Bootloader技術(shù)在數(shù)字信號(hào)控制器中的應(yīng)用

摘  要: 介紹了Boot loader(引導(dǎo)加載)技術(shù)的原理， 著重討論了M icroch ip公司的DSPIC30F系列數(shù)字信號(hào)控制器( DSC)的Boo tloader程序的編寫及F lash存儲(chǔ)器運(yùn)行時(shí)自編程( RTSP)技術(shù)的原理， 并實(shí)現(xiàn)了電子皮帶秤控制儀表程序的在線自編程升級(jí)。

1  引  言

當(dāng)前， 隨著MCU、DSP等高性能集成電路的廣泛應(yīng)用， 大部分電子設(shè)備需要對(duì)用戶程序進(jìn)行升級(jí)以達(dá)到完善、豐富系統(tǒng)功能的目的。但目前對(duì)這類設(shè)備的程序升級(jí)大多采用開(kāi)發(fā)人員攜帶編程工具到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作的方式， 這樣做給系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和維護(hù)造成很大困難。針對(duì)這一問(wèn)題提出一種基于dsPIC30系列芯片應(yīng)用Bootloader技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶程序在線自編程升級(jí)的方法， 從而達(dá)到了用戶程序升級(jí)時(shí)無(wú)須下載器， 操作簡(jiǎn)單、快捷的目的。

2  Boo tloader的原理

Bootloader相當(dāng)于PC主板上的B IOS， 是最底層的引導(dǎo)軟件。Boo tloader是一段固化在嵌入式系統(tǒng)目標(biāo)系統(tǒng)ROM或者是諸如FLASH 等非易失存儲(chǔ)器中的一段程序， 它的主要作用就是引導(dǎo)操作系統(tǒng)或用戶程序的運(yùn)行。系統(tǒng)上電后Boo tloader將首先接管系統(tǒng)， 在進(jìn)行一些最基本的上電自檢后， Bootloader將對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行初始化， 為引導(dǎo)操作系統(tǒng)作好準(zhǔn)備， 接下來(lái)， Bootloader需要將操作系統(tǒng)的代碼拷貝到主存儲(chǔ)器的特定地址， 最后Boot loader將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)， 由操作系統(tǒng)完成接下來(lái)的工作；在不含操作系統(tǒng)的系統(tǒng)中， Bootloader可以完成這樣一些操作: 分配程序存儲(chǔ)空間； 重新映射復(fù)位和中斷向量； 將程序代碼從片外加載到程序區(qū)， 執(zhí)行時(shí)再將代碼加載到RAM 中以便快速執(zhí)行； 檢測(cè)是否需要下載新的用戶代碼， 若需要?jiǎng)t通過(guò)某種通信方式接收新代碼并將其寫入指定程序存儲(chǔ)空間中， 若不需要， 則執(zhí)行原有用戶代碼。

在嵌入式領(lǐng)域中， Bootloader是嚴(yán)重地依賴于硬件的， 因此想要建立一個(gè)通用的Bootloader 幾乎是不可能的。以dsPIC30F系列數(shù)字信號(hào)控制器為例，深入討論在該系列芯片中編寫B(tài)oot loader程序的方法， 這種方法同樣適用于一些其它類型的微控制器。

3  Bootloader的操作模式

大多數(shù)Bootloader 都包含兩種不同的操作模式: “啟動(dòng)加載 ”模式和“下載”模式， 這兩種模式的定義如下:

啟動(dòng)加載( Boot Load ing)模式: 這種模式也稱為  自主 ( AutONomous)模式。也即Bootloader從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上將用戶程序加載到RAM 中運(yùn)行， 整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有用戶的介入。這種模式是Boo tloader的正常工作模式。

下載( Dow nloading) 模式: 在這種模式下， 目標(biāo)機(jī)上的Bootloader將通過(guò)串口等通信手段從PC 機(jī)下載文件， 比如: 下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等。從PC機(jī)下載的文件通常首先被Bootloader保存到目標(biāo)機(jī)的RAM中， 然后再被Bootloader寫到目標(biāo)機(jī)上的FLASH類固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中。Boo tloader的這種模式通常在系統(tǒng)程序更新時(shí)使用。工作于這種模式下的Boot loader通常都會(huì)向它的終端用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單的接口。

4  dsPIC30F系列芯片簡(jiǎn)介

M icroch ip公司推出的dsPIC30F 系列數(shù)字信號(hào)控制器( DSC)可以靈活地運(yùn)行一個(gè)常駐FLASH 的引導(dǎo)加載程序( Bootloader Prog ram )實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶程序的在線自編程升級(jí)?？梢允褂萌魏慰捎玫臄?shù)據(jù)接口和相關(guān)協(xié)議讀取代碼， 然后將代碼寫入(編程)到FLASH 存儲(chǔ)器中， 從而實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備在線自編程升級(jí)程序代碼的目的。dsPIC30F系列數(shù)字信號(hào)控制器的Boo tloader程序需要自行編寫， 并且可以通過(guò)SPI、UART等各種數(shù)據(jù)接口來(lái)接收PC 機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。顯然， 采用了串口( RS232 方式) 與PC 機(jī)進(jìn)行通信最為方便。

5  dsPIC30F系列芯片F(xiàn)LASH 存儲(chǔ)器的運(yùn)行時(shí)自編程( RTSP)

dsPIC30F系列數(shù)字信號(hào)控制器內(nèi)部包含了用于執(zhí)行用戶代碼的FLASH 存儲(chǔ)器。用戶可以使用兩種方法對(duì)此存儲(chǔ)器編程:a運(yùn)行時(shí)自編程( Run-T ime Self Programm ing， RTSP )； b 在線串行編程( In- C ircu it Serial Programm ing， ICSP)。其中RTSP方式是由用戶軟件執(zhí)行的， 允許用戶代碼修改閃存程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容， 是實(shí)現(xiàn)用戶程序在線自編程升級(jí)的基礎(chǔ)。

dsPIC30F系列芯片對(duì)FLASH 存儲(chǔ)器的運(yùn)行時(shí)自編程是通過(guò)表指令TBLWT、TBLRD 和NVM 寄存器實(shí)現(xiàn)的。FLASH 存儲(chǔ)器是由行和板構(gòu)成的。每行由32 條指令( 96 字節(jié)) 組成。通常， 每個(gè)板由128行組成( 4K # 24條指令)。RTSP可以讓用戶每次擦除一行( 32條指令)以及一次編程32條指令。

程序存儲(chǔ)器的每個(gè)板包括能夠保存32條編程數(shù)據(jù)指令的寫鎖存器。這些鎖存器不是存儲(chǔ)器映射的。

用戶訪問(wèn)寫鎖存器的惟一方法是使用寫表指令。在實(shí)際編程操作前， 必須先用寫表指令將待寫數(shù)據(jù)裝入板寫鎖存器。待編程入板的數(shù)據(jù)通常是按以下順序裝入寫鎖存器的: 指令0， 指令1， 依此類推。所有的32位寫鎖存器必須在編程操作期間寫入， 以確保覆蓋保存在鎖存器中的舊數(shù)據(jù)。

RTSP編程的基本步驟是先建立一個(gè)表指針， 然后執(zhí)行一系列TBLWT 指令以裝入寫鎖存器。編程是通過(guò)將NVMCON 寄存器的特殊位置1 進(jìn)行的。

需要將32條TBLWTL和32 條TBLWTH 指令裝入四條指令。如果需要對(duì)多個(gè)不連續(xù)的程序存儲(chǔ)器區(qū)進(jìn)行編程， 應(yīng)該為每個(gè)區(qū)域和下一個(gè)要寫入的一組寫鎖存器修改表指針。

6  Bootloader程序編寫

6. 1  dsPIC30F系列器件存儲(chǔ)空間的分配

在編寫B(tài)ootloader程序之前， 我們必須首先了解芯片的程序存儲(chǔ)空間分配情況。dsPIC30F 系列芯片包含144K字節(jié)的FLASH 程序存儲(chǔ)空間， 尋址范圍為0x0000100~ 0x017FFE， 圖1 ( a)為dsPIC30F系列芯片的程序存儲(chǔ)器地址映射情況。

0x00~ 0x03地址單元是復(fù)位向量； 0x04~ 0xFE地址單元是中斷向量表和后備中斷向量表( IVT /A IVT) ； 在其后的0x100~ 0x17FFE單元為48K指令字的用戶閃存程序存儲(chǔ)器。原則上， Boot loader程序可以放在整個(gè)程序空間中的任何位置， 但是為了簡(jiǎn)單方便、具有通用性和盡量減少對(duì)用戶程序的影響，本設(shè)計(jì)使用了0x100 ~ 0x4FE 的一段程序存儲(chǔ)器( Boo tloader程序與用戶程序的代碼總量不能超過(guò)144KB)。Bootloader程序后面便可存放用戶程序，但是受到FLASH 存儲(chǔ)器頁(yè)的限制， 用戶程序不可緊跟在Boo tloader程序之后， 它必須從下一個(gè)FLASH存儲(chǔ)器頁(yè)的開(kāi)始處(如0x500) 存放， 如圖1 ( b) 所示。

圖1 程序存儲(chǔ)器地址映射

6. 2  . hex文件的解析

當(dāng)dsPIC30F系列數(shù)字信號(hào)控制器的程序編寫完成之后， 利用開(kāi)發(fā)平臺(tái)MPLAB IDE編譯后會(huì)生成一個(gè). hex 文件， 將這個(gè). hex 文件燒寫到FLASH 存儲(chǔ)器中系統(tǒng)才能運(yùn)行， 因此要完成的任務(wù)就是將這個(gè). hex 文件下載到目標(biāo)系統(tǒng)中。如果直接從PC 端將. hex 文件中的全部?jī)?nèi)容發(fā)送給下位機(jī)， 就需要Boot loader程序來(lái)解析提取要寫入存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)， 這樣做勢(shì)必加大Boo tloader程序代碼長(zhǎng)度， 也會(huì)影響整個(gè)Boo tloader過(guò)程的時(shí)間， 因此本設(shè)計(jì)采用在PC機(jī)端程序解析. hex 文件的方法。為了正確地將這個(gè). hex文件下載到下位機(jī)中必須對(duì). hex 文件有一個(gè)比較深入的了解。. hex文件的格式如下:

: BBAAAATTHHHH……HHCC

BB: 二位16 進(jìn)制值， 表示該幀數(shù)據(jù)的字節(jié)長(zhǎng)度。

AAAA: 四位16 進(jìn)制值， 表示隨后數(shù)據(jù)的起始地址， 該地址為字節(jié)地址。

TT: 二位16進(jìn)制值， 表示數(shù)據(jù)幀類型(   00 : 數(shù)據(jù)幀；   01 : 結(jié)束幀；   04 : 擴(kuò)展地址幀)。

HH: 16進(jìn)制值， 表示具體的數(shù)據(jù)， 即具體程序代碼。

CC: 二位16進(jìn)制的校驗(yàn)碼， 使該幀全部以二位16進(jìn)制相加后總和為0。

一個(gè). hex 文件可分為5部分代碼: 復(fù)位向量代碼、程序代碼、中斷向量代碼、后備中斷向量代碼和結(jié)束代碼， 除結(jié)束代碼僅含結(jié)束幀外， 其余各部分代碼都由擴(kuò)展地址幀和數(shù)據(jù)幀組成， 其中僅數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)了用戶程序信息。因此PC 機(jī)端程序僅保留擴(kuò)展地址幀和數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容并按順序進(jìn)行發(fā)送即可， 下位機(jī)接收數(shù)據(jù)后根據(jù)擴(kuò)展地址幀可以直接將用戶代碼寫入FLASH 存儲(chǔ)器相應(yīng)的地址單元中， 從而提高了整個(gè)Bootloader的效率。

6. 3  dsPIC30F器件. g ld文件的修改

Bootloader程序運(yùn)行時(shí)， 需要讀出用戶程序中預(yù)先設(shè)置好的一個(gè)延時(shí)值(本設(shè)計(jì)為1s) 作為下位機(jī)等待PC 機(jī)發(fā)送升級(jí)命令的周期， 還要指定用戶程序起始地址以便Boot loader程序執(zhí)行完畢后可以繼續(xù)執(zhí)行用戶程序。為了滿足這兩個(gè)要求， 必須修改用戶程序的鏈接文件( . g ld文件)， 以指定用戶程序的起始地址和Bootloader 程序的延時(shí)周期。對(duì)于. g ld文件的具體修改如圖2所示。

圖2  . g ld文件的修改。

6. 4  Boot loader程序流程：

系統(tǒng)上電復(fù)位后， 在完成各種初始化配置后首先判斷0x500地址單元中值是否為0xFF， 如果是，則說(shuō)明系統(tǒng)從未下載過(guò)用戶程序， 系統(tǒng)會(huì)一直運(yùn)行Boot loader程序等待PC 機(jī)發(fā)送下載命令； 如果0x500中的值不是0xFF， 則說(shuō)明系統(tǒng)中已經(jīng)下載過(guò)用戶程序了， 這時(shí)候根據(jù)0x500中的值來(lái)設(shè)置定時(shí)器T imer2的初值并開(kāi)始計(jì)時(shí)， 如果UART2 在指定的自舉周期內(nèi)未接收到PC 機(jī)發(fā)來(lái)的下載命令(說(shuō)明系統(tǒng)不需要下載程序)， 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳出Boo tloader程序而去運(yùn)行已有的用戶代碼， 如果UART2在自舉周期內(nèi)接收到了下載命令， Boo tloader程序會(huì)進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)等待PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖3所示。

圖3  程序流程圖。

如前文所述， PC 機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)是從. hex 文件中提取的， PC機(jī)首先發(fā)送擴(kuò)展地址部分， 下位機(jī)接收保存后會(huì)繼續(xù)等待接收32個(gè)指令字( 96字節(jié))并保存到RAM 中， 然后根據(jù)接收到的地址擦除FLASH 存儲(chǔ)器中的1行， 擦除FLASH 是通過(guò)調(diào)用匯編函數(shù)E raseMem來(lái)進(jìn)行的， 函數(shù)原型如下:

mov# 0x4041, NVMCON ; 使NVMCON 寄存器為擦除FLASH模式

mov # 0x55, W 0

movW0, NVMKEY

mov # 0xAA, W0

movW 0, NVMKEY ; 將0x55、0xAA 寫入密鑰寄存器

bsetNVMCON, #WR ; 開(kāi)始擦除

nop

nop

return

擦除FLASH存儲(chǔ)器的一行后需要把接收到的32個(gè)指令字寫入到FLASH 存儲(chǔ)器寫鎖存器中， 這一過(guò)程可以通過(guò)函數(shù)W riteLatch 實(shí)現(xiàn)， 函數(shù)原型如下:

movW0, TBLPAG ; 寫表寄存器

tb lw tlW3, [W1]

tb lw thW2, [W1] ; 寫入鎖存器

return

這一步完成之后就可以將接收到的32個(gè)指令字寫入FLASH 存儲(chǔ)器了， 其方法與擦除FLASH 類似， 寫完一行后向PC 機(jī)發(fā)送應(yīng)答。待FLASH 存儲(chǔ)器全部寫完之后， PC 機(jī)會(huì)發(fā)送表示結(jié)束下載的命令， 下位機(jī)接收后退出Boo tloader程序， 進(jìn)入新的用戶程序繼續(xù)運(yùn)行， 從而完成整個(gè)在線自編程過(guò)程。

7  結(jié)束語(yǔ)

dsPIC30F 系列數(shù)字信號(hào)控制器應(yīng)用Boot loader實(shí)現(xiàn)用戶程序在線自編程升級(jí)的方法具有很高的應(yīng)用價(jià)值， 尤其是應(yīng)用于自主開(kāi)發(fā)的工業(yè)自動(dòng)化儀表時(shí)給用戶程序的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)帶來(lái)了極大的方便。該方法已經(jīng)成功用于電子皮帶秤控制儀表系統(tǒng)中， 達(dá)到了提高系統(tǒng)軟件升級(jí)的更換效率、降低升級(jí)費(fèi)用、提高產(chǎn)品制造商對(duì)用戶的服務(wù)質(zhì)量滿意度的目的。方法雖然僅以dsPIC30F系列芯片為例， 但對(duì)于M icrochip公司生產(chǎn)的其它系列芯片只要略加修改同樣適用。