儲容量的要求，增加了硬件和軟件成本。
②采用增加外控制燒錄系統(tǒng)的方法。該方法同樣增加了系統(tǒng)的復雜度和成本，且降低了系統(tǒng)本身的可靠性。
③采用IAP技術(shù)。該方法充分利用芯片本身的功能，不增加外圍器件，是一種最佳的實現(xiàn)方案。
1.1 LPC2378的FIash扇區(qū)
IAP命令以“扇區(qū)”為單位進行操作，操作時需要指定扇區(qū)號。LPC2378的扇區(qū)分布如表1所列。IAP、ISP和RealMonitor程序都位于Boot區(qū)，Boot區(qū)位于地址0x000TE000～0x0007FFFF處。IAP命令不允許對Boot扇區(qū)執(zhí)行寫／擦除／運行操作。
1.2 LPC2378的IAP功能
IAP程序是Thumb代碼，位于地址0x7ffffff1。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：
# define IAP_ENTER_ADR 0x7ffffff1
定義函數(shù)類型指針：
Typedef void(* IAP)(uint32[ ]，uint32[ ])
IAP iap_entry；
設置函數(shù)指針：
Iap_entry=(IAP) IAP_ENTER_ADR；
使用下面的語句來調(diào)用IAP：
Iap_entry(command，result)；
IAP功能主要通過調(diào)用iap_entry()函數(shù)來實現(xiàn)。IAP命令和定義的函數(shù)如表2所列。
在進行片內(nèi)Flash修改時，首先需要讀取器件的ID和Boot代碼命令版本；確認無誤后，選擇準備編程的扇區(qū)；然后擦除扇區(qū)并執(zhí)行扇區(qū)查空，將RAM內(nèi)容復制到Flash中；最后進行RAM內(nèi)容與Flash的比較，檢查是否復制成功。
2 遠程更新的實現(xiàn)
2.1 程序分區(qū)
軟件開發(fā)采用ADS1.2集成開放環(huán)境。ADS全稱為ARM Developer Suite，是ARM公司推出的ARM集成開發(fā)工具。在ADS鏈接選項ARM Linker中選擇Scattered方式后，通過修改．scf文件可以將程序編譯成應用程序和更新程序兩部分。其中，應用程序占用0～21扇區(qū)，用于實現(xiàn)終端的功能；更新程序占用22～27扇區(qū)，在終端出廠后不再進行修改。當進行程序更新時，利用IAP功能對應用程序部分進行擦除改寫，以實現(xiàn)終端應用程序的更新。鏈接用的．scf文件定義如下：
在．scf文件中，RO表示程序代碼數(shù)據(jù)內(nèi)容，RW和ZI表示該程序部分中定義的通用數(shù)據(jù)變量和需進行零初始化的數(shù)據(jù)變量。ROM_MAIN部分主要包括應用程序部分和其定義的數(shù)據(jù)。ROM_EXEC是應用程序的代碼區(qū)域，位于片內(nèi)Flash，地址從0開始。IRAM中是程序運行的堆棧，位于片內(nèi)RAM中。ERAM是應用程序定義的數(shù)據(jù)變量，位于片外RAM中。LOADER部分是更新程序的代碼區(qū)域，位于片內(nèi)Flash，地址從0x78000開始。程序編譯、鏈接完成后，ADS會生成兩個名為ROM_MAIN和LOADER的十六進制文件。在需要程序更新時，主站將完成二進制提取的ROM_MAIN文件通過有線或無線的方式發(fā)送給終端，終端全部收到后調(diào)用更新程序進行程序更新。但由于提取完的二進制文件仍然比較大，需要對其進行壓縮，以降低通信費用。
2.2 程序更新的實現(xiàn)方法
程序運行流程如圖1所示。終端在程序啟動時，先檢查是否需要程序更新，如果不需要則正常進入main()函數(shù)運行。在運行過程中，當遇到主站發(fā)過來的壓縮程序包時，首先需要對壓縮程序包進行檢查，如果無誤，則將其存到對應位置的外部Flash中。當收到主站的程序更新命令時，終端需要對接收到的全部壓縮程序包進行檢查，確認無誤后置位程序更新標志，保存當前數(shù)據(jù)并復位。當終端程序再次啟動，發(fā)現(xiàn)有程序更新標志時，則調(diào)用更新程序。在更新程序中，首先從外部Flash中取出壓縮的程序包，然后對其進行解壓縮，并將壓縮后的程序復制到對應的內(nèi)部Flash扇區(qū)中。當所有的壓縮程序包都解壓復制后，清除程序更新標志，然后復位。終端再次啟動后，運行的就是更新之后的應用程序了。
2.3 解壓縮算法在更新程序里的實現(xiàn)
在程序編譯、鏈接完后，對應用程序生成的ROM_MAIN．hex文件進行二進制提取。雖然可以使文件大大減小，但所生成的文件仍然很大，需要進一步壓縮。本文采用LZW壓縮算法對其進行壓縮，LZW(Lempel-Ziv-Welch)壓縮算法是一種串表式無損壓縮技術(shù)，支持流式解壓縮，可以根據(jù)內(nèi)存大小選擇合適的最大字典串長。表3顯示了對ROM_MAIN．hex文件(940 KB)進行二進制提取，以及提取后對其進行LZW壓縮各階段的文件大小。
當需要進行程序更新時，將壓縮后的文件發(fā)送給終端。終端收到全部程序壓縮包并確認無誤后，進行復位并調(diào)用更新程序。在更新程序中，由于內(nèi)存的限制，每次從外部Flash讀取1 024字節(jié)進行解壓縮。當解壓出的字節(jié)數(shù)達到512時，調(diào)用IAP功能函數(shù)，并將這512個字節(jié)復制到內(nèi)部Flash中，繼續(xù)進行解壓縮。之前讀取的1 024個字節(jié)解壓完畢后，再重新從外部Flash進行讀取解壓，直到對應用程序完全解壓并復制完為止。
結(jié) 語
本文介紹了基于LPC2378的IAP功能實現(xiàn)配變監(jiān)測終端程序遠程更新的方法，并將LZW壓縮算法應用于程序更新中。該產(chǎn)品投入運行一年多以來，取得了良好的運行效果。此項技術(shù)具有一定普遍性，略加修改可以應用到其他同類產(chǎn)品中。
LPC2378是一款基于ARM7TDMI-S的32位處理器。它具有512 KB的片內(nèi)Flash程序存儲器、32 KB的靜態(tài)RAM(SRAM)，以及在系統(tǒng)編程(In-System Programming，ISP)和在應用編程(In-Application Program-ming，IAP)功能。由于程序?qū)?nèi)存需求比較大，所以外擴了一片64 KB的SRAM。
通常，程序的下載可通過3種方式實現(xiàn)：
①采用嵌入式實時操作系統(tǒng)。該方法加大了系統(tǒng)對存儲容量的要求，增加了硬件和軟件成本。
②采用增加外控制燒錄系統(tǒng)的方法。該方法同樣增加了系統(tǒng)的復雜度和成本，且降低了系統(tǒng)本身的可靠性。
③采用IAP技術(shù)。該方法充分利用芯片本身的功能，不增加外圍器件，是一種最佳的實現(xiàn)方案。
1.1 LPC2378的FIash扇區(qū)
IAP命令以“扇區(qū)”為單位進行操作，操作時需要指定扇區(qū)號。LPC2378的扇區(qū)分布如表1所列。IAP、ISP和RealMonitor程序都位于Boot區(qū)，Boot區(qū)位于地址0x000TE000～0x0007FFFF處。IAP命令不允許對Boot扇區(qū)執(zhí)行寫／擦除／運行操作。
1.2 LPC2378的IAP功能
IAP程序是Thumb代碼，位于地址0x7ffffff1。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：
# define IAP_ENTER_ADR 0x7ffffff1
定義函數(shù)類型指針：
Typedef void(* IAP)(uint32[ ]，uint32[ ])
IAP iap_entry；
設置函數(shù)指針：
Iap_entry=(IAP) IAP_ENTER_ADR；
使用下面的語句來調(diào)用IAP：
Iap_entry(command，result)；
IAP功能主要通過調(diào)用iap_entry()函數(shù)來實現(xiàn)。IAP命令和定義的函數(shù)如表2所列。
在進行片內(nèi)Flash修改時，首先需要讀取器件的ID和Boot代碼命令版本；確認無誤后，選擇準備編程的扇區(qū)；然后擦除扇區(qū)并執(zhí)行扇區(qū)查空，將RAM內(nèi)容復制到Flash中；最后進行RAM內(nèi)容與Flash的比較，檢查是否復制成功。
2 遠程更新的實現(xiàn)
2.1 程序分區(qū)
軟件開發(fā)采用ADS1.2集成開放環(huán)境。ADS全稱為ARM Developer Suite，是ARM公司推出的ARM集成開發(fā)工具。在ADS鏈接選項ARM Linker中選擇Scattered方式后，通過修改．scf文件可以將程序編譯成應用程序和更新程序兩部分。其中，應用程序占用0～21扇區(qū)，用于實現(xiàn)終端的功能；更新程序占用22～27扇區(qū)，在終端出廠后不再進行修改。當進行程序更新時，利用IAP功能對應用程序部分進行擦除改寫，以實現(xiàn)終端應用程序的更新。鏈接用的．scf文件定義如下：
在．scf文件中，RO表示程序代碼數(shù)據(jù)內(nèi)容，RW和ZI表示該程序部分中定義的通用數(shù)據(jù)變量和需進行零初始化的數(shù)據(jù)變量。ROM_MAIN部分主要包括應用程序部分和其定義的數(shù)據(jù)。ROM_EXEC是應用程序的代碼區(qū)域，位于片內(nèi)Flash，地址從0開始。IRAM中是程序運行的堆棧，位于片內(nèi)RAM中。ERAM是應用程序定義的數(shù)據(jù)變量，位于片外RAM中。LOADER部分是更新程序的代碼區(qū)域，位于片內(nèi)Flash，地址從0x78000開始。程序編譯、鏈接完成后，ADS會生成兩個名為ROM_MAIN和LOADER的十六進制文件。在需要程序更新時，主站將完成二進制提取的ROM_MAIN文件通過有線或無線的方式發(fā)送給終端，終端全部收到后調(diào)用更新程序進行程序更新。但由于提取完的二進制文件仍然比較大，需要對其進行壓縮，以降低通信費用。
2.2 程序更新的實現(xiàn)方法
程序運行流程如圖1所示。終端在程序啟動時，先檢查是否需要程序更新，如果不需要則正常進入main()函數(shù)運行。在運行過程中，當遇到主站發(fā)過來的壓縮程序包時，首先需要對壓縮程序包進行檢查，如果無誤，則將其存到對應位置的外部Flash中。當收到主站的程序更新命令時，終端需要對接收到的全部壓縮程序包進行檢查，確認無誤后置位程序更新標志，保存當前數(shù)據(jù)并復位。當終端程序再次啟動，發(fā)現(xiàn)有程序更新標志時，則調(diào)用更新程序。在更新程序中，首先從外部Flash中取出壓縮的程序包，然后對其進行解壓縮，并將壓縮后的程序復制到對應的內(nèi)部Flash扇區(qū)中。當所有的壓縮程序包都解壓復制后，清除程序更新標志，然后復位。終端再次啟動后，運行的就是更新之后的應用程序了。
2.3 解壓縮算法在更新程序里的實現(xiàn)
在程序編譯、鏈接完后，對應用程序生成的ROM_MAIN．hex文件進行二進制提取。雖然可以使文件大大減小，但所生成的文件仍然很大，需要進一步壓縮。本文采用LZW壓縮算法對其進行壓縮，LZW(Lempel-Ziv-Welch)壓縮算法是一種串表式無損壓縮技術(shù)，支持流式解壓縮，可以根據(jù)內(nèi)存大小選擇合適的最大字典串長。表3顯示了對ROM_MAIN．hex文件(940 KB)進行二進制提取，以及提取后對其進行LZW壓縮各階段的文件大小。
當需要進行程序更新時，將壓縮后的文件發(fā)送給終端。終端收到全部程序壓縮包并確認無誤后，進行復位并調(diào)用更新程序。在更新程序中，由于內(nèi)存的限制，每次從外部Flash讀取1 024字節(jié)進行解壓縮。當解壓出的字節(jié)數(shù)達到512時，調(diào)用IAP功能函數(shù)，并將這512個字節(jié)復制到內(nèi)部Flash中，繼續(xù)進行解壓縮。之前讀取的1 024個字節(jié)解壓完畢后，再重新從外部Flash進行讀取解壓，直到對應用程序完全解壓并復制完為止。
結(jié) 語
本文介紹了基于LPC2378的IAP功能實現(xiàn)配變監(jiān)測終端程序遠程更新的方法，并將LZW壓縮算法應用于程序更新中。該產(chǎn)品投入運行一年多以來，取得了良好的運行效果。此項技術(shù)具有一定普遍性，略加修改可以應用到其他同類產(chǎn)品中。
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