P89C51RD2的Boot ROM與ISP功能的實現(xiàn)

1 概 述

P89C51RD2是PHILIPS公司內(nèi)核基于8位80C51單片機的派生產(chǎn)品，在完全保留80C51指令系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)的大框架下，進行了多方面的加強、擴展和創(chuàng)新，最大限度地利用了原有結(jié)構(gòu)的方方面面。P89C51RD2將原有的對外數(shù)據(jù)和程序存儲器的 16位尋址機制加以利用，把片上的RAM擴展到1KB、片上的FLASH EPROM擴展到64KB，滿足當今用嵌入式高級語言對片上大存儲容量的需要。

P89C51RD2最顯著的特點莫過于其ISP（In-System Programming，在系統(tǒng)可編程）功能和IAP（In-Application Programming，在應(yīng)用可編程）功能。ISP指電路板上的空白器件可以編程寫入最終用戶代碼，而不需要從電路板上取下器件，已經(jīng)編程的器件也可以用ISP方式擦除或再編程。IAP指MCU可以在系統(tǒng)中獲取新代碼并對自己重新編程，即可用程序來改變程序。ISP和IAP技術(shù)是未來儀器儀表的發(fā)展方向。PHILIPS公司為了使ISP技術(shù)和IAP技術(shù)得以推廣，在芯片上免費提供了Boot ROM固件，并且巧妙地解決了固件和FLASH的地址覆蓋問題及一些具體實現(xiàn)細節(jié)問題，使它們的實現(xiàn)變得簡單而現(xiàn)成。

對于Boot ROM中的內(nèi)容，PHILIPS公司是不公開的。但很多技術(shù)人員對于Boot ROM固件中ISP(IAP)功能的實現(xiàn)非常感興趣。就ISP狀態(tài)而言，上位機直接跟Boot ROM固件中的程序打交道，因此，必須根據(jù)PHILIPS公司提供的流程和協(xié)議來編制上位機程序，至于Boot ROM內(nèi)部是如何實現(xiàn)ISP功能的，則不得而知。如果能夠搞明白ISP功能實現(xiàn)的具體方法，則對于上位機軟件的編制是大有好處的。以下是對Boot ROM中有關(guān)ISP功能實現(xiàn)所作的一些初步探討。

2 Boot ROM固件代碼的讀出方法

要對其 ISP功能進行分析，必須讀出Boot ROM中的源代碼。為此，必須弄清楚Boot ROM空間和FLASH空間的關(guān)系。P89C51RD2采用了最先進的FLASH（快閃）EPROM，其容量為64KB，并且分成8KB和16KB的存儲塊。我們知道，80C51系列8位單片機的最大尋址能力就是64KB，F(xiàn)LASH EPROM已經(jīng)將全部尋址空間占據(jù)。同時，PHILIPS公司為P89C51RD2在片內(nèi)提供了一個名叫引導ROM(Boot ROM)的1KB的固件。固件上有引導裝載程序，可以接收主機經(jīng)串口傳來的命令和數(shù)據(jù)（如經(jīng)PC機的RS-232C口），這個固件是放在64KB程序存儲器的最高端的，與片內(nèi)FLASH地址0FC00H~0FFFFH相覆蓋。兩者之間的切換是通過特殊功能寄存器AUXR1的ENBOOT位來進行的。

ENBOOT=1 地址在0FC00H~0FFFFH范圍，尋址到固件
ENBOOT=0 地址在0FC00H~0FFFFH范圍，尋址到FLASH

既然當ENBOOT=1時，能夠?qū)ぶ返焦碳?，則利用程序就可以將固件代碼讀出。下面是實現(xiàn)代碼讀出時的硬件部分和軟件部分。

（1）硬件部分

為了讀出Boot ROM中的內(nèi)容，必須給P89C51RD2搭一個包括復位、晶振和串口通信功能的基本硬件系統(tǒng)，如圖1所示。ICL232為單電源串口轉(zhuǎn)換芯片，可以完成TTL電平與RS-232C電平之間的轉(zhuǎn)換。

（2）軟件編制

編制軟件的目的，是為了從Boot ROM中讀出源代碼，并送往上位機顯示。為了使用現(xiàn)成的軟件（如超級終端），程序中將讀出的二進制代碼轉(zhuǎn)換成ASCII碼，并組成HEX文件格式直接傳給上位機，這樣，將顯示的內(nèi)容存盤并反匯編，就可以對Boot ROM中的內(nèi)容進行分析。由于程序中涉及到二進制轉(zhuǎn)換成HEX文件格式，故將有關(guān)HEX文件格式的有關(guān)內(nèi)容表述如下：

HEX文件的INTEL格式，是INTEL公司提出的按地址排列的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)寬度為字節(jié)，所有數(shù)據(jù)使用十六進制數(shù)字表示，如Boot ROM從地址FC00H開始的前16個數(shù)據(jù)為（已經(jīng)轉(zhuǎn)換成ASCII碼）：

75 89 02 75 C8 30 E4 F5 CD F5 CC 30 B0 FD 20 B0（十六進制）

則轉(zhuǎn)換成HEX文件格式為：
：10FC000075890275C830E4F5CDF5CC30B0FD20B073

"："符號表明記錄的開始；后面的2個字符表明記錄的長度，這里是10H，即16個十六進制數(shù)字；后面的4個字符給出調(diào)入的地址，這里是FC00H；再后面的2個字符表明記錄的類型，00表示數(shù)據(jù)記錄，01表示記錄文件結(jié)束；再后面的16個數(shù)據(jù)即為真正的數(shù)據(jù)記錄；最后的2位73是校驗和，它加上前面所有的數(shù)據(jù)和為0。

所有HEX格式文件的最后一行為結(jié)尾行，它比較特殊，總是如下所示：
:00000001FF
讀Boot ROM代碼的主程序編制如下：
AUXR1 EQU 0A2H ；特殊功能寄存器
BOOT_ROM EQU 0FC00H ；Boot ROM的起始地址
DAT_BUFFER EQU 30H ；數(shù)據(jù)暫存器
DAT_SUM EQU 31H ；校驗和
ORG 0000H
AJMP START
ORG 0030H
START:
MOV SP,#50H
MOV SCON,#50H
MOV T2CON,#30H ；以T2作為波特率發(fā)生器
MOV TL2,#0E0H ；波特率為2400 bps
MOV TH2,#0FEH
MOV RCAP2L,#0E0H
MOV RCAP2H,#0FEH
SETB TR2 ；啟動T2
MAIN: LCALL READ_ROM ；Boot ROM內(nèi)容讀出子程序
LCALL SEND_END ；結(jié)尾行送出子程序
AJMP $

主程序中用到了兩個子程序：READ_ROM和SEND_END。

READ_ROM子程序功能：從FC00H開始將代碼讀出，將其轉(zhuǎn)變成ASCII碼并拼湊成HEX文件記錄的形式傳給上位機。

讀Boot ROM代碼所調(diào)用的子程序見本刊網(wǎng)站發(fā)表的全文。

3 Boot ROM固件的功能分析

通過對Boot ROM中的程序進行分析，可以對ISP的有關(guān)指令進行更深入的理解，在一些編程方法上也可以向國外學習。下面對ISP的有關(guān)知識點進行闡述。

3.1 關(guān)于自動確定波特率

PHILIPS給出的ISP功能的第一個步驟為：上位機向下位機發(fā)送一個大寫的英文字符"U"，供下位機確定波特率。

3.1.1 工作原理

大寫的英文字符"U"有它的特殊性，它的ASCII碼為55H，轉(zhuǎn)換成二進制為"01010101B"，也就是說它是一個"0"、"1"相間的數(shù)據(jù)，如圖2所示。如果能夠算出其一個位的傳輸時間tp，則對應(yīng)的波特率就可以計算出來。

3.1.2 tp對應(yīng)的計數(shù)值

首先看一下在Boot ROM中是如何計算一個位所對應(yīng)的計數(shù)值的。以下為Boot ROM從地址FC00H ~FC17H之間的源代碼及反匯編程序：

源代碼 反匯編程序
FC00 75 89 02 MOV TMOD,#02H ;T1工作模式2，定時器
FC03 75 C8 30 MOV T2CON,#30H ;T2工作為串行口波特
;率發(fā)生器
FC06 E4 CLR A
FC07 F5 CD MOV TH2,A
FC09 F5 CC MOV TL2,A ;T2=0000H
FC0B 30 B0 FD JNB P3.0,$ ;若P3.0=0，則等待，
;直到其變?yōu)?
FC0E 20 B0 FD JB P3.0,$ ;若P3.0=1，則等待，
;直到下降沿到來
FC11 D2 CA SETB TR2 ;啟動T2定時器
FC13 30 B0 FD JNB P3.0,$ ;若P3.0=0，則等待，
;直到上升沿到來
FC16 C2 CA CLR TR2 ;關(guān)閉T2定時器，此時
;T2中的數(shù)值為tp

首先將T2清0，然后測下降沿，測到下降沿后，開始置TR2=1，T2開始計數(shù)，等測到上升沿后，置TR2=0，停止計數(shù)，則此時T2中為傳送 1bit（低電平）的計數(shù)值。以波特率2400 bps為例，則傳送1bit所用的時間為1/2400 s，即416.67μs。P89C51RD2主頻為11.0592 MHz，再由PHILIPS公司的數(shù)據(jù)手冊可知，當T2工作于波特率發(fā)生器模式時，OSC未經(jīng)分頻直接進入T2計數(shù)器，由此可得在tp時間內(nèi)T2的理論計數(shù)值為：(T2)=0.000 416 67×110 592 00= 4608(十進制)=1200H。在這里，特別要強調(diào)的是：該數(shù)只是一個理論值。對波特率為2400 bps時的實際值進行測試，發(fā)現(xiàn)實測值為11FAH左右。不管怎樣測，實測值總是小于理論值6個數(shù)左右。這個數(shù)據(jù)為下面的波特率計算提供了重要依據(jù)。

3.1.3 波特率的計算

程序中對波特率的計算頗有特色，下面是地址FC18H~FC36H之間的源代碼和反匯編程序：

源代碼 反匯編程序
FC18 E5 CC MOV A,TL2
FC1A C4 SWAP A
FC1B 54 0F ANL A,#0FH ;取TL2高4位
FC1D F8 MOV R0,A
FC1E E5 CD MOV A,TH2
FC20 C4 SWAP A
FC21 54 F0 ANL A,#0F0H;取TH2低4位
FC23 48 ORL A,R0
FC24 F8 MOV R0,A ;組合后送入R0
FC25 E5 CD MOV A,TH2
FC27 C4 SWAP A
FC28 54 0F ANL A,#0FH ;取TH2高4位
FC2A F9 MOV R1,A
FC2B E8 MOV A,R0 ;以上程序?qū)崿F(xiàn)T2中數(shù)據(jù)除以
;16，送R1和R0保存
FC2C F4 CPL A ;低位取反
FC2D F5 CC MOV TL2,A
FC2F F5 CA MOV RCAP2L,A
FC31 E9 MOV A,R1
FC32 F4 CPL A ;高位取反
FC33 F5 CD MOV TH2,A
FC35 F5 CB MOV RCAP2H,A

上述程序就是將tp對應(yīng)值轉(zhuǎn)換成波特率的程序，先來看一下波特率是怎樣定義的。定時器2工作在波特率發(fā)生器模式，外部時鐘信號由T2腳進入，波特率為

所以程序中首先將T2中的計數(shù)值進行處理，相當于右移4位，將低4位去掉，11FAH變?yōu)?11FH，對應(yīng)式（1）中除以16，送R1和R0保存，然后將R1和R0中的值取反，其值為FEE0H。該值恰恰與根據(jù)式（1）計算出的數(shù)值相同。將該數(shù)值送T2和RCAP2，即得2400bps對應(yīng)的賦值。

3.1.4 波特率的校驗

在波特率確定以后，首先設(shè)定TR2=1以啟動波特率，并對串口控制字進行設(shè)定。然后，程序?qū)ζ溥M行校驗。方法是接收上位機的數(shù)據(jù)并以設(shè)定波特率回送該值，一方面通知上位機送出和接收的數(shù)據(jù)是否相同，如果相同，則上位機認為下位機的波特率設(shè)置正確，通信成功；另一方面程序也將接收的數(shù)據(jù)?quot;U" 的ASCII碼相對照，如果相等，則往下執(zhí)行，如果不等，則繼續(xù)重復上述過程，直到成功為止，否則進入死循環(huán)，只有程序復位才能退出。下面是其源程序與反匯編程序（FC37H至FC40H）：

源代碼 反匯編程序
FC37 D2 CA SETB TR2
FC39 75 98 52 MOV SCON,#52H ;方式1，TI=1
FC3C 91 A0 RREV0: ACALL REV_SEND0
FC3E B4 55 FB CJNE A,#55H,RREV0 ;判斷A="U"?

其中，REV_SEND0子程序的功能是接收一個數(shù)據(jù)并回傳給上位機。由上述程序可以看出，實際上要通信成功，上位機至少要向下位機發(fā)送兩個"U"：第一個用于確定波特率，另一個用于校驗波特率，并且這兩個字符之間必須隔一段時間，以便于波特率計算完畢并有效。所以，有關(guān)手冊中關(guān)于ISP第一步要發(fā)送一個"U"來確定波特率的說法本身沒有錯，但如果在編制上位機程序時，僅僅發(fā)送一個"U"是不能夠通信成功的，特提醒讀者注意。

3.2 命令字的接收

在通信成功后，就可以接收ISP的命令字了。

3.2.1 ISP命令格式說明

ISP編程由Boot ROM中的一系列引導子程序完成。這些子程序采用Intel-Hex記錄格式接收PC主機的命令和數(shù)據(jù)。Intel-Hex記錄格式上面已經(jīng)有所介紹，其命令格式為
:NNAAAARRDD…DDCC<crlf>

其中，:NNAAAA以及DDCC的含義皆與上面論述的相同，只需對"RR"作以下說明：
"RR"表示記錄類型，其中
00--數(shù)據(jù)記錄，即傳編程數(shù)據(jù)并完成編程；
01--文件結(jié)束標志；
02--指定振蕩器頻率；
03--雜項編程功能，和后面的數(shù)據(jù)相配合完成擦除、加密等功能；
04--顯示指定地址端FLASH的數(shù)據(jù)或做空白檢查；
05--各種讀功能。

3.2.2 命令字的處理

為了更容易看懂，將使用的通用寄存器和部分地址進行代換如下：
DATA_ADDRL EQU 30H
DATA_ADDRH EQU 31H
DATA_SUM EQU 32H
DATA_LEN EQU 33H
DATA_FOSC EQU 34H
DATA_MODE EQU 35H
DATA_BUFFER EQU 36H
REV_DAT_ADDR EQU 80H

　　下面來看一下Boot ROM中的源代碼與反匯編程序。

源程序 反匯編程序

FC41 75 32 00 MAIN: MOV DATA_SUM,#00H;校驗和
FC44 91 A0 ACALL REV_SEND0
FC46 B4 3A F8 CJNE A,#3AH,MAIN;判斷A=":"?
FC49 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM
FC4B 85 36 33 MOV DATA_LEN,DATA_BUFFER ;33H字節(jié)數(shù)
FC4E 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM
FC50 85 36 31 MOV DATA_ADDRH,DATA_ BUFFER ;31H數(shù)據(jù)首地址高8位
FC53 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM
FC55 85 36 30 MOV DATA_ADDRL,DATA_ BUFFER ;30H數(shù)據(jù)首地址低8位
FC58 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM
FC5A 85 36 35 MOV DATA_MODE,DATA_ BUFFER ;35H數(shù)據(jù)操作類型
FC5D E5 33 MOV A,DATA_LEN
FC5F FA MOV R2,A ;循環(huán)接收數(shù)據(jù)指針
FC60 60 09 JZ RREV3 ;字節(jié)數(shù)=0 轉(zhuǎn)RREV3
FC62 79 80 MOV R1,#REV_DAT_ADDR
FC64 91 79 RREV2: ACALL REV_DAT1_SUM
FC66 A7 36 MOV @R1,DATA_MODE
FC68 09 INC R1
FC69 DA F9 DJNZ R2,RREV2
FC6B AC 32 RREV3: MOV R4,DATA_SUM ;校驗和
FC6D 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM
FC6F EC MOV A,R4
FC70 B5 36 02 CJNE A,DATA_BUFFER,RREV4
;校驗和不等轉(zhuǎn)
FC73 81 BF AJMP RUN_MODE
FC75 74 58 RREV4：MOV A,#58H ; A="X"
FC77 81 FA AJMP SEND_DT

　　首先，對程序中用到的子程序作如下的說明。
REV_SEND0子程序：接收1個數(shù)據(jù)并回傳給上位機；
REV_DAT1_SUM子程序：接收2個ASCII字符并回傳，將2個ASCII碼合成1字節(jié)二進制數(shù)并計算校驗和；
SEND_DT：該地址執(zhí)行送字符"X"給上位機；
RUN_MODE：該地址解釋并執(zhí)行命令字。

對上段程序分析如下：首先，將校驗和單元清零，開始接收第1個ASCII碼，并判斷是否為"："。如果是，則說明是一個命令字的開始，下面便依次接收字節(jié)數(shù)DATA_LEN、數(shù)據(jù)首地址高8位DATA_ ADDRH、數(shù)據(jù)首地址低8位DATA_ADDRL和數(shù)據(jù)操作類型DATA_MODE。這跟其命令字格式是完全對應(yīng)的。然后，程序根據(jù)接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù) DATA_ LEN來決定下面的數(shù)據(jù)接收，并將接收的數(shù)據(jù)存儲在從80H開始的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中，以備下一步的處理。最后，進入校驗和的接收，將程序計算所得的校驗和與上位機傳輸?shù)男ｒ灪妥鞅容^，如果不等，回傳"X"字符，通知上位機進行異常處理；如果相等，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的命令執(zhí)行。

3.3 命令的執(zhí)行

　　命令解釋和執(zhí)行的源代碼和反匯編程序如下：

源程序 反匯編程序

FCBF E5 35 RUN_MODE: MOV A,DATA_MODE
;35H數(shù)據(jù)操作類型
FCC1 23 RL A ;A=A*2
FCC2 90 FC C6 MOV DPTR,#BASE_ADDR ;程序散轉(zhuǎn)
FCC5 73 JMP @A+DPTR
FCC6 81 D4 BASE_ADDR: AJMP PRO_DATA
;00=傳送編程數(shù)據(jù)并完成編程
FCC8 81 F8 AJMP SEND_CHAR_OK
;01=傳文件結(jié)束符
FCCA 81 FE AJMP SETUP_FOSC
;02=指定振蕩器頻率
FCCC A1 70 AJMP MPRO_DAT
;03=雜項編程功能
FCCE A1 04 AJMP READ_CHECK
;04=顯示指定地址段FLASH數(shù)據(jù)或查空
FCD0 A1 9F AJMP READ_DATA
;05=各種讀功能
FCD2 A1 B3 AJMP SETUP_BPS
;06=直接裝載波特率

　　在正確地接收命令后，通過DATA_MODE項（即命令格式中的RR）來判斷功能并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的程序。程序中對每一個跳轉(zhuǎn)地址都作出了相應(yīng)的注釋。

4 幾點說明

　?、?上述帶源代碼的程序均是Boot ROM中反匯編得來的，并且大部分是連續(xù)的。這一點可以從地址分布上看出來，讀者可以將其合并在一起看，相信可以加強理解。有興趣的讀者也可以參照以上給出的方法將全部代碼讀出，電路圖和源程序幾乎都不必重編了。

　?、?Boot ROM中既包括了ISP的程序，也包括了IAP的程序。限于篇幅，只給出了ISP的部分源程序，部分子程序只作了說明而未列出源程序。

參考文獻
1 廣州周立功單片機發(fā)展有限公司. P89C51Rx+/Rx2/66x系列單片機的在線編程
2 P89C51RB2/P89C51RC2/P89C51RD2 DATA SHEET. Philips Semiconductors, 2001 Jun 27
3 何立民. MCS-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計. 北京：北京航空航天大學出版社,1990