關(guān)于基于自編程功能的MCU Bootloader的設(shè)計(jì)

Bootloader是在單片機(jī)上電啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的一小段程序。也稱(chēng)作固件，通過(guò)這段程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用應(yīng)用程序準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

Boot代碼由MCU啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的指令組成。這里的loader指向MCU的Flash中寫(xiě)入新的應(yīng)用程序。因此，Bootloader是依賴(lài)于特定的硬件而實(shí)現(xiàn)的，因此，在眾多嵌入式產(chǎn)品中目前還不可能實(shí)現(xiàn)通用Bootloader。

Bootloader的最大優(yōu)點(diǎn)是：在不需要外部編程器的情況下，對(duì)嵌入式產(chǎn)品的應(yīng)用代碼進(jìn)行更新升級(jí)。它使得通過(guò)局域網(wǎng)或者Intemet遠(yuǎn)程更新程序成為可能。例如，如果有5 000個(gè)基于MCU的電能表應(yīng)用程序需要更新，電能表制造商的技術(shù)人員就可以避免從事對(duì)每一個(gè)電能表重新編程的巨大工作量，通過(guò)使用Bootloader 的功能，由控制中心通過(guò)電能表抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程對(duì)5 000個(gè)電表重新編程。可見(jiàn)，Bootloader功能對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用具有十分重要的意義。

1 78K0/Fx2系列單片機(jī)簡(jiǎn)介

78K0/Fx2系列是帶CAN控制器的8位單片機(jī)，該系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子，智能儀表等領(lǐng)域。其內(nèi)置POC(可編程上電清零電路)/LVI(可編程低電壓指示器)，單電壓自編程閃存，引導(dǎo)交換功能(閃存安全保護(hù))，具有低功耗、寬電壓范圍、超高抗干擾等性能。

78K0系列單片機(jī)支持自編程(Self-programming)。所謂自編程，是指用Flash存儲(chǔ)器中的駐留的軟件或程序?qū)lash存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除/編程的方法。通過(guò)單片機(jī)的自編程功能，可以設(shè)計(jì)Bootloader程序，通過(guò)串口等通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品重新編程、在線(xiàn)升級(jí)的功能。

以μPD78F0881為例。μPD78F0881為78KO/Fx2系列中的一款44管腳單片機(jī)，內(nèi)置32 KB Flash ROM，2 KB RAM，自帶2個(gè)串行通信接口。其內(nèi)部Flash結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了方便實(shí)現(xiàn)擦除和編程，人為地將整個(gè)Flash分成若干個(gè)block，每個(gè)block 大小為1 KB。block為自編程庫(kù)函數(shù)中空白檢測(cè)、擦除、校驗(yàn)的最小單位。blockO從地址0000H開(kāi)始，程序都從0000H開(kāi)始執(zhí)行。 block0～block3共4 KB存儲(chǔ)空間為Bootloader程序存儲(chǔ)區(qū)域。block4～block31為應(yīng)用程序存儲(chǔ)區(qū)域。

為了防止Bootloader自身的升級(jí)失敗，設(shè)計(jì)了引導(dǎo)交換功能。該功能定義2個(gè)簇，即Boot cluster0和Boot cluster1。Boot clustee0為block0～block3的4 KB存儲(chǔ)空間，Boot cluster1為block4～block7的4 KB存儲(chǔ)空間。因此，實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，一般把應(yīng)用程序的開(kāi)始定義在2000H，也就是從block8開(kāi)始。

Flash地址為0000H～FFFFH。7FFFFH～FFFFH存儲(chǔ)空間為保留區(qū)域以及特殊功能寄存器區(qū)域等，用戶(hù)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行編程。

2 自編程

2.1 自編程環(huán)境

2.1.1 硬件環(huán)境

FLMDO引腳是78KO/Fx2系列單片機(jī)為Flash編程模式設(shè)置的，用于控制MCU進(jìn)入編程模式。在通常操作情況下，F(xiàn)LMDO引腳下拉到地。要進(jìn)入自編程模式，必須使FLMDO引腳置成高電平。因此，通過(guò)一個(gè)普通I/O接口控制FLMD0引腳的電平。如圖2所示。

2.1.2 軟件環(huán)境

1)使用通用寄存器bank3，自編程庫(kù)函數(shù)，需要調(diào)用通用寄存器bank3。因此，在自編程時(shí)，不能對(duì)通用寄存器bank3操作。

2)使用100 B RAM(入口RAM)作為隱藏ROM中函數(shù)的工作區(qū)，入口RAM，是Flash存儲(chǔ)器自編程樣例庫(kù)所使用的RAM區(qū)域。用戶(hù)程序需要保留著塊區(qū)域，當(dāng)調(diào)用庫(kù)時(shí)，需要指定這片區(qū)域的起始地址。入口RAM地址可以指定在FB00h～FE20h之間。

3)4～256 B RAM作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，必須是FE20H～FE83H以外的內(nèi)部高速RAM區(qū)域。

4)最大39 B RAM作為隱藏ROM函數(shù)的堆棧。

5)隱藏ROM中的函數(shù)被0000H～7FFFH中的應(yīng)用程序調(diào)用。

2.2 自編程流程

自編程功能利用自編程軟件庫(kù)完成用戶(hù)程序?qū)lash內(nèi)容的重新編程。如果在自編程的過(guò)程中有中斷發(fā)生，那么自編程將暫停來(lái)響應(yīng)中斷。中斷結(jié)束，自編程模式恢復(fù)后，自編程過(guò)程將繼續(xù)進(jìn)行。采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)78K0/Fx2自編程軟件庫(kù)，如表1所示。

自編程操作流程如圖3所示，當(dāng)單片機(jī)收到自編程執(zhí)行信號(hào)時(shí)，開(kāi)始進(jìn)入自編程模式。將FLMDO引腳設(shè)置成高電平，初始化入口RAM，為自編程庫(kù)函數(shù)開(kāi)辟空間。當(dāng)確認(rèn)FLMD0為自編程狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始檢查需要編程區(qū)域是否為空白區(qū)域。當(dāng)被編程區(qū)域不是空白區(qū)域時(shí)，先將其擦除，然后在此區(qū)域進(jìn)行編程。編程結(jié)束后進(jìn)行校驗(yàn)。若校驗(yàn)無(wú)誤，則將FLMDO引腳設(shè)置成低電平，退出自編程模式。

3 引導(dǎo)交換(boot swap)

產(chǎn)品程序的升級(jí)包括應(yīng)用程序的升級(jí)和引導(dǎo)程序(Bootloader自身)的升級(jí)。為了防止引導(dǎo)程序在升級(jí)的過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致MCU無(wú)法啟動(dòng)，設(shè)計(jì)了引導(dǎo)交換功能。以圖4說(shuō)明引導(dǎo)交換的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1)舊的Boot程序首先將新的Boot程序編程到交換引導(dǎo)簇1(Boot cluster 1)，然后設(shè)置啟動(dòng)交換標(biāo)志位，并強(qiáng)迫看門(mén)狗復(fù)位。

2)復(fù)位啟動(dòng)后，MCU看到交換標(biāo)志位，便從交換引導(dǎo)簇1處開(kāi)始啟動(dòng)。交換引導(dǎo)簇1處的新Boot程序?qū)z查交換標(biāo)志位。如果交換標(biāo)志位被置1，則新的 Boot程序?qū)⒉脸粨Q引導(dǎo)簇0(Boot cluster 0)區(qū)域，并將自身復(fù)制到交換引導(dǎo)簇O，然后將交換標(biāo)志位清零，強(qiáng)迫看門(mén)狗復(fù)位。

3)復(fù)位啟動(dòng)后，MCU看到交換標(biāo)志位被清零。又從交換引導(dǎo)簇0處開(kāi)始執(zhí)行。這樣就完成了boot程序自身的升級(jí)。即使在升級(jí)過(guò)程中遇到斷電等異常情況，在重新上電后也能重新完成Boot程序升級(jí)。有效地防止在升級(jí)過(guò)程中出現(xiàn)斷電等等異常情況而導(dǎo)致升級(jí)失敗，MCU無(wú)法啟動(dòng)的問(wèn)題，使Boot程序的升級(jí)變得安全可靠。

4 Bootloadler設(shè)計(jì)

4.1 簡(jiǎn)單的Bootloader

一個(gè)簡(jiǎn)單的Bootload包括5個(gè)元素。

1)啟動(dòng) Bootloader的信號(hào) Bootloader程序是在執(zhí)行應(yīng)用程序之前所執(zhí)行的一小段程序，當(dāng)Bootloader程序把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給應(yīng)用程序后，在MCU復(fù)位前，Bootloader程序?qū)⒉辉賵?zhí)行。因此，需要產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)觸發(fā)MCU開(kāi)始Bootloader程序。該信號(hào)可以是中斷，也可以通過(guò)串口傳送的一條指令，或者是別的程序觸發(fā)的信號(hào)。

2)執(zhí)行 Bootloader的信號(hào) 單片機(jī)程序啟動(dòng)時(shí)，MCU是裝載新的應(yīng)用程序還是執(zhí)行已經(jīng)存在的程序取決于外部信號(hào)。該信號(hào)可以是上電時(shí)的一個(gè)端口信號(hào)，用來(lái)控制MCU裝載新程序還是執(zhí)行舊程序，也可以是從串口接收到的指令等。

3)將新的代碼傳送給MCU 通過(guò)RS485、I2C、CAN或者USB傳送新的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)。因?yàn)橐獋魉偷拇a一般會(huì)超過(guò)MCU的RAM容量，因此需要一些控制數(shù)據(jù)流量的措施。一般使用XON/XOFF軟件握手協(xié)議，傳送代碼的格式一般選擇Intel hex格式。

4)Flash新代碼的自動(dòng)編程 每次MCU接收到一批新的數(shù)據(jù)，就要將其編程到正確的Flash地址。如果該地址非空白，MCU在編程前必須先擦除。一般在編程中或者編程后還需要檢查存儲(chǔ)器的內(nèi)容。

5)將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給有效的應(yīng)用程序 在接收和編程了新的代碼后，Bootloader寫(xiě)一個(gè)校驗(yàn)和或者其他唯一字節(jié)序列到一個(gè)固定的存儲(chǔ)單元。Bootloader檢測(cè)該值，如果該值存在，Bootloader就將控制權(quán)傳給應(yīng)用程序。

4.2 Intelhex格式

在線(xiàn)升級(jí)的程序代碼采用編譯器輸出的Intel hex格式文件。Intel hex文件常用來(lái)保存單片機(jī)或其他微處理器的程序代碼。它保存物理程序存儲(chǔ)區(qū)中的目標(biāo)代碼映象。一般的編程器都支持這種格式。Intel hex文件記錄中的數(shù)字都是十六進(jìn)制格式。在InteI hex文件中，每一行包含一個(gè)HEX記錄。Intel hex文件通常用于傳輸將被存于Flash或者EEPROM中的程序和數(shù)據(jù)。Intel hex由任意數(shù)量的十六進(jìn)制記錄組成。每個(gè)記錄包含5個(gè)域，它們按照?qǐng)D5所示格式排列。

每一個(gè)部分至少由2個(gè)十六進(jìn)制編碼字符組成。它們構(gòu)成1個(gè)字節(jié)。每一個(gè)部分的意義如下所述：

1)每個(gè)Intel hex記錄都由冒號(hào)開(kāi)頭，自編程的過(guò)程中以此判斷一個(gè)Intel hex記錄的開(kāi)始。

2)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代表當(dāng)前記錄中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量。

3)地址代表當(dāng)前記錄中數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)區(qū)域中的起始地址。

4)HEX記錄類(lèi)型有如下4種：00-數(shù)據(jù)記錄;01-文件結(jié)束記錄;02-擴(kuò)展段地址記錄;03-轉(zhuǎn)移地址記錄。NEC編譯器輸出的Intel hex文件中。只包含數(shù)據(jù)類(lèi)型00和01。其中O1作為自編程過(guò)程中數(shù)據(jù)結(jié)束的判定標(biāo)志。

5)數(shù)據(jù)域分用于存儲(chǔ)需要寫(xiě)入Flash中的內(nèi)容，一個(gè)記錄可以有許多數(shù)據(jù)字節(jié)。記錄中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量必須與數(shù)據(jù)長(zhǎng)度中的值相符。

6)校驗(yàn)和是取記錄中從數(shù)據(jù)長(zhǎng)度到數(shù)據(jù)域最后一個(gè)字節(jié)的所有字節(jié)總和的2的補(bǔ)碼。

根據(jù)以上說(shuō)明，必須在程序中對(duì)接收到的Inter hex文件進(jìn)行解碼，獲取數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)地址，并對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，然后將接收正確的數(shù)據(jù)編程到Flash相應(yīng)的地址上。

4.3 Bootloader設(shè)計(jì)思路

單片機(jī)收到啟動(dòng)信號(hào)后，重新啟動(dòng)程序。啟動(dòng)的時(shí)候首先執(zhí)行Boot代碼，Boot代碼檢查是否收到執(zhí)行升級(jí)信號(hào)。如果需要升級(jí)程序，則通過(guò)串口或者其他通信接口接收新的應(yīng)用程序，loader程序向單片機(jī)Flash中寫(xiě)入新的應(yīng)用程序代碼。最后通過(guò)檢查校驗(yàn)位檢測(cè)程序是否有效。如果有效，則 Bootloader將CPUMCU控制權(quán)交給應(yīng)用程序。整個(gè)升級(jí)過(guò)程完成。Bootloader執(zhí)行過(guò)程如圖6所示。

需要注意的是Bootloader自身的更新和應(yīng)用程序的更新還需區(qū)別處理。通過(guò)辨別接收到數(shù)據(jù)的編程地址來(lái)判斷是Bootloader更新還是應(yīng)用程序更新。若編程地址從0000H開(kāi)始，則為Bootloader更新。Bootloader更新則需要執(zhí)行引導(dǎo)交換(boot swap)功能;若為應(yīng)用程序更新，自編程結(jié)束后，直接將CPU交給應(yīng)用程序。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了 78KO/FC2系列μPD78F0881單片機(jī)的自編程功能以及Bootloader的設(shè)計(jì)方法。具體描述了通過(guò)單片機(jī)串口對(duì)相應(yīng)的應(yīng)用程序通過(guò) Bootloader進(jìn)行升級(jí)。此版本的Bootloader使用晶振20 MHz，通過(guò)串口Uart60，設(shè)置波特率為115 200，在μPD78F0881單片機(jī)上成功實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)應(yīng)用程序的升級(jí)更新。在接下來(lái)的工作中，Bootloader的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)面向更多的通信接口。例如，通過(guò)CAN總線(xiàn)接口升級(jí)，通過(guò)USB接口升級(jí)等等。Bootloader技術(shù)的開(kāi)發(fā)和廣泛應(yīng)用，必將成為嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要部分，為網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)，特別是后期維護(hù)、升級(jí)帶來(lái)極大的便利。