基于自編程功能的MCU Bootloader設(shè)計(jì)

陳 曦，鄭貴林

（武漢大學(xué) 動力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072）

Bootloader是在單片機(jī)上電啟動時(shí)執(zhí)行的一小段程序[1]，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[2]。

Bootloader的最大優(yōu)點(diǎn)是：在不需要外部編程器的情況下，對嵌入式產(chǎn)品的應(yīng)用代碼進(jìn)行更新升級。它使得通過局域網(wǎng)或者Internet遠(yuǎn)程更新程序成為可能。例如，如果有5000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5000個(gè)電表重新編程。可見，Bootloader功能對于嵌入式系統(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存儲器中的駐留的軟件或程序?qū)lash存儲器進(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)對產(chǎn)品重新編程、在線升級的功能。

以μPD78F0881為例。μPD78F0881為78K0/Fx2系列中的一款44管腳單片機(jī)，內(nèi)置32 KB Flash ROM，2 KB RAM[3]，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。block0從地址0000H開始，程序都從0000H開始執(zhí)行。block0～block3共4 KB存儲空間為Bootloader程序存儲區(qū)域。block4～block31為應(yīng)用程序存儲區(qū)域。

為了防止Bootloader自身的升級失敗，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 cluster0為 block0～block3的 4 KB存 儲 空 間 ，Boot cluster1為block4～block7的4 KB存儲空間。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，用戶無法對其進(jìn)行編程。

圖1 內(nèi)部Flash結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of internal Flash

2 自編程

2.1 自編程環(huán)境

2.1.1 硬件環(huán)境

FLMD0引腳是78K0/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)LMD0引腳下拉到地。要進(jìn)入自編程模式，必須使FLMD0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。

圖2 FLMD0引腳連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of FLMD0 pin connection

2.1.2 軟件環(huán)境

1）使用通用寄存器bank3[4]，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[5]，如表 1所示。

表1 78K0/Fx2自編程庫Tab.1 78K0/Fx2 self-programming library

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)行信號時(shí)，開始進(jìn)入自編程模式。將FLMD0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FLMD0引腳設(shè)置成低電平，退出自編程模式。

3 引導(dǎo)交換（boot swap）[6]

圖3 自編程操作流程圖Fig.3 Flow chart of self-programming operation

產(chǎn)品程序的升級包括應(yīng)用程序的升級和引導(dǎo)程序（Bootloader自身）的升級。為了防止引導(dǎo)程序在升級的過程中發(fā)生錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致MCU無法啟動，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。

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)置啟動交換標(biāo)志位，并強(qiáng)迫看門狗復(fù)位。

2）復(fù)位啟動后，MCU看到交換標(biāo)志位，便從交換引導(dǎo)簇1處開始啟動。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0，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。即使在升級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。有效地防止在升級過程中出現(xiàn)斷電等等異常情況而導(dǎo)致升級失敗，MCU無法啟動的問題，使Boot程序的升級變得安全可靠。

圖4 引導(dǎo)交換功能描述圖Fig.4 Description of plans to guide the exchange function

4 Bootloader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Bootloader的信號 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)信號觸發(fā)MCU開始Bootloader程序。該信號可以是中斷，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。

2）執(zhí)行Bootloader的信號 單片機(jī)程序啟動時(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。該信號可以是上電時(shí)的一個(gè)端口信號，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 Intel hex格式

在線升級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Intel 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，它們按照圖5所示格式排列。

圖5 Intel hex文件格式Fig.5 Format of Intel hex file

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01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)收到啟動信號后，重新啟動程序。啟動的時(shí)候首先執(zhí)行Boot代碼，Boot代碼檢查是否收到執(zhí)行升級信號。如果需要升級程序，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。

圖6 Bootloader流程圖Fig.6 Flow chart of Bootloader

5 結(jié)束語

本文探討了78K0/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)串口對相應(yīng)的應(yīng)用程序通過Bootloader進(jìn)行升級。此版本的Bootloader使用晶振20 MHz，通過串口Uart60，設(shè)置波特率為115200，在μPD78F0881單片機(jī)上成功實(shí)現(xiàn)了用戶應(yīng)用程序的升級更新。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，通過USB接口升級等等。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)、升級帶來極大的便利。

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