基于自編程功能的MCU Bootloader設(shè)計(jì)

Bootloader是在單片機(jī)上電啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的一小段程序。也稱作固件，通過這段程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用應(yīng)用程序準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。
    Boot代碼由MCU啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的指令組成。這里的loader指向MCU的Flash中寫入新的應(yīng)用程序。因此，Bootloader是依賴于特定的硬件而實(shí)現(xiàn)的，因此，在眾多嵌入式產(chǎn)品中目前還不可能實(shí)現(xiàn)通用Bootloader。
    Bootloader的最大優(yōu)點(diǎn)是：在不需要外部編程器的情況下，對(duì)嵌入式產(chǎn)品的應(yīng)用代碼進(jìn)行更新升級(jí)。它使得通過局域網(wǎng)或者Intemet遠(yuǎn)程更新程序成為可能。例如，如果有5 000個(gè)基于MCU的電能表應(yīng)用程序需要更新，電能表制造商的技術(shù)人員就可以避免從事對(duì)每一個(gè)電能表重新編程的巨大工作量，通過使用Bootloader的功能，由控制中心通過電能表抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程對(duì)5 000個(gè)電表重新編程。可見，Bootloader功能對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用具有十分重要的意義。

1 78K0／Fx2系列單片機(jī)簡介
    78K0／Fx2系列是帶CAN控制器的8位單片機(jī)，該系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車電子，智能儀表等領(lǐng)域。其內(nèi)置POC(可編程上電清零電路)／LVI(可編程低電壓指示器)，單電壓自編程閃存，引導(dǎo)交換功能(閃存安全保護(hù))，具有低功耗、寬電壓范圍、超高抗干擾等性能。
    78K0系列單片機(jī)支持自編程(Self-programming)。所謂自編程，是指用Flash存儲(chǔ)器中的駐留的軟件或程序?qū)lash存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除／編程的方法。通過單片機(jī)的自編程功能，可以設(shè)計(jì)Bootloader程序，通過串口等通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品重新編程、在線升級(jí)的功能。
    以μPD78F0881為例。μPD78F0881為78KO／Fx2系列中的一款44管腳單片機(jī)，內(nèi)置32 KB Flash ROM，2 KB RAM，自帶2個(gè)串行通信接口。其內(nèi)部Flash結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了方便實(shí)現(xiàn)擦除和編程，人為地將整個(gè)Flash分成若干個(gè)block，每個(gè)block大小為1 KB。block為自編程庫函數(shù)中空白檢測、擦除、校驗(yàn)的最小單位。blockO從地址0000H開始，程序都從0000H開始執(zhí)行。block0～block3共4 KB存儲(chǔ)空間為Bootloader程序存儲(chǔ)區(qū)域。block4～block31為應(yīng)用程序存儲(chǔ)區(qū)域。

    為了防止Bootloader自身的升級(jí)失敗，設(shè)計(jì)了引導(dǎo)交換功能。該功能定義2個(gè)簇，即Boot cluster0和Boot cluster1。Boot clustee0為block0～block3的4 KB存儲(chǔ)空間，Boot cluster1為block4～block7的4 KB存儲(chǔ)空間。因此，實(shí)際運(yùn)用過程中，一般把應(yīng)用程序的開始定義在2000H，也就是從block8開始。
    Flash地址為0000H～FFFFH。7FFFFH～FFFFH存儲(chǔ)空間為保留區(qū)域以及特殊功能寄存器區(qū)域等，用戶無法對(duì)其進(jìn)行編程。

2 自編程
2．1 自編程環(huán)境
2．1．1 硬件環(huán)境
    FLMDO引腳是78KO／Fx2系列單片機(jī)為Flash編程模式設(shè)置的，用于控制MCU進(jìn)入編程模式。在通常操作情況下，F(xiàn)LMDO引腳下拉到地。要進(jìn)入自編程模式，必須使FLMDO引腳置成高電平。因此，通過一個(gè)普通I／O接口控制FLMD0引腳的電平。如圖2所示。

2．1．2 軟件環(huán)境
    1)使用通用寄存器bank3，自編程庫函數(shù)，需要調(diào)用通用寄存器bank3。因此，在自編程時(shí)，不能對(duì)通用寄存器bank3操作。
    2)使用100 B RAM(入口RAM)作為隱藏ROM中函數(shù)的工作區(qū)，入口RAM，是Flash存儲(chǔ)器自編程樣例庫所使用的RAM區(qū)域。用戶程序需要保留著塊區(qū)域，當(dāng)調(diào)用庫時(shí)，需要指定這片區(qū)域的起始地址。入口RAM地址可以指定在FB00h～FE20h之間。
    3)4～256 B RAM作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，必須是FE20H～FE83H以外的內(nèi)部高速RAM區(qū)域。
    4)最大39 B RAM作為隱藏ROM函數(shù)的堆棧。
    5)隱藏ROM中的函數(shù)被0000H～7FFFH中的應(yīng)用程序調(diào)用。
2．2 自編程流程
    自編程功能利用自編程軟件庫完成用戶程序?qū)lash內(nèi)容的重新編程。如果在自編程的過程中有中斷發(fā)生，那么自編程將暫停來響應(yīng)中斷。中斷結(jié)束，自編程模式恢復(fù)后，自編程過程將繼續(xù)進(jìn)行。采用匯編語言編寫78K0／Fx2自編程軟件庫，如表1所示。[!--empirenews.page--]

    自編程操作流程如圖3所示，當(dāng)單片機(jī)收到自編程執(zhí)行信號(hào)時(shí)，開始進(jìn)入自編程模式。將FLMDO引腳設(shè)置成高電平，初始化入口RAM，為自編程庫函數(shù)開辟空間。當(dāng)確認(rèn)FLMD0為自編程狀態(tài)時(shí)，開始檢查需要編程區(qū)域是否為空白區(qū)域。當(dāng)被編程區(qū)域不是空白區(qū)域時(shí)，先將其擦除，然后在此區(qū)域進(jìn)行編程。編程結(jié)束后進(jìn)行校驗(yàn)。若校驗(yàn)無誤，則將FLMDO引腳設(shè)置成低電平，退出自編程模式。

3 引導(dǎo)交換(boot swap)
    產(chǎn)品程序的升級(jí)包括應(yīng)用程序的升級(jí)和引導(dǎo)程序(Bootloader自身)的升級(jí)。為了防止引導(dǎo)程序在升級(jí)的過程中發(fā)生錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致MCU無法啟動(dòng)，設(shè)計(jì)了引導(dǎo)交換功能。以圖4說明引導(dǎo)交換的實(shí)現(xiàn)過程。

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    1)舊的Boot程序首先將新的Boot程序編程到交換引導(dǎo)簇1(Boot cluster 1)，然后設(shè)置啟動(dòng)交換標(biāo)志位，并強(qiáng)迫看門狗復(fù)位。
    2)復(fù)位啟動(dòng)后，MCU看到交換標(biāo)志位，便從交換引導(dǎo)簇1處開始啟動(dòng)。交換引導(dǎo)簇1處的新Boot程序?qū)z查交換標(biāo)志位。如果交換標(biāo)志位被置1，則新的Boot程序?qū)⒉脸粨Q引導(dǎo)簇0(Boot cluster 0)區(qū)域，并將自身復(fù)制到交換引導(dǎo)簇O，然后將交換標(biāo)志位清零，強(qiáng)迫看門狗復(fù)位。
    3)復(fù)位啟動(dòng)后，MCU看到交換標(biāo)志位被清零。又從交換引導(dǎo)簇0處開始執(zhí)行。這樣就完成了boot程序自身的升級(jí)。即使在升級(jí)過程中遇到斷電等異常情況，在重新上電后也能重新完成Boot程序升級(jí)。有效地防止在升級(jí)過程中出現(xiàn)斷電等等異常情況而導(dǎo)致升級(jí)失敗，MCU無法啟動(dòng)的問題，使Boot程序的升級(jí)變得安全可靠。

4 Bootloadler設(shè)計(jì)
4．1 簡單的Bootloader
    一個(gè)簡單的Bootload包括5個(gè)元素。
    1)啟動(dòng) Bootloader的信號(hào)  Bootloader程序是在執(zhí)行應(yīng)用程序之前所執(zhí)行的一小段程序，當(dāng)Bootloader程序把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給應(yīng)用程序后，在MCU復(fù)位前，Bootloader程序?qū)⒉辉賵?zhí)行。因此，需要產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)觸發(fā)MCU開始Bootloader程序。該信號(hào)可以是中斷，也可以通過串口傳送的一條指令，或者是別的程序觸發(fā)的信號(hào)。
    2)執(zhí)行 Bootloader的信號(hào)  單片機(jī)程序啟動(dòng)時(shí)，MCU是裝載新的應(yīng)用程序還是執(zhí)行已經(jīng)存在的程序取決于外部信號(hào)。該信號(hào)可以是上電時(shí)的一個(gè)端口信號(hào)，用來控制MCU裝載新程序還是執(zhí)行舊程序，也可以是從串口接收到的指令等。
    3)將新的代碼傳送給MCU  通過RS485、I2C、CAN或者USB傳送新的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)。因?yàn)橐獋魉偷拇a一般會(huì)超過MCU的RAM容量，因此需要一些控制數(shù)據(jù)流量的措施。一般使用XON／XOFF軟件握手協(xié)議，傳送代碼的格式一般選擇Intel hex格式。
    4)Flash新代碼的自動(dòng)編程  每次MCU接收到一批新的數(shù)據(jù)，就要將其編程到正確的Flash地址。如果該地址非空白，MCU在編程前必須先擦除。一般在編程中或者編程后還需要檢查存儲(chǔ)器的內(nèi)容。
    5)將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給有效的應(yīng)用程序  在接收和編程了新的代碼后，Bootloader寫一個(gè)校驗(yàn)和或者其他唯一字節(jié)序列到一個(gè)固定的存儲(chǔ)單元。Bootloader檢測該值，如果該值存在，Bootloader就將控制權(quán)傳給應(yīng)用程序。
4．2 Intelhex格式
    在線升級(jí)的程序代碼采用編譯器輸出的Intel hex格式文件。Intel hex文件常用來保存單片機(jī)或其他微處理器的程序代碼。它保存物理程序存儲(chǔ)區(qū)中的目標(biāo)代碼映象。一般的編程器都支持這種格式。Intel hex文件記錄中的數(shù)字都是十六進(jìn)制格式。在InteI hex文件中，每一行包含一個(gè)HEX記錄。Intel hex文件通常用于傳輸將被存于Flash或者EEPROM中的程序和數(shù)據(jù)。Intel hex由任意數(shù)量的十六進(jìn)制記錄組成。每個(gè)記錄包含5個(gè)域，它們按照?qǐng)D5所示格式排列。

    每一個(gè)部分至少由2個(gè)十六進(jìn)制編碼字符組成。它們構(gòu)成1個(gè)字節(jié)。每一個(gè)部分的意義如下所述：
    1)每個(gè)Intel hex記錄都由冒號(hào)開頭，自編程的過程中以此判斷一個(gè)Intel hex記錄的開始。
    2)數(shù)據(jù)長度代表當(dāng)前記錄中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量。
    3)地址代表當(dāng)前記錄中數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)區(qū)域中的起始地址。
    4)HEX記錄類型有如下4種：00-數(shù)據(jù)記錄；01-文件結(jié)束記錄；02-擴(kuò)展段地址記錄；03-轉(zhuǎn)移地址記錄。NEC編譯器輸出的Intel hex文件中。只包含數(shù)據(jù)類型00和01。其中O1作為自編程過程中數(shù)據(jù)結(jié)束的判定標(biāo)志。
    5)數(shù)據(jù)域分用于存儲(chǔ)需要寫入Flash中的內(nèi)容，一個(gè)記錄可以有許多數(shù)據(jù)字節(jié)。記錄中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量必須與數(shù)據(jù)長度中的值相符。
    6)校驗(yàn)和是取記錄中從數(shù)據(jù)長度到數(shù)據(jù)域最后一個(gè)字節(jié)的所有字節(jié)總和的2的補(bǔ)碼。
    根據(jù)以上說明，必須在程序中對(duì)接收到的Inter hex文件進(jìn)行解碼，獲取數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)地址，并對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，然后將接收正確的數(shù)據(jù)編程到Flash相應(yīng)的地址上。
4．3 Bootloader設(shè)計(jì)思路
    單片機(jī)收到啟動(dòng)信號(hào)后，重新啟動(dòng)程序。啟動(dòng)的時(shí)候首先執(zhí)行Boot代碼，Boot代碼檢查是否收到執(zhí)行升級(jí)信號(hào)。如果需要升級(jí)程序，則通過串口或者其他通信接口接收新的應(yīng)用程序，loader程序向單片機(jī)Flash中寫入新的應(yīng)用程序代碼。最后通過檢查校驗(yàn)位檢測程序是否有效。如果有效，則Bootloader將CPUMCU控制權(quán)交給應(yīng)用程序。整個(gè)升級(jí)過程完成。Bootloader執(zhí)行過程如圖6所示。

    需要注意的是Bootloader自身的更新和應(yīng)用程序的更新還需區(qū)別處理。通過辨別接收到數(shù)據(jù)的編程地址來判斷是Bootloader更新還是應(yīng)用程序更新。若編程地址從0000H開始，則為Bootloader更新。Bootloader更新則需要執(zhí)行引導(dǎo)交換(boot swap)功能；若為應(yīng)用程序更新，自編程結(jié)束后，直接將CPU交給應(yīng)用程序。

5 結(jié)束語
    本文探討了78KO／FC2系列μPD78F0881單片機(jī)的自編程功能以及Bootloader的設(shè)計(jì)方法。具體描述了通過單片機(jī)串口對(duì)相應(yīng)的應(yīng)用程序通過Bootloader進(jìn)行升級(jí)。此版本的Bootloader使用晶振20 MHz，通過串口Uart60，設(shè)置波特率為115 200，在μPD78F0881單片機(jī)上成功實(shí)現(xiàn)了用戶應(yīng)用程序的升級(jí)更新。在接下來的工作中，Bootloader的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)面向更多的通信接口。例如，通過CAN總線接口升級(jí)，通過USB接口升級(jí)等等。Bootloader技術(shù)的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，必將成為嵌入式產(chǎn)品開發(fā)的重要部分，為網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品的應(yīng)用和開發(fā)，特別是后期維護(hù)、升級(jí)帶來極大的便利。