PIC18單片機(jī)的一種新穎的Bootloader設(shè)計(jì)

引言

Bootloader是操作系統(tǒng)在內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序，其功能主要是完成軟硬件設(shè)備初始化，建立內(nèi)存空間映射，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，或者加載操作系統(tǒng)映像文件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件升級。針對PIC18系列單片機(jī)，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(diào)試助手。本文基于Microchip公司的MPLAB軟件開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了一種新穎的Bootloader，并配套編寫了PC機(jī)端上位機(jī)界面程序。其特點(diǎn)是控制靈活，使用便利，系統(tǒng)升級安全可靠。

1 Bootloader的實(shí)現(xiàn)

1．1 Bootloader的操作模式

Bootloader在單片機(jī)上電／復(fù)位后、用戶程序之前先運(yùn)行，運(yùn)行后判斷當(dāng)前是否需要進(jìn)入升級狀態(tài)。如果不需要升級，就直接運(yùn)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(shí)寫入Flash中。Bootloader有2種操作模式：

①啟動(dòng)加載模式，也稱為“內(nèi)核啟動(dòng)”模式。即Bootloader從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固態(tài)存儲設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運(yùn)行，整個(gè)過程并沒有用戶的介入。

②下載模式。在這種模式下，目標(biāo)機(jī)上的Bootloader將通過串口、網(wǎng)絡(luò)連接或者USB等，從上位機(jī)下載操作系統(tǒng)文件，然后保存到目標(biāo)機(jī)上的Flash類固態(tài)存儲設(shè)備中。Bootloader的這種模式通常在第一次安裝內(nèi)核與根文件系統(tǒng)時(shí)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(shè)計(jì)的Bootloader同時(shí)支持這兩種工作模式，一開始啟動(dòng)時(shí)處于正常的啟動(dòng)加載模式，但并不立即啟動(dòng)進(jìn)入內(nèi)核，而是提示延時(shí)3 s，上位機(jī)用戶如果發(fā)送某些信息給目標(biāo)機(jī)，則切換到下載模式，否則繼續(xù)啟動(dòng)內(nèi)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(gòu)成的ASCII文本文件。在Intel HEX文件中，每一行包含一個(gè)HEX記錄。這些記錄由對應(yīng)機(jī)器語言碼和／或常量數(shù)據(jù)的十六進(jìn)制編碼數(shù)字組成。每個(gè)記錄包含5個(gè)域：數(shù)據(jù)長度域，它代表記錄當(dāng)中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量；地址域，它代表記錄當(dāng)中數(shù)據(jù)的起始地址；代表HEX記錄類型的域；數(shù)據(jù)域，它代表一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，一個(gè)記錄可以有許多數(shù)據(jù)字節(jié)，記錄當(dāng)中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量必須和數(shù)據(jù)長度域中指定的數(shù)字相符；校驗(yàn)和域，它表示這個(gè)記錄的校驗(yàn)和，通過將記錄當(dāng)中所有十六進(jìn)制編碼數(shù)字對應(yīng)的值相加，模除256，所得余數(shù)的補(bǔ)碼即校驗(yàn)和。

1．3 Bootloader的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)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(jù)Intel HEX文件的格式，將文件內(nèi)容的每一行封裝成一幀，加上幀頭和幀尾以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，并采用半雙工的通信模式，對錯(cuò)誤幀進(jìn)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(shè)計(jì)

PC端操作界面主要用來實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：
①串口參數(shù)設(shè)置。設(shè)置串口通道號、數(shù)據(jù)位數(shù)、波特率等參數(shù)。
②用戶登錄。輸入用戶名、密碼，與下位機(jī)進(jìn)行驗(yàn)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(jī)，如有錯(cuò)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(jìn)度，提示用戶系統(tǒng)更新結(jié)果。

2 設(shè)計(jì)中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及注意事項(xiàng)

①如果一次性將HEX文件中全部數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給目標(biāo)芯片，則在通信過程中發(fā)生一字節(jié)的錯(cuò)誤傳輸，就將導(dǎo)致全部數(shù)據(jù)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(guān)系，否則將導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)的丟失。為加強(qiáng)通信的可靠性與串口速率的可變性，本文所設(shè)計(jì)的Bootloader采用半雙工的通信模式與上位機(jī)進(jìn)行通信：以HEX文件的一行作為一幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)束后向上位機(jī)發(fā)送回復(fù)數(shù)據(jù)，上位機(jī)根據(jù)回復(fù)數(shù)據(jù)判斷發(fā)送數(shù)據(jù)幀的正誤來選擇重發(fā)或繼續(xù)發(fā)送下一幀；并且在進(jìn)行升級之前與上位機(jī)通信進(jìn)行用戶名和密碼的核對，以確保當(dāng)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(nèi)容并不是按照需要生成的，每幀的數(shù)據(jù)長度可以不同，相鄰幀的地址域的內(nèi)容也可以不同。為此，在對程序存儲器進(jìn)行寫操作時(shí)，需要根據(jù)地址域內(nèi)容將數(shù)據(jù)域內(nèi)容以8字節(jié)為單位合并成數(shù)據(jù)塊，不足8字節(jié)的要填充0xFF。本文所設(shè)計(jì)的Bootloader程序采用一個(gè)環(huán)形Buffer的結(jié)構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)這一操作：

③芯片的默認(rèn)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(gè)地址位置添加跳轉(zhuǎn)指令，以跳轉(zhuǎn)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(hù)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(shù)據(jù)的地址域內(nèi)容進(jìn)行判斷。如果小于用戶程序起始地址，則需要向上位機(jī)回復(fù)“寫地址錯(cuò)誤”，并丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù)幀。

結(jié)語

實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的Bootloader功能穩(wěn)定，且控制方便，可根據(jù)用戶的需要靈活改變。譬如，在用戶程序中添加系統(tǒng)復(fù)位機(jī)制即可實(shí)現(xiàn)在線升級，為PC端操作界面添加網(wǎng)絡(luò)下載模塊即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)升級，這對于嵌入式產(chǎn)品的發(fā)布和軟件升級極其重要。