基于dsPIC33F系列單片機(jī)的應(yīng)用程序升級(jí)方法

0 引言

dsPIC33F系列單片機(jī)是美國(guó)微芯公司(Microchip)推出的一款高性能單片機(jī)，它將數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)的高速運(yùn)算能力與單片機(jī)的控制特性無(wú)縫地集成在一起，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了高性價(jià)比的單芯片、單指令流的解決方案，在音頻處理、視頻處理及工業(yè)控制等方面得到了廣泛應(yīng)用。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于客戶需求變化或程序BUG修改等原因，經(jīng)常出現(xiàn)需要使單片機(jī)應(yīng)用程序升級(jí)的情況，本文利用dsPIC33F單片機(jī)運(yùn)行時(shí)的自編程(Run-Time Serf-Programming，RTSP)特性，實(shí)現(xiàn)了基于該單片機(jī)應(yīng)用程序的升級(jí)功能。

1 基本原理

dsPIC33F系列單片機(jī)提供了兩種方式用于對(duì)其內(nèi)部程序存儲(chǔ)器進(jìn)行編程：在線串行編程(In-Circuit Serial Programming，ICSP)和運(yùn)行時(shí)自編程(Run-TimeSelf-Programming，RTSP)。ICSP使用5根線對(duì)單片機(jī)編程，主要用于產(chǎn)品調(diào)試或生產(chǎn)過(guò)程中，顯然不適合用于產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)的程序升級(jí)。RTSP是通過(guò)使用TBLRD(表讀)和TBLWT(表寫(xiě))指令來(lái)完成的，使用RTSP可以一次將64條指令(192 B)的塊(或“行”)或單個(gè)程序存儲(chǔ)字寫(xiě)入程序存儲(chǔ)器，也可以一次擦除512條指令(1 536 B)的塊(或“頁(yè)”)，由于該方法采用程序指令實(shí)現(xiàn)了自編程，可應(yīng)用于產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)的程序升級(jí)，因此本文采用RTSP方法實(shí)現(xiàn)基于dsPIC33F系列單片機(jī)的應(yīng)用程序升級(jí)功能。程序升級(jí)的實(shí)質(zhì)是對(duì)程序存儲(chǔ)器內(nèi)容的更新，所以有必要先了解一下dsPIC33F單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1．1 dsPIC33F單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

dsPIC33F單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。一般情況下，“復(fù)位地址”的內(nèi)容為全0，單片機(jī)復(fù)位后均從程序存儲(chǔ)器地址0的位置上開(kāi)始執(zhí)行，即從圖1中的“GOTO指令”位置開(kāi)始執(zhí)行。在這里存放了一個(gè)跳轉(zhuǎn)指令，直接指向用戶程序的首址，默認(rèn)情況下該位置的指令為“GOTO 0x200”，即默認(rèn)跳轉(zhuǎn)到首址為0x200的用戶程序(圖1中的“用戶程序存儲(chǔ)空間”)開(kāi)始執(zhí)行。dsPIC33F單片機(jī)具有2個(gè)中斷向量表，即“中斷向量表”和“備用中斷向量表”，地址分別從0x000004～0x0000FF和0x000100～0x0001FF這兩個(gè)中斷向量表允許使用不同的中斷服務(wù)程序來(lái)處理每個(gè)中斷源。程序升級(jí)功能正是基于程序存儲(chǔ)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的以上特性而實(shí)現(xiàn)。

1．2 程序升級(jí)功能的實(shí)現(xiàn)流程

將圖1中的“用戶程序存儲(chǔ)空間”分為引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序2部分，如圖2(a)所示。引導(dǎo)程序用于引導(dǎo)用戶程序是進(jìn)入升級(jí)狀態(tài)，還是進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，若進(jìn)入升級(jí)狀態(tài)則接收新的程序數(shù)據(jù)，并更新程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容；若進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)則程序跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序區(qū)。應(yīng)用程序是為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能而編寫(xiě)的程序，也就是本文所謂“程序升級(jí)”的對(duì)象。

實(shí)際應(yīng)用中，將外部非易失性存儲(chǔ)器(如E2PROM)的某些存儲(chǔ)單元值當(dāng)作是否進(jìn)行程序升級(jí)的標(biāo)志(以下簡(jiǎn)稱(chēng)程序升級(jí)標(biāo)志)。單片機(jī)上電或復(fù)位后首先執(zhí)行“GOTO0x400”指令，即跳轉(zhuǎn)到引導(dǎo)程序。默認(rèn)情況下程序升級(jí)標(biāo)志是處于“正常運(yùn)行”狀態(tài)下的，引導(dǎo)程序調(diào)用跳轉(zhuǎn)指令將用戶程序引導(dǎo)到應(yīng)用程序區(qū)，若運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)服務(wù)器有新的應(yīng)用程序版本或接收到服務(wù)器發(fā)來(lái)的升級(jí)程序命令時(shí)，單片機(jī)將程序升級(jí)標(biāo)志設(shè)置為“程序升級(jí)”狀態(tài)，然后軟件復(fù)位單片機(jī)。這時(shí)程序再次跳轉(zhuǎn)到引導(dǎo)程序，根據(jù)程序升級(jí)標(biāo)志，單片機(jī)進(jìn)入程序升級(jí)狀態(tài)，接收新的程序，并更新程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容，升級(jí)完成后，單片機(jī)將程序升級(jí)標(biāo)志設(shè)置為“正常運(yùn)行”狀態(tài)，然后再次軟件復(fù)位，此時(shí)單片機(jī)運(yùn)行于新的應(yīng)用程序中。

由于引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序都可能用到中斷，因此應(yīng)用程序采用中斷向量表，引導(dǎo)程序采用備用中斷向量表，以執(zhí)行各自相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。值得注意的是，在圖2(a)中引導(dǎo)程序的首址為0x000400，這是因?yàn)閐sPIC33F單片機(jī)執(zhí)行一次擦除指令會(huì)擦除512條指令空間(即1“ 塊”，占用1 024個(gè)地址單元)，這意味著程序升級(jí)必須以1 024(即0x400)為單位。同理，應(yīng)用程序的首址必須為0x400的整數(shù)倍，本文采用0x00C800。
從以上基本原理的分析可看出，程序升級(jí)功能的實(shí)現(xiàn)主要就是引導(dǎo)程序的實(shí)現(xiàn)。

2 引導(dǎo)程序的實(shí)現(xiàn)

2．1 程序流程

進(jìn)入引導(dǎo)程序后，程序的執(zhí)行流程如下：

(1)初始化電路板，包括單片機(jī)的工作頻率、外圍接口等，尤其要注意啟用單片機(jī)的“備用中斷向量表”。因?yàn)閐sPIC33F單片機(jī)復(fù)位后默認(rèn)啟用“中斷向量表”，而由基本原理的說(shuō)明可看出，引導(dǎo)程序必須采用“備用中斷向量表”。
(2)判斷程序走向，通過(guò)程序升級(jí)標(biāo)志判斷是跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序，還是執(zhí)行程序升級(jí)流程。
(3)若程序升級(jí)標(biāo)志為“正常運(yùn)行”，則調(diào)用GOTO指令跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序。
(4)若程序升級(jí)標(biāo)志為“程序升級(jí)”，則執(zhí)行程序升級(jí)流程，這是引導(dǎo)程序的重點(diǎn)。

程序升級(jí)按“塊”更新，每“塊”包含1 024個(gè)存儲(chǔ)單元(以字為單位)，即每幀數(shù)據(jù)需包含2 048個(gè)字節(jié)的程序代碼。在更新程序時(shí)并不是簡(jiǎn)單地用接收到的新程序代碼覆蓋舊程序，對(duì)于一些特殊幀需特殊處理，通過(guò)對(duì)比應(yīng)用程序編譯后的程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)與實(shí)際應(yīng)用中的程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可以很好地理解這點(diǎn)。圖2(a)所示為實(shí)際應(yīng)用中的程序存儲(chǔ)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)；(b)為應(yīng)用程序編譯后的程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)比這兩張圖可以看出，“GOTO指令”、“備用中斷向量表”、“引導(dǎo)程序”這些區(qū)間的程序不能直接覆蓋，若“GOTO指令”被覆蓋，則程序升級(jí)后程序直接跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序，不會(huì)執(zhí)行引導(dǎo)程序；若“備用中斷向量表”被覆蓋，則引導(dǎo)程序中的中斷服務(wù)程序無(wú)法執(zhí)行；若“引導(dǎo)程序”區(qū)間的內(nèi)容被覆蓋，則引導(dǎo)程序被清空，顯然會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。因此對(duì)于第1幀數(shù)據(jù)需特別處理，該幀數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)程序存儲(chǔ)器第1塊(地址為0～0x3FF)的內(nèi)容，包含“GOTO指令”、“復(fù)位地址”、“中斷向量表”和“備用中斷向量表”的內(nèi)容，為了保證"GOTO指令”和“備用中斷向量表”的內(nèi)容不被修改，需要先讀出原“GOTO指令”和“備用中斷向量表”的內(nèi)容，替代接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中對(duì)應(yīng)位置的內(nèi)容，然后寫(xiě)入程序存儲(chǔ)區(qū)的第1塊；對(duì)于第2幀到第50幀(0xe800／0x400)，這些是引導(dǎo)程序的內(nèi)容，顯然不能做任何修改，因此這幾幀數(shù)據(jù)接收后直接丟棄；從第51幀到最后一幀，這是應(yīng)用程序的內(nèi)容，也是真正要升級(jí)的內(nèi)容，所以可直接覆蓋舊內(nèi)容。程序升級(jí)后，將程序更新標(biāo)志恢復(fù)為“正常運(yùn)行”狀態(tài)，然后復(fù)位CPU，則經(jīng)引導(dǎo)程序又進(jìn)入了新的應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序的升級(jí)。

基于以上說(shuō)明可得引導(dǎo)程序的詳細(xì)流程如圖3所示。

2．2 關(guān)鍵細(xì)節(jié)的實(shí)現(xiàn)

(1)啟用“備用中斷向量表”。設(shè)置INTCON2寄存器中ALTIVT控制位的值，其值設(shè)置為“1”則啟用“備用中斷向量表”；設(shè)置為“0”則啟用“中斷向量表”。

(2)程序首址的設(shè)置。在以上流程的說(shuō)明中談到引導(dǎo)程序的首址為0x400，而應(yīng)用程序的首址為0xc800，則設(shè)置程序的首址可通過(guò)修改鏈接描述文件(．gld文件)實(shí)現(xiàn)。以dsPIC33FJ256GP710單片機(jī)為例，將引導(dǎo)程序首址改為0x400，其實(shí)現(xiàn)步驟為：打開(kāi)p33FJ256GP710．gld文件，將其中的“program(xr)：ORIGIN=0x200，LENGTH=0x2AA00”改為“pro-gram(xr) ：ORIGIN=0x400，LENGTH=0x2A900”；將“_ _CODE_ BASE=0x200”改為“_ _CODE_BASE=0x400”。應(yīng)用程序首址的修改也采用相同方法。

(3)讀／寫(xiě)程序存儲(chǔ)器。在參考文獻(xiàn)中有很完整的原理說(shuō)明，也有完整的源代碼，可直接使用。

(4)軟件復(fù)位CPU。在應(yīng)用程序運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)需升級(jí)程序或在引導(dǎo)程序中升級(jí)程序完畢時(shí)，均需對(duì)CPU進(jìn)行軟件復(fù)位，這可通過(guò)dsPIC33F單片機(jī)提供的“reset”指令實(shí)現(xiàn)，可在程序相應(yīng)位置執(zhí)行“reset”指令即可。

3 實(shí)際應(yīng)用中若干問(wèn)題的探討

3．1 程序升級(jí)正確性問(wèn)題

上文僅重點(diǎn)說(shuō)明了程序升級(jí)的方法，未對(duì)程序升級(jí)的正確性展開(kāi)討論，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于傳輸干擾的存在，接收的新程序數(shù)據(jù)可能出錯(cuò)，這時(shí)如果沒(méi)有相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，顯然會(huì)影響到產(chǎn)品的正常運(yùn)行。為了保證程序升級(jí)的正確性，常用的應(yīng)對(duì)措施有以下幾種：

(1)對(duì)每幀數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的校驗(yàn)(如CRC校驗(yàn))，校驗(yàn)通過(guò)后再更新相應(yīng)的程序存儲(chǔ)區(qū)；更新程序存儲(chǔ)區(qū)后，重新讀出程序存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)，并與接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。只有當(dāng)數(shù)據(jù)比較無(wú)誤后才開(kāi)始接收下一幀數(shù)據(jù)。

(2)若不考慮硬件成本，也可外置一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將所有新程序數(shù)據(jù)完全接收并校驗(yàn)通過(guò)后才統(tǒng)一更新程序存儲(chǔ)器，最后把整個(gè)程序存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)與接收到的數(shù)據(jù)逐一比對(duì)，若比對(duì)無(wú)誤則升級(jí)結(jié)束。

(3)若應(yīng)用程序占用空間不大，也可將程序存儲(chǔ)器中應(yīng)用程序區(qū)再分為兩部分。程序升級(jí)時(shí)輪流覆蓋這兩部分，這種操作方式使程序存儲(chǔ)器同時(shí)保存舊版本和新版本兩個(gè)應(yīng)用程序，當(dāng)新版本程序因某種原因運(yùn)行不正常時(shí)，可由引導(dǎo)程序?qū)?yīng)用程序切換到舊版本。

第(1)種方法最容易實(shí)現(xiàn)，但是應(yīng)用程序只有在整個(gè)升級(jí)過(guò)程完全結(jié)束后才可以正常運(yùn)行，若升級(jí)過(guò)程因某種原因通信中斷，則應(yīng)用程序一直無(wú)法運(yùn)行，這是該方法最大的缺陷。

第(2)種方法也很容易實(shí)現(xiàn)，而且由于它是在新程序數(shù)據(jù)全部接收后才開(kāi)始升級(jí)，因此克服了第(1)種方法的缺陷，但是該方法需增加硬件成本，且要占用單片機(jī)更多的硬件資源(用于與外部存儲(chǔ)器之間的交互)。

第(3)種方法也可以克服第(1)種方法的缺陷，而且不需增加硬件成本，但是該方法的實(shí)現(xiàn)顯然比前兩種方法復(fù)雜得多。以上3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際情況選擇。

3．2 斷點(diǎn)續(xù)傳問(wèn)題

在實(shí)際應(yīng)用中，可能因某種原因(如斷電復(fù)位)而需重新開(kāi)始程序升級(jí)，這時(shí)如果還是從第1幀數(shù)據(jù)開(kāi)始傳輸，則會(huì)造成時(shí)間上的浪費(fèi)，而且對(duì)于一些以流量計(jì)費(fèi)的通信網(wǎng)絡(luò)(如GPRS)還會(huì)造成通信費(fèi)用的浪費(fèi)，因此在實(shí)際應(yīng)用中有必要實(shí)現(xiàn)“斷點(diǎn)續(xù)傳”功能。這可通過(guò)模仿FTP斷點(diǎn)續(xù)傳原理來(lái)實(shí)現(xiàn)，即單片機(jī)每正確接收并存儲(chǔ)一幀數(shù)據(jù)則刷新存儲(chǔ)于外部非易失性存儲(chǔ)器(如EEPROM)中的升級(jí)信息(含當(dāng)前幀號(hào))，若重新開(kāi)始程序升級(jí)，則將當(dāng)前升級(jí)信息發(fā)給服務(wù)器，服務(wù)器可從“斷點(diǎn)”開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了“斷點(diǎn)續(xù)傳”功能。

4 結(jié)語(yǔ)

基于dsPIC33F系列單片機(jī)的應(yīng)用程序升級(jí)方法已在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的IPPhone和安防系統(tǒng)等產(chǎn)品中成功應(yīng)用，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。雖然本文討論的程序升級(jí)方法是基于dsPIC33F系列單片機(jī)，但其基本原理同樣適用于其他具備運(yùn)行時(shí)自編程或有應(yīng)用編程(In Appplication Program，IAP)功能的單片機(jī)中。