如何通过网络接口实现DSP片外Flash在线系统编程

摘要：文章针对传统设计采用RS232作为数据传输手段而造成的速度过慢的问题，设计了一种通过网络接口，使用一种特殊的UDP包对BF531片外Flash在线系统编程的方案，并给出了在系统编程的具体步骤和实现结果。实践证明该方法无须实现TCP/IP协议栈，速度快，体积很小，很好地解决了以DSP为核心的应用系统软件的维护和升级问题。
关键词：BF531；Flash；网络接口；ISP；UDP
 
　　在以DSP为核心的现代电子设备中，通常将可执行代码存放在Flash中，设备启动的时候，DSP通过引导加载机制将Flash中的代码转移到高速存储器中运行。Flash在系统编程（ISP）是指以在不改变硬件环境的条件下，在线将程序代码（固件）下载到Flash中，从而方便地实现系统软件的调试和升级。BF531是ADI公司生产的一款高性能DSP。ADI公司在其软件VDSP下提供了通用的在系统编程工具“Flash Programmer”，但是该工具需要使用JTAG接口，并且需要专用仿真器。另外一种方法是采用RS232作为通信接口，通过一段引导程序来进行Flash的在系统编程，缺点是速度很慢。由于目前大多数电子仪器都已经具有网络接口，本文设计了一种通过网络接口进行Flash在系统编程的方案。采用的网络接口芯片为常见的DM9000a，由于网络通信中常见的TCP/IP协议栈过于庞大，本文中未使用协议栈，而是设计了一种简单的实现方法：直接构建含特殊标记头的UDP广播包来代替。
　　一、BF531的Flash启动加载过程
　　LDR文件是最终烧写到FLASH上面的程序文件，可以有多种格式。这里，我们生成的LDR文件是二进制格式，LDR文件分为多个块，每个块都分为一个“BLOCK”和一个10字节的“HEAD”。在“HEAD”中，头四个字节表示块应加载在BF531地址空间的地址，后四个字节表示“BLOCK”的大小，最后两个字节表示块的属性。
　　BF531芯片本身已经提供了4种启动代码加载方式，通过启动模式引脚BMODE来选择，本设计中将该引脚设置为最常见的“01”模式，即“从8/16位的FLASH/PROM启动”模式。
　　BF531内部有一个BOOTROM区，用以存放“引导核”， BF531启动的时候会先运行该引导核，自动将从Flash起始地址0x2000000开始的LDR文件分块按照用户的要求分别加载到片内RAM和SDRAM中。加载完毕后，引导核会修改程序指针PC，使之为片内RAM的启动地址0xFFA08000，启动用户自己的应用程序。
　　
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二、总体设计
　　需要设计一个Bootloader程序和一个与之配合的上位机程序，并将Bootloader烧在地址0x20000000处。DSP启动后，“引导核”会自动启动该程序，Bootloader程序延时判断上位机是否发出了连接命令。如果有，进入更新固件模式，可以进行Flash的烧写；否则，则进入正常启动模式，用以加载并执行用户程序。
　　（一）Bootloader与用户程序
　　根据上面所述，启动的顺序是：“引导核”自动启动Bootloader，运行完成后再加载运行用户程序。所以Bootloader程序应该独立于用户程序，因为Bootloader一般不需要更新，而且，在系统编程出现意外的时候，不会导致Bootloader被破坏。由于Bootloader需要在启动的时候就运行，所以应该事先通过JTAG使用仿真器将其烧写到地址0x20000000处。而对于常用的Nor Flash，编程的时候会先把相应的整个扇区擦除，所以为了方便编程，应该使用户程序的LDR文件的起始烧写地址固定，并且为一个扇区的起始地址，本设计中固定为0x20004000。
　　（二）网络通信协议设计
　　嵌入式仪器一般资源都比较少，所以Bootloader体积应该设计的尽量的小。最常用的网络通信协议为TCP/IP协议栈，虽然功能强大，但是体积过于庞大。考虑Bootloader只需要网络接口完成最简单的通讯功能，而且通信量很小，本文设计了一种简单的方法：直接构建含特殊标记头的UDP广播包。
　　详细的实现方法：上位机端发送数据的时候，在普通的UDP包的“payload”区加上一个自定义字符串的“标记头”，并定义为广播包，发送。Bootloader端接受时采用“杂散模式”接受，直接分析网络芯片DM9000A接受到的数据，如果发现是UDP包并且具有自定义字符串的“标记头”，则接受，否则，抛弃。相反，Bootloader端发送数据的时候，按照UDP包标准格式直接手动填充一个完整的UDP广播包，并加上“标记头”，上位机接受的时候，按正常接收方式，即可根据“标记头”判断是否是Bootloader传出来的包。
　　三、Bootloader设计
　　如图1所示，Bootloader功能上可以分为4个模块，主控制模块，数据通信讯模块，Flash操作模块，用户程序加载启动模块。Bootloader运行的时候，先向上位机发出握手请求，等待1秒，如果有握手回应信号则证明有上位机相连，Bootloader进入命令等待状态，如果没有，则直接进入用户程序加载启动模块。当一个完整的上位机命令被接收到后，Bootloader解析命令，并执行相应的功能。执行完相应的功能后会再发出握手请求（除非命令为退出命令），等待上位机握手，周而复始。
　　（一）主控制模块
　　实现功能：实现Bootloader与上位机的握手，解析并执行上位机发出的命令，并总体控制各个模块。
　　（二）数据通信模块
　　实现功能：控制网络控制芯片DM9000A进行数据输入和输出。主要需要实现数据接收功能，数据发送功能，DM9000A芯片的初始化和复位功能。
　　[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0424/fontbr />　本设计中采用了上文中已经叙述的特殊的网络通信方式。设计数据发送函数时，先定义一个UDP的标准广播包的模版，在UDP包的“payload”区开始的地方添加好自定义的“标记头”，发送的时候直接在该模版的“payload”区后上加入准备传送的数据，通知DM9000A发送即可，为了避免计算校验位造成速度减慢，本设计中将UDP头的校验位设置为0，即不校验。设计数据接收函数时，只需要先读取“payload”的头几个字节，判断是否为定义的“标记头”，如果是，则去掉该“标记头”和UDP包的头，获得真正需要的数据，如果不是，则抛弃。
　　（三）Flash操作模块
　　实现功能：实现一些常用的操作Flash功能接口函数，供主控制模块使用。主要需要实现的功能函数有：Flash写函数，Flash读函数，Flash块擦除函数，Flash解锁函数，Flash校验函数。
　　普通的nor Flash编程前需要将相应的扇区解锁并擦除，所以如果该扇区有别的数据，会被一并擦除。为了能自由地编程任意地址的数据，本设计中特别定义了一个1个块大小的缓冲区，暂存原Flash块里面的数据，编程的时候将更新数据和原数据进行合并再后在一起编程进入Flash，解决了该问题。
　　（四）用户程序加载启动模块
　　实现功能：完成类似BOOTROM区“引导核”的工作，即加载起始地址为0x20004000的用户程序LDR文件到片内RAM或SDRAM，然后清空所有相关堆栈和寄存器，最后修改PC指针为0xFFA08000，开始执行用户程序，所以该程序应该使用汇编编写。ADI在VDSP下提供“引导核”的示例程序，可以参考该程序设计本模块。需要注意的是本模块绝对不能被加载的用户程序覆盖掉，所以不能把这段程序放到片内RAM，而应该把这段程序放在SDRAM的最后，保护起来。
　　四、上位机设计
　　本设计中上位机在Windows XP操作系统下采用NI公司的Labwindows/CVI 8.0开发设计，如图2所示。需要实现通过UDP包与Bootloader的通信和程控面板的显示。由于CVI8.0自身没有带UDP相关驱动，需要加入Windows的API库wsock32.lib进行开发。调用该库进行SOCKET编程，设计好UDP的读、写、打开、关闭函数。在设计发送/接收函数的时候应该加上或去掉定义的“标记头”。　五、实现结果
　　本设计已经在使用DSP芯片BF531和网络控制芯片DM9000A的目标板上成功实现。完整的实现步骤如下：先将Bootloader生成LDR文件，再将其通过仿真器烧写到0x20000000，使用交叉双绞线将目标板与电脑相连接，在电脑上打开上位机，给目标板上电，此时上位机与目标板进行握手，如果成功，面板会显示“已经成功连接目标板”，选择需要烧写的用户程序的LDR文件和烧写地址，点击开始烧写即可。
　　六、结语
　　本文提出了一种通过特殊的UDP广播包进行Flash的在系统编程的方法，并成功实现。该方法抛弃了TCP/IP协议栈，因而大大的减小了自身的体积，而且采用网络接口，使系统编程的速度得到了极大的提升。很好地解决了目标系统的系统程序升级和调试的问题。
参考文献
 [1]Analog Devices，Inc．ADSP-BF533 Blackfin Processor Hardware Reference，2007．
 [2]Analog Devices，Inc．VisualDSP++4.5 Loader and Utilities Manual，2006．
 [3]Analog Devices，Inc．ADSP-BF533 Blackfin Booting Process，2006．
 [4]Lvzhiyong．Auto-load and auto-update the DSO’s software，2007．
　　[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0424/fontbr />