揭曉遠(yuǎn)程升級(jí)單片機(jī)程序如何設(shè)計(jì)

單片機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，在某些情況下，單片機(jī)內(nèi)部程序的升級(jí)在所難免，但是往往需要對(duì)單片機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行收回才能實(shí)現(xiàn)，這樣在一些遠(yuǎn)程設(shè)備的程序升級(jí)問(wèn)題上就顯得非常不方便。但是有些遠(yuǎn)程設(shè)備本身留有遠(yuǎn)程通訊的方式：例如某些遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊，為了把數(shù)據(jù)上報(bào)總會(huì)留有通訊的接口，比如422、485甚至 GPRS或者局域網(wǎng)接口;又或者某些車(chē)載定位設(shè)備，為了和監(jiān)控中心通訊會(huì)留有GSM、CDMA或者GPRS等通訊方式。在這種情況下就可以利用其現(xiàn)有的通訊方式對(duì)其內(nèi)部單片機(jī)程序進(jìn)行升級(jí)而不需要收回產(chǎn)品。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，遠(yuǎn)程IAP升級(jí)MCU的程序是一項(xiàng)非常有用的功能。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)程序問(wèn)題或者需要更新程序時(shí)，只需要在服務(wù)器上對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，不需要在有專(zhuān)門(mén)的人員去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行升級(jí)，節(jié)省人力物力。

要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級(jí)，首先要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)基本功能：

1、Flash讀寫(xiě)。不管是本地IAP還是遠(yuǎn)程IAP，這都是最基本的功能。

2、無(wú)線通訊?？赏ㄟ^(guò)WIFI、4G、以太網(wǎng)等多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求選擇。

3、通訊協(xié)議。常用的通訊協(xié)議有TCP、HTTP、FTP、MQTT等。其中HTTP、FTP和MQTT都屬于應(yīng)用層協(xié)議，都是基于TCP(傳輸層)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用戶(hù)也可以自己基于TCP編寫(xiě)簡(jiǎn)單的通訊協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。

遠(yuǎn)程IAP與本地IAP的設(shè)計(jì)思路是一致的，都需要設(shè)計(jì)BOOT程序和APP程序。但也有一些需要注意的地方。主要是遠(yuǎn)程升級(jí)需要考慮網(wǎng)絡(luò)延遲甚至網(wǎng)絡(luò)中斷的問(wèn)題。

本文的主要內(nèi)容就是來(lái)研究這種遠(yuǎn)程升級(jí)單片機(jī)程序的方法。

由于近年來(lái)凌陽(yáng)科技的單片機(jī)，尤其是16位單片機(jī)，得到了越來(lái)越多的推廣，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。本文選取一種常見(jiàn)的凌陽(yáng)科技的16位單片機(jī)SPCE061A為例，來(lái)介紹單片機(jī)程序遠(yuǎn)程升級(jí)的方法。

SPCE061A里內(nèi)嵌了32K字的閃存(FLASH)，即可以作為程序存儲(chǔ)空間又可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并且有自讀寫(xiě)任意閃存地址的能力，本文利用這一功能，提出了通過(guò)在單片機(jī)中駐留BootLoader程序的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)程序的遠(yuǎn)程升級(jí)。

遠(yuǎn)程升級(jí)的實(shí)現(xiàn)，需要單片機(jī)自身的響應(yīng)同時(shí)還需要遠(yuǎn)程服務(wù)器提供升級(jí)所需的代碼。下文將通過(guò)這兩個(gè)方面來(lái)分別介紹。

2.單片機(jī)程序

2.1 工作原理

為了使單片機(jī)可以響應(yīng)遠(yuǎn)程升級(jí)，這里采用了在單片機(jī)里預(yù)設(shè)Bootloader程序的方法。

BootLoader是一段引導(dǎo)程序，它駐留在單片機(jī)中，當(dāng)單片機(jī)上電/復(fù)位后在用戶(hù)程序之前先運(yùn)行。它運(yùn)行后先判斷當(dāng)前是否需要進(jìn)入升級(jí)狀態(tài)。如果不需要升級(jí)，就直接運(yùn)行Flash中原有的程序;如果需要升級(jí)，首先擦除舊的程序，然后從串口接收用戶(hù)程序，同時(shí)寫(xiě)入Flash中。

在單片機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)收到預(yù)先設(shè)置的升級(jí)指令時(shí)，即結(jié)束當(dāng)前任務(wù)，修改升級(jí)標(biāo)志位，然后自動(dòng)復(fù)位轉(zhuǎn)入BootLoader程序;當(dāng)BootLoader程序檢驗(yàn)到升級(jí)標(biāo)志位時(shí)即可進(jìn)行升級(jí)。在單片機(jī)正常啟動(dòng)、復(fù)位時(shí)，由于有標(biāo)志位的作用，不會(huì)受到影響。

BootLoader程序可以從多種方式獲取數(shù)據(jù)，包括485、422、GPRS、CDMA、網(wǎng)口、串口等等;雖然各種獲取方式不同，但是在 BootLoader的設(shè)計(jì)上都大致相同，而且GPRS、GSM和CMDA等通訊方式都是使用串口;485、422等通訊方式與串口類(lèi)似。為了節(jié)省篇幅，本文就以串口為例進(jìn)行介紹。

在BootLoader設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要注意下面方面問(wèn)題：一是精簡(jiǎn)問(wèn)題，為了使得用戶(hù)程序可以獲得最大的程序空間，就需要BootLoader程序盡可能的簡(jiǎn)短;再一個(gè)是中斷問(wèn)題：BootLoader應(yīng)盡量不使用中斷，以避免對(duì)用戶(hù)程序的影響;還有就是標(biāo)志位的問(wèn)題，標(biāo)志位的應(yīng)該不受復(fù)位的影響，在本設(shè)計(jì)中，選取了單片機(jī)FLASH中的一個(gè)字節(jié)。

2.2設(shè)計(jì)思路

單片機(jī)系統(tǒng)上留有一個(gè)半串口通過(guò)232芯片與PC機(jī)的串口相連接。當(dāng)單片機(jī)上電或者復(fù)位后BootLoader開(kāi)始運(yùn)行，并通過(guò)訪問(wèn)升級(jí)標(biāo)志位來(lái)確定定當(dāng)前是否需要進(jìn)入升級(jí)狀態(tài)。如果沒(méi)有升級(jí)標(biāo)志，就直接運(yùn)行Flash中原有的程序;反之，則轉(zhuǎn)入升級(jí)子程序，把從串口接收到的程序代碼寫(xiě)入Flash 中。圖1表示了BootLoader主程序的流程。

升級(jí)子程序中，為保證接收到的數(shù)據(jù)是正確的，避免將錯(cuò)誤的程序?qū)懭氲叫酒?，本文提出的方法采取了固定的?shù)據(jù)格式，并且采取了反復(fù)確認(rèn)的方法。圖2 表示了升級(jí)子程序的流程。在指令格式的選取上，本文采用了Motor S37格式，并在其基礎(chǔ)上加上了確認(rèn)機(jī)制，其具體格式將在PC機(jī)程序一段做詳細(xì)介紹。

2.3 FLASH的擦寫(xiě)方法

SPCE061A是一個(gè)用閃存替代掩膜ROM的MTP(多次編程)芯片，具有32K字(32K*16bit)閃存容量。用戶(hù)可用閃存來(lái)存儲(chǔ)用戶(hù)程序。為了安全起見(jiàn)，不對(duì)用戶(hù)開(kāi)放整體擦除功能。

此外，為保證程序的正確編寫(xiě)，用戶(hù)必須在編程之前擦除頁(yè)的內(nèi)容。頁(yè)大小為0x100。第一頁(yè)地址范圍：0x8000~0x80FF，最后一頁(yè)的地址范圍：0xFF00~0xFFFF。0xFC00~0xFFFF范圍內(nèi)的地址由系統(tǒng)保留，用戶(hù)最好不要用本范圍內(nèi)的地址。 32K字的內(nèi)嵌式閃存被劃分為128個(gè)頁(yè)(每個(gè)頁(yè)存儲(chǔ)容量為256個(gè)字)，它們?cè)贑PU正常運(yùn)行狀態(tài)下均可通過(guò)程序擦除或?qū)懭搿?

閃速存儲(chǔ)器芯片的編程操作是自動(dòng)字節(jié)編程，既可以順序?qū)懭耄部芍付ǖ刂穼?xiě)入。編程操作時(shí)注意芯片的編程時(shí)間參數(shù)。Flash程序空間為 0x8000—0xFFFF，F(xiàn)lash命令用戶(hù)接口地址為0x7555。第一頁(yè)范圍是[0x8000—0x80FF]，最后一頁(yè)[0xFF00— 0xFFFF]。1. 擦除一頁(yè)流程是：先給命令用戶(hù)接口地址0x7555里送0xAAAA，然后再給命令用戶(hù)接口地址0x7555里送0x5511，再后給要擦除頁(yè)地址送任意數(shù)，約20ms即可完成擦除操作，然后可以執(zhí)行其它操作。例如擦除第6頁(yè)[0x8500—0x85FF]流程如下：

(1)0x7555 ?0xAAAA(2) 0x7555?0x5511(3) 0x85XX?0xXXXX (其中X為任意值) 2. 寫(xiě)入一個(gè)字流程是:先給命令用戶(hù)接口地址0x7555里送0xAAAA,然后再給命令用戶(hù)接口地址0x7555里送0x5533,再后給要寫(xiě)入字地址送數(shù)據(jù),約40us即可完成寫(xiě)入操作,然后可以執(zhí)行其它操作。例如向0x8000單元寫(xiě)入0xffff流程如下：(1)0x7555?0xAAAA (2) 0x7555?0x5533 (3) 0x8000?0xffff 3. 寫(xiě)多個(gè)字流程是：

先給命令用戶(hù)接口地址0x7555里送0xAAAA，然后再給命令用戶(hù)接口地址0x7555里送0x5544，然后給要寫(xiě)入字首地址送數(shù)據(jù)，約40us即可完成1個(gè)字寫(xiě)入操作。再給命令用戶(hù)接口地址0x7555里送0x5544，給要寫(xiě)入字地址送數(shù)據(jù)，等待40us即可，循環(huán)操作，即可完成多字的寫(xiě)入。

3. PC機(jī)程序

為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)程序的正確下載，需要有PC機(jī)程序配合，以提供升級(jí)程序的代碼。PC機(jī)程序主要負(fù)責(zé)解釋和發(fā)送Motor S37格式的程序代碼，并完成與單片機(jī)進(jìn)行代碼傳輸?shù)姆磸?fù)確認(rèn)以保證程序的正確下載。

3.1 Motor S37 格式

凌陽(yáng)單片機(jī)的程序代碼可以是被編譯成Motor S37格式和TSK兩種格式。本文中所選取的代碼格式是Motor S37格式。為了解釋Motor S37格式的代碼，就要先來(lái)看看它的格式，見(jiàn)表1。

字段內(nèi)容詳細(xì)介紹

記錄類(lèi)型表示文件記錄的開(kāi)始，記錄類(lèi)型有下列規(guī)定：

ASCII碼 S3-數(shù)據(jù)記錄;ASCII碼 S7-記錄結(jié)束符。

記錄長(zhǎng)度規(guī)定了包括地址、數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)和字段的記錄長(zhǎng)度。8位的記錄長(zhǎng)度值被轉(zhuǎn)換成兩個(gè)ASCII字符碼，高位在前。

裝入地址這是由二進(jìn)制地址碼轉(zhuǎn)換成的8個(gè)ASCII字符碼，在此地址開(kāi)始裝入文件記錄。其順序依次為：

高字中的高字節(jié)中的高位數(shù)，高字中的高字節(jié)中的低位數(shù)，

高字中的低字節(jié)中的高位數(shù)，高字中的低字節(jié)中的低位數(shù)，

低字中的高字節(jié)中的高位數(shù)，低字中的高字節(jié)中的低位數(shù)，

低字中的低字節(jié)中的高位數(shù)，低字中的低字節(jié)中的低位數(shù)，

本字段在記錄結(jié)束時(shí)給出記錄的起始地址，或者連續(xù)的8個(gè)0的ASCII字符碼。

數(shù)據(jù)文件中實(shí)際的數(shù)據(jù)也被轉(zhuǎn)換為每每?jī)蓚€(gè)ASCII字符碼字節(jié)，高位在前。在出現(xiàn)記錄結(jié)束符時(shí)意味著數(shù)據(jù)字節(jié)記錄結(jié)束。

檢驗(yàn)和它是關(guān)于記錄長(zhǎng)度、裝入地址及數(shù)據(jù)字段的總和;是以1的補(bǔ)碼形式由一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成的兩個(gè)ASCII字符碼，也是高位在前。

表1 Motor S37 格式的代碼文件格式

下面我們以一段實(shí)際的Motor S37 格式的代碼來(lái)具體說(shuō)明Motor S37 格式。

S31500010022237041941193227009B34000455E1BD798

S30B0001FFFA3B803B800980FB

S307000100000000F7

S70500000000FA

這段代碼是從實(shí)際的程序代碼中截取出來(lái)的幾句。前面幾行是以S3開(kāi)頭，表示數(shù)據(jù)記錄;最后一行以S7開(kāi)頭，表示結(jié)尾。S3或者S7后面跟著的兩位是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，都是以16進(jìn)制表示，15即表示十進(jìn)制的20，其長(zhǎng)度表示的是此行里8位數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。后面的8個(gè)ASCII碼是裝入地址，這里要注意的是凌陽(yáng) SPCE061A是16位單片機(jī)，而S37文件中的地址是以8位來(lái)計(jì)算的，所以地址都要除2來(lái)計(jì)算實(shí)際地址。如第一行中的00010022，其在單片機(jī)中的實(shí)際地址是0x8011。地址的后面是數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)表示也是按照8位來(lái)表示的，需要轉(zhuǎn)換到單片機(jī)中的16位。拿第一行來(lái)舉例，原來(lái)應(yīng)寫(xiě)在 0x00010022上的0x23和寫(xiě)在0x00010023上0x37，就應(yīng)改為寫(xiě)到0x8011上的0x3723。

3.2 確認(rèn)機(jī)制

為了進(jìn)一步的保證程序升級(jí)的可靠性，本文在Motor S37的基礎(chǔ)上又加上了確認(rèn)機(jī)制。即在單片機(jī)收到數(shù)據(jù)后，回傳一遍數(shù)據(jù)，然后等待PC機(jī)確認(rèn);當(dāng)PC機(jī)確認(rèn)數(shù)據(jù)正確后，發(fā)送ACSII碼S1作為ACK信號(hào);否則發(fā)送S2作為DCK信號(hào)。確認(rèn)機(jī)制犧牲了系統(tǒng)的效率，但是提高的可靠性，本文建議在一些鏈路狀況較差的環(huán)境加上確認(rèn)機(jī)制。

3.3 程序的偏移量

此處要說(shuō)明的是，由于BootLoader代碼占用了一定的程序空間，真正的用戶(hù)代碼的存放要從啟動(dòng)代碼后開(kāi)始，這就需要在編譯程序的時(shí)候設(shè)置好偏移量，使得用戶(hù)代碼存儲(chǔ)在BootLoader代碼之后。在凌陽(yáng)IDE184中，偏移量可以在 Project->Setting->Section(如圖3)中設(shè)置。圖中所示是設(shè)置了256字的偏移量，即0x100。因?yàn)? SPCE061A的程序空間是從0x8000開(kāi)始，所以下圖中代碼段的起始地址為0x8100。

圖3 偏移量的設(shè)置

針對(duì)本文的實(shí)現(xiàn)方法，把偏移地址設(shè)置在了0x8500，也就是說(shuō)BootLoader運(yùn)行后會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)0x8500處的代碼。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所介紹的設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)效果良好。在選取某些不穩(wěn)定鏈路作為數(shù)據(jù)獲取方式時(shí)或者是復(fù)位可能對(duì)鏈路造成影響的情況下，例如GPRS鏈路，為了進(jìn)一步提高程序升級(jí)的可靠性，系統(tǒng)還可以外擴(kuò)RAM，在系統(tǒng)復(fù)位之前下載全部的升級(jí)程序代碼到RAM中，然后再?gòu)?fù)位啟動(dòng)直接改寫(xiě)程序空間。