基于MSP43F149系列單片機(jī)的IAP功能設(shè)計(jì)

TI公司的MSP430系列單片機(jī)是具有很高實(shí)用性價(jià)值的產(chǎn)品，在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，特別是它的超級(jí)低功耗特性，是目前所有其他單片機(jī)無法比擬的。IAP(InApplication Programming)是用戶自己的程序在運(yùn)行過程中對(duì)用戶Flash的部分區(qū)域進(jìn)行燒寫，目的是為了在產(chǎn)品發(fā)布后可以方便地通過預(yù)留的通信口對(duì)產(chǎn)品中的固件程序進(jìn)行更新升級(jí)。

　　要實(shí)現(xiàn)IAP功能，通常需要在設(shè)計(jì)固件程序時(shí)編寫兩個(gè)項(xiàng)目代碼：第一個(gè)項(xiàng)目程序不執(zhí)行正常的功能操作，而只是通過某種通信管道(如USB、USART、一些無線設(shè)備)接收程序或數(shù)據(jù)(可執(zhí)行HEX文件)，執(zhí)行對(duì)第二部分代碼的更新；第二個(gè)項(xiàng)目代碼才是真正的功能代碼。這兩部分項(xiàng)目代碼同時(shí)燒錄在用戶Flash中，當(dāng)芯片上電后，首先是第一個(gè)項(xiàng)目代碼開始運(yùn)行，再去更新第二段代碼。

　　根據(jù)IAP的特性，以及MSP430系列沒有自帶IAP功能的特點(diǎn)，必須自行編寫IAP程序來進(jìn)行片內(nèi)Flash的燒寫，這樣才能達(dá)到升級(jí)的目的。以下將詳細(xì)介紹如何進(jìn)行IAP升級(jí)設(shè)計(jì)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體構(gòu)想是，通過無線的方式，將需要升級(jí)的二進(jìn)制文件直接下載到相應(yīng)的地址空間，然后讓單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行IAP升級(jí)。

　　這里的重點(diǎn)是要編寫一個(gè)“螞蟻搬家”代碼，因?yàn)樗皇窃贛SP4 30F149片內(nèi)Flahs區(qū)里運(yùn)行的，而是在設(shè)定的RAM區(qū)運(yùn)行。RAM空間有限，所以用匯編代碼編寫(推薦，也可以用C語言寫，然后再精簡(jiǎn)為匯編語言)，不能有堆棧的操作，代碼不能超過2 KB。

　　1 硬件設(shè)計(jì)

　　(1)系統(tǒng)主芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　首先簡(jiǎn)單介紹一下MSP430F149的內(nèi)部存儲(chǔ)地址結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，這樣有助于對(duì)它進(jìn)行IAP的升級(jí)設(shè)計(jì)。

　　由圖1可以看出，ROM和RAM同一個(gè)地址空間，尋址空間為64 KB，采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，使用一組地址數(shù)據(jù)總線，地址為0000H～FFFFH，RAM地址區(qū)域?yàn)?200H～09FFH，代碼區(qū)ROM為1000H～FFFF。

　　(2)外擴(kuò)的Flash芯片結(jié)構(gòu)

　　為了能夠?qū)⒁?jí)的文件(一般是IAR編譯出來后，要經(jīng)過第三方軟件換為二進(jìn)制文件)先保存在一個(gè)地方，系統(tǒng)必須外擴(kuò)1片F(xiàn)lash(當(dāng)然也可是其他介質(zhì))。由于MSP430F149系列單片機(jī)的SPI接口有2個(gè)，因此選擇了具有SPI接口的Flash芯片，如SST25VF016(16 Mb)等系列。該芯片電壓為2．7～3．6 V，剛好符合MSP系列單片機(jī)低功耗電壓的要求，操作指令非常簡(jiǎn)單。外擴(kuò)Flash硬件框圖如圖2所示。根據(jù)保存數(shù)據(jù)的要求，可以設(shè)計(jì)為多片，使保存的空間更多。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)好存放升級(jí)文件的首地址和該文件的大小。在MSP430F149系列中，該文件一般大小為64 KB。

　　(3)存儲(chǔ)空間地址劃分

　　為了能詳細(xì)清晰的說明，可以把HEX文件保存在SST25VF016的開頭地址上，即地址從0x000000～0x010000即可。當(dāng)然也可以根據(jù)項(xiàng)目要求，自定義空間地址。

　　2 通信傳輸

　　對(duì)于如何將編譯好的可執(zhí)行文件(BIN文件)從第三方下載到相應(yīng)的外擴(kuò)存儲(chǔ)空間里，這里主要推薦幾款無線遠(yuǎn)程升級(jí)方案：

　?、贌o線GPRS方案，優(yōu)點(diǎn)是可以遠(yuǎn)程控制下載；缺點(diǎn)是GPRS需要收費(fèi)，而且是一卡對(duì)應(yīng)一設(shè)備(在即將解決費(fèi)用問題的同時(shí)，這也許是未來發(fā)展的趨勢(shì))。

　?、诩t外線方案，現(xiàn)在很多的PDA都帶有該功能，在該單片機(jī)的系統(tǒng)加接一個(gè)紅外模塊，并且在PDA上寫個(gè)小軟件，就可以輕松地將升級(jí)文件下載到外擴(kuò)的Flash指定的位置；缺點(diǎn)是需要人員到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

　?、鬯{(lán)牙技術(shù)方案，這個(gè)技術(shù)和紅外線技術(shù)類似，優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸沒有方向性，速度較紅外線快得多。

　　其他不一一介紹，希望讀者能有更多的升級(jí)方案。為了簡(jiǎn)要說明，這里用紅外線方案作為下載升級(jí)軟件的媒體介質(zhì)，其他無線或者有線的媒體介質(zhì)，其原理都一樣，讀者可以根據(jù)自己的項(xiàng)目自行選擇。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　首先假設(shè)已經(jīng)將要升級(jí)的文件下載到相應(yīng)的外擴(kuò)Flash中了，對(duì)于整個(gè)IAP程序的設(shè)計(jì)，分為兩個(gè)部分：第一，先編寫“螞蟻搬家”程序，即一字節(jié)一字節(jié)地從相應(yīng)的外擴(kuò)Flash地址(事先已經(jīng)定義好了)中搬移到片內(nèi)Flash中(從0x1100開始至0xFFFF)；第二，編寫引導(dǎo)程序(COPY程序)，將“螞蟻搬家”程序拷貝到相應(yīng)的RAM空間(0x0200)中，并將PC指向0x0200。系統(tǒng)升級(jí)程序流程如圖3所示。

　注意：從片外的Flash拷貝到片內(nèi)Flash中時(shí)，一定要將60 KB全部拷貝完畢，否則系統(tǒng)將為不正常。最后要開啟看門狗，復(fù)位，即PC從0x0000開始。“螞蟻搬家”程序流程如圖4所示。

　圖4中必須注意：

　?、俦仨毾裙潭ㄔ摮绦虻娜肟诘刂?，這樣引導(dǎo)程序才能將之拷貝到RAM中，大小要控制在2 KB之內(nèi)。該程序比較小，一般不超過2 KB 。

　　②必須將Flash狀態(tài)鎖住，這樣在寫的時(shí)候不容易出錯(cuò)。

　?、墼谧x取60 KB數(shù)據(jù)后，打開看門狗。IAP升級(jí)系統(tǒng)是根據(jù)看門狗不喂狗來自動(dòng)復(fù)位重啟系統(tǒng)的。

　　用戶只要根據(jù)上面的流程進(jìn)行編程，就很容易實(shí)現(xiàn)IAP升級(jí)(這里是重點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn))。引導(dǎo)程序流程如圖5所示。

　　圖5說明：聲明一個(gè)入口函數(shù)，便于外部程序升級(jí)時(shí)調(diào)用。這個(gè)引導(dǎo)程序比較簡(jiǎn)單。由于在片內(nèi)執(zhí)行，所以使用匯編語言(mov指令)很容易就可以把螞蟻搬家程序?qū)氲絉AM中。

　　由于IAR編譯出來的最終文件為*．a(chǎn)43文件，建議使用類似(HexToBin．exe)軟件將*．a(chǎn)43文件轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制文件，就可直接下載了。

　　4 注意事項(xiàng)

　　這段代碼必須在RAM里運(yùn)行，所以暫時(shí)不使用SP來“RET”。也就是說，不可以使用CALL指令，也不可以使用壓棧處理(如PUSH或者POP等指令)，所以這里將不可以開設(shè)堆棧區(qū)。通過某種無線手段執(zhí)行代碼(BIN文件)，然后根據(jù)自定義無線協(xié)議，將該可執(zhí)行代碼下載并保存到片外的Flash相應(yīng)地址空間，最后啟動(dòng)升級(jí)程序。最后通過啟動(dòng)看門狗并復(fù)位來啟動(dòng)系統(tǒng)。

　　結(jié) 語

　　通過長(zhǎng)期的實(shí)踐證明，本方案具有非常高的可靠性。這里雖然只介紹了MSP430系列產(chǎn)品的IAP升級(jí)方法，但對(duì)于其他沒有自帶IAP功能單片機(jī)的升級(jí)，其設(shè)計(jì)思路卻都一樣。這里提醒廣大的開發(fā)愛好者，對(duì)于一串串的二進(jìn)制文件數(shù)據(jù)，我們不要害怕；只要獨(dú)立思考，抓住單片機(jī)的特性，靈活應(yīng)用，只有想不到，沒有做不到。祝大家共同進(jìn)步!