引 言
IAP即在應用中編程，對于嵌入式產品，指在不影響產品正常運行的情況下實現應用程序的更新。許多ARM芯片都提供該操作接口，相對于ISP(在系統編程)方式，具有方便靈活且不需要借助專用boot裝載程序或工具的特點，而且在不影響嵌入式產品正常運行的情況下即可完成應用程序的動態升級。在工業控制領域尤其是電力系統控制領域中，嵌入式產品必須保證連續、穩定、可靠地運行，由各種原因導致的應用程序的更新都必須在產品正常運行過程中完成，因此許多用戶對相關產品的IAP功能都有明確的要求。
LPC2214是Philips公司推出的一款32位ARM7TDMI-S工業用微控制器。內置25 6 KB高速Flash，128位寬度接口／加速器可以實現60 MHz的操作頻率；配置有2個UART接口、4個外部片選，支持8、16、32外部總線；片內boot下載程序可以實現在系統編程(ISP)和在應用中編程(IAP)。由于該芯片的內置Flash速度很快，并且支持128位寬度接口／加速，應用程序存儲并運行在片內Flash中可以獲得較快的執行速度。
本文提供一種基于LPC2214的在應用編程方案，可以實現應用程序方便、可靠的升級，以及當地維護串口或遠方GPRS方式的代碼更新。更新過程中，通信中斷、裝置異常復位、裝置停電等異常情況的發生，都不會導致因程序更新而造成的產品死機。
1 嵌入式產品應用程序啟動方式
在嵌入式產品中，應用程序可以運行在RAM或Flash中。對于中高端產品，由于要求較高的執行速度和效率，一般采用Coldfire、x86、PowerPC、ARM9等CPU。此類CPU一般都有DRAM控制器，支持DRAM操作，為了獲得較快的執行速度，將應用程序從代碼Flash中復制到DRAM的代碼空間后才開始執行。對于x86模式，應用程序以文件方式保存在硬盤或電子盤上。在不同的嵌入式操作系統上，應用程序在DRAM上的展開方式存在一定差異，例如VxWorks系統可以完成對壓縮應用程序的展開，而早期的PSOS操作系統則是直接展開，但其基本過程類似。
對于低端產品，由于成本的嚴格控制，在滿足產品功能需求的前提下一般采用性價比較高的CPU，如8位、16位、低端ARM等。此類CPU一般有內部RAM、內部Flash，由于采用內部高速總線，內部Flash具有較高的執行速度。在外部RAM中運行的產品，執行速度較快，但是由于啟動過程較為復雜，導致時間較長(尤其是．x86系統，啟動過程可能需要半分鐘以上)；而在Flash上直接運行的產品，即使CPU具有較高的主頻，執行速度也會受到Flash速度的限制，但是此類產品啟動較快，一般可以在幾秒鐘內完成啟動。
嵌入式產品應用程序的啟動方式決定了應用程序動態更新的方式。對于代碼在外部RAM執行的情況，正常情況下更新Flash中的代碼不會影響系統正常運行，實現起來較為簡單。例如PC104模塊，應用程序一般保存在電子盤上，以文件系統方式管理，應用程序的在線更新非常方便。對于代碼在Flash上直接執行的情況，由于應用程序正常運行過程中會不斷從Flash上讀取指令，給在線更新程序帶來一定困難，如果不借助一定手段或方法，很難保證應用程序的可靠升級。
2 硬件實現方案
本產品為電力負荷用電管理終端，用來實現對廠礦、企業、機關等電力用戶的用電監測和控制，提高用電質量。終端產品通過GPRS／CDMA無線通信接口完成與電力局遠方調度主站的信息交互。由于終端產品分散分布在一個區域的各個位置，調度主站必須通過GPRS／CDMA方式實現對終端產品應用程序的在線升級，因此產品在線升級的可靠性會對電力用戶造成很大的影響。終端產品采用圖1所示的硬件方案。考慮到LPC2214片內Flash的特點，應用程序固化在內部Flash中并在其中執行。LPC2214通過數據線、地址線與RAM、外部Flash、LCD、擴展串口芯片連接，通過串行總線與A／D轉換器通信。LPC2214本身提供的2路UART接口可以分別實現本地維護接口和GPRS／CDMA無線網絡接口，擴展串口芯片可以擴展出2路UART，實現本地紅外維護和RS485方式的抄表功能。
為了確保應用程序的在線更新，片外RAM和Flash除了滿足應用程序的正常使用外，還必須滿足應用程序更新時臨時備份代碼的需求。
3 應用程序IAP實現方案
如圖2所示，需要更新的應用程序代碼通過GPRS／CDMA無線網絡接口或本地維護接口下載到RAM的程序代碼緩存區中。經過校驗檢查正確后，導入到外部Flash的應用程序代碼區。導入成功后，設置相關標志，再通過LPC2214的IAP接口功能函數，將應用程序代碼保存到CPU內部Flash中。
由于應用程序運行在CPU內部的高速Flash上，因此產品正常運行過程中無法完成內部Flash中代碼的更新。為了解決上述問題，采用“應用boot：”的方式加以實現。將內部Flash分為2個區域：應用boot和應用程序代碼區。應用boot為一個簡單的應用程序，實現從外部Flash導入應用程序代碼以及向應用程序代碼區入口跳轉的功能。應用boot存放在CPU內部Flash的開始部分，一旦寫入后不再修改。產品上電或復位后，CPU的PC指針首先指向應用boot的入口，應用boot開始執行。一旦檢測到外部Flash中有完整的用戶代碼需要更新，則通過LPC2214的IAP接口將應用程序代碼導入到內部Flash的應用程序代碼區，并跳轉到應用程序代碼的入口處執行新的應用程序；如果沒有應用程序需要更新，boot程序會直接跳轉到當前應用程序代碼的入口處執行。
在整個應用程序在線升級過程中，應用程序代碼正常寫入片外Flash之前都不影響產品的正常運行。正確寫入片外Flash后，應用程序自動復位，然后啟動應用boot，通過應用boot將新的應用程序寫入內部Flash。經測試，該過程可以在10 s內完成，完全滿足用戶的使用要求。
4 應用boot設計
應用boot是應用代碼更新的關鍵，它不但解決了在線升級的問題，而且提供了一種異常防護機制。即使在內部Flash的應用程序代碼區寫入失敗的情況下，由于boot可以正常運行，仍然可以通過boot程序的功能重新更新應用程序。boot程序基本功能包括：內部Flash更新、向應用程序跳轉以及本地下載更新應用程序。為保證該軟件的可靠性，同時考慮硬件配置情況，采用μC／OS-II嵌入式操作系統。通過對該操作系統的合理裁剪和軟件優化，可以將boot程序代碼控制在12 KB以內，從而為應用程序代碼提供了足夠的片內Flash存儲空間。
當boot程序從內部Flash中讀取指令執行時，不能擦除該Flash。為解決該問題，boot程序執行時首先將boot程序代碼復制到RAM中，然后跳轉到RAM中執行，這樣就可以對內部Flash的應用程序代碼區進行修改操作。boot程序的啟動部分非常重要，會直接影響整個系統的運行情況。啟動代碼首先初始化CPU總線控制器；然后初始化RAM和外部Flash片選，將boot程序代碼復制到RAM中并在RAM中執行；最后初始化堆棧和基本系統后進入主程序入口。
boot程序的IAP實現，主要包括兩個接口函數：CPU內部Flash扇區的擦除和寫入。對于擦除操作，按照IAP提供的操作方式即可實現，注意發送完擦除指令后需要一段時間的延時，并借助指令檢查擦除是否成功。對于寫入操作，需要根據IAP操作的相關要求，將數據首先復制到CPU的內部RAM中；然后通過相應的IAP寫入命令將其寫入到內部Flash中；寫入操作完成后，需要進行一定的延時并檢查寫入是否成功。為了保證上述操作過程的完整性，對于μC／OS-II操作系統，需要借助OS_ENTER_CRITICAL函數進行必要的保護。
5 異常情況應對措施
對于嵌入式產品的在線升級過程，突發的在線升級過程異常中止、裝置停電或異常復位，以及更新程序代碼錯誤等情況會導致嚴重后果，而本產品的IAP在線升級方案完全解決了上述問題，可以保證產品的可靠升級。
①在線升級過程異常中止的情況。外部無線網絡或人為原因都可能導致代碼下載中斷的發生。而對于本產品，下載中止只會導致本次下載失敗，再次開始下載即可；而且由于采用了斷點續傳的軟件技術，后續下載可以從上次下載失敗處繼續進行，從而提高了下載效率。
②裝置停電或異常復位的情況。當停電或復位發生在下載到外部RAM過程中時，只會導致本次下載失敗，重新啟動裝置可以再次下載；發生在代碼從外部RAM向外部Flash導入過程中時，也只會導致本次下載失敗，不會影響產品的正常運行；發生在代碼從外部Flash向CPU內部Flash導入過程中時，內部Flash的應用程序代碼區被破壞，應用程序無法正常運行，但是boot程序可以繼續工作，可以在boot程序中完成應用程序的更新工作。
③更新程序代碼錯誤的情況。例如由于人為原因下載了一個錯誤版本的應用程序，導致產品循環異常復位無法正常運行。應用程序中加入了復位監測機制，當異常復位連續達到一定范圍時會自動進入boot程序運行狀態，可以在boot程序中完成應用程序的更新修復工作。
結 語
采用本IAP設計方案的終端產品，經過上千個用戶現場的應用程序在線升級的實際應用檢驗，完全達到了快速、穩定、可靠的使用要求。該方案為現場服務人員和用戶提供了一種簡單、可靠的產品維護手段，對于其他嵌入式產品的設計和開發也具有一定的指導和借鑒意義。