PIC18單片機的一種新穎的Bootloader設計

引言
    Bootloader是操作系統(tǒng)在內核運行之前運行的一段小程序，其功能主要是完成軟硬件設備初始化，建立內存空間映射，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，或者加載操作系統(tǒng)映像文件實現系統(tǒng)軟件升級。針對PIC18系列單片機，目前市面上僅存在HI-TECH公司提供的Bootloader程序，并且需要借助串口調試助手。本文基于Microchip公司的MPLAB軟件開發(fā)環(huán)境設計了一種新穎的Bootloader，并配套編寫了PC機端上位機界面程序。其特點是控制靈活，使用便利，系統(tǒng)升級安全可靠。

1 Bootloader的實現
1．1 Bootloader的操作模式
    Bootloader在單片機上電／復位后、用戶程序之前先運行，運行后判斷當前是否需要進入升級狀態(tài)。如果不需要升級，就直接運行原有的程序；如果需要升級，首先擦除舊的程序，然后從串口接收用戶程序，同時寫入Flash中。Bootloader有2種操作模式：
    ①啟動加載模式，也稱為“內核啟動”模式。即Bootloader從目標機上的某個固態(tài)存儲設備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運行，整個過程并沒有用戶的介入。
    ②下載模式。在這種模式下，目標機上的Bootloader將通過串口、網絡連接或者USB等，從上位機下載操作系統(tǒng)文件，然后保存到目標機上的Flash類固態(tài)存儲設備中。Bootloader的這種模式通常在第一次安裝內核與根文件系統(tǒng)時被使用，此外，以后的系統(tǒng)更新也會使用Bootl-oader的這種工作模式。
    本文設計的Bootloader同時支持這兩種工作模式，一開始啟動時處于正常的啟動加載模式，但并不立即啟動進入內核，而是提示延時3 s，上位機用戶如果發(fā)送某些信息給目標機，則切換到下載模式，否則繼續(xù)啟動內核。
1．2 Intel HEX文件
    Intel HEX文件是由一行行符合Intel HEX文件格式的文本所構成的ASCII文本文件。在Intel HEX文件中，每一行包含一個HEX記錄。這些記錄由對應機器語言碼和／或常量數據的十六進制編碼數字組成。每個記錄包含5個域：數據長度域，它代表記錄當中數據字節(jié)的數量；地址域，它代表記錄當中數據的起始地址；代表HEX記錄類型的域；數據域，它代表一個字節(jié)的數據，一個記錄可以有許多數據字節(jié)，記錄當中數據字節(jié)的數量必須和數據長度域中指定的數字相符；校驗和域，它表示這個記錄的校驗和，通過將記錄當中所有十六進制編碼數字對應的值相加，模除256，所得余數的補碼即校驗和。
1．3 Bootloader的設計
    本文所設計的Bootloader程序采用的編譯器是MPLAB軟件開發(fā)環(huán)境的mcc18編譯器，升級文件格式為Intel HEX格式。根據Intel HEX文件的格式，將文件內容的每一行封裝成一幀，加上幀頭和幀尾以確保數據傳輸的可靠性，并采用半雙工的通信模式，對錯誤幀進行重傳。
    主程序代碼如下：

    主程序流程如圖1所示。下載系統(tǒng)映像文件并寫入程序存儲器的程序流程如圖2所示。

1．4 PC端操作界面的設計
    PC端操作界面主要用來實現以下幾個功能：
    ①串口參數設置。設置串口通道號、數據位數、波特率等參數。
    ②用戶登錄。輸入用戶名、密碼，與下位機進行驗證。
    ③選擇系統(tǒng)映像文件。選擇系統(tǒng)映像HEX文件，逐行讀入并通過串口發(fā)送給下位機，如有錯誤重新選擇。
    ④提示用戶系統(tǒng)更新完成(或失敗)。顯示系統(tǒng)更新進度，提示用戶系統(tǒng)更新結果。

2 設計中的幾項關鍵技術及注意事項
    ①如果一次性將HEX文件中全部數據通過串口發(fā)送給目標芯片，則在通信過程中發(fā)生一字節(jié)的錯誤傳輸，就將導致全部數據需要重新發(fā)送；并且還要考慮到芯片的寫Flash處理速度與串口速率的大小關系，否則將導致接收數據的丟失。為加強通信的可靠性與串口速率的可變性，本文所設計的Bootloader采用半雙工的通信模式與上位機進行通信：以HEX文件的一行作為一幀數據，每幀數據校驗結束后向上位機發(fā)送回復數據，上位機根據回復數據判斷發(fā)送數據幀的正誤來選擇重發(fā)或繼續(xù)發(fā)送下一幀；并且在進行升級之前與上位機通信進行用戶名和密碼的核對，以確保當前的升級操作不是誤操作。
    ②對PIC18系列的程序存儲器的寫操作每次寫入8字節(jié)的塊，并且程序Flash單位寫入只能由1變?yōu)?。但是HEX文件的內容并不是按照需要生成的，每幀的數據長度可以不同，相鄰幀的地址域的內容也可以不同。為此，在對程序存儲器進行寫操作時，需要根據地址域內容將數據域內容以8字節(jié)為單位合并成數據塊，不足8字節(jié)的要填充0xFF。本文所設計的Bootloader程序采用一個環(huán)形Buffer的結構體來實現這一操作：

③芯片的默認中斷向量的起始是0x08和0x18，這是不能改變的，要想改變中斷向量入口地址就要在這兩個地址位置添加跳轉指令，以跳轉到用戶程序的中斷向量入口地址。PIC18系列的程序存儲器的部分地址區(qū)域具有寫保護性，為防止此區(qū)域之外的Bootloader程序被擦除或改寫，需要對接收數據的地址域內容進行判斷。如果小于用戶程序起始地址，則需要向上位機回復“寫地址錯誤”，并丟棄當前數據幀。

結語
    實驗證明，本文設計的Bootloader功能穩(wěn)定，且控制方便，可根據用戶的需要靈活改變。譬如，在用戶程序中添加系統(tǒng)復位機制即可實現在線升級，為PC端操作界面添加網絡下載模塊即可實現遠程控制系統(tǒng)升級，這對于嵌入式產品的發(fā)布和軟件升級極其重要。