一種新型DSP軟件在線升級方法的研究與實現(xiàn)

孫亞萍，張慧熙

(杭州師范大學 錢江學院電氣機械工程系，浙江 杭州 310036)

隨著IT技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)已被廣泛應用到國民經(jīng)濟的各個領域。數(shù)字化技術(shù)的核心包括兩個部分：MCU或DSP等數(shù)字控制芯片和相應的軟件程序。一般的數(shù)字芯片均帶有Flash存儲空間、豐富的外設模塊，其中包括各種常見的通信接口(例如 I2C、RS232等)。同時，為了滿足不斷變化的應用需求，一般會在相應的軟件程序設計中加入Bootloader功能，即利用系統(tǒng)已有的通信接口，依靠BOOT程序在線更新MCU或DSP中的軟件。完成軟件更新之后，運行更新版本程序來實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴展或升級。

目前，常用的更新方法有2種：(1)直接刷新Flash中已有的代碼來實現(xiàn)軟件的升級。雖然該方法實現(xiàn)簡單，但是存在意外風險，即當系統(tǒng)在更新軟件過程中意外斷電時，MCU或DSP中原有的正常版本程序也將被破壞、無法運行，導致系統(tǒng)崩潰。(2)在MCU或DSP的Flash中開辟2個空間A和B，分別作為主BOOT區(qū)和備BOOT區(qū)。這種方法雖然提高了軟件更新的可靠性，但卻增加了程序設計或硬件電路的復雜性。因為MCU或DSP中斷向量表的地址一般是固定的，所以只能依靠復雜的版本切換程序或硬件選擇器來實現(xiàn)A、B區(qū)域中2個版本軟件的切換。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種新型的軟件版本在線更新方法和3種更新方式，并且在數(shù)字控制芯片領域中得到了實際應用。

1 dsPIC33F微控制器及地址空間分配

1.1 dsPIC33F 微控制器

美國Microchip公司設計生產(chǎn)的dsPIC33F微控制器采用16 bit改良的哈佛架構(gòu)和C編譯器優(yōu)化的指令集，其帶有16 bit的數(shù)據(jù)總線和24 bit指令，以及4 MB指令字的線性程序存儲空間，尋址范圍最大64 KB。由于其本身內(nèi)部集成了多達256 KB的Flash程序存儲器和30 KB的數(shù)據(jù)SRAM，因此，只需要上電復位電路和外部晶振電路，以及用于主要核心工作模塊的3.3 V電源就可以正常工作而無需額外的外圍器件支持。

1.2 Flash地址空間分配

為了做到故障保護，防止在更新過程中發(fā)生更新文件出錯、意外斷電等災難性故障，本設計將dsPIC33F的Flash空間分為3個區(qū)域，如圖1所示。圖中(A)區(qū)用于存儲應用程序正常版本；(B)區(qū)用于存儲應用程序更新版本；(C)區(qū)用于存儲 BOOT程序。其中(A)區(qū)、(B)區(qū)的分配空間大小相等，因為(B)區(qū)的主要用途在于存儲(A)區(qū)的運行程序的更新版本軟件。

圖1 Flash存儲分配結(jié)構(gòu)圖

在實際應用中，可以根據(jù)Flash的大小、程序代碼長度等因素靈活調(diào)節(jié)。如果采用dsPIC33FJ64GP710控制器，其Flash空間范圍為0x0000-0xFFFF，每頁的大小為0x100， 則dsPIC33FJ64GP710的Flash空間地址典型分配如表1所示。應用程序更新版本和正常版本的Flash空間大小都為0x7000，而且，不論是應用程序正常版本或是更新版本，其第一個運行的指令都是跳轉(zhuǎn)到BOOT程序，其最后的2組地址都用于存放新的、有效的標志位。所以，當更新升級程序時，僅需要將應用程序更新版本中的更新程序整體拷入應用程序正常版本中即可，而不需區(qū)分其中的標志位、跳轉(zhuǎn)指令和程序本體，簡化了BOOT程序的設計。

2 BOOT功能的設計與實現(xiàn)

本軟件程序設計主要分為兩部分：應用程序的設計和BOOT程序的設計。出廠時，應用程序的正常版本放在圖 1中(A)區(qū)，而 BOOT程序放在圖 1中(C)區(qū)。更新時，僅對應用程序進行更新。

系統(tǒng)上電復位時，軟件首先跳轉(zhuǎn)至BOOT程序開始運行。BOOT程序首先檢測圖1(B)區(qū)中的更新版本程序是新的、有效的，BOOT程序才會擦除圖 1(A)區(qū)中的正常版本，再將圖1(B)區(qū)中的更新版本拷入圖1(A)區(qū)中，覆蓋正常版本后在圖1(A)區(qū)中設置正常版本有效標志位；否則BOOT程序?qū)⒔K止軟件版本的更新，并設置更新失敗標志。然后軟件將從圖1(C)區(qū)中BOOT程序跳回圖1(A)區(qū)中運行應用程序的正常版本。因為只有在更新版本有效時，才會擦除正常版本，因此，更新版本和正常版本不會同時無效。系統(tǒng)軟件主程序設計具體流程如圖2所示。

表1 dsPIC33FJ64GP710的Flash空間地址分配

圖2 系統(tǒng)軟件主流程圖

軟件在擦除(A)區(qū)的過程中如果出現(xiàn)異常(如系統(tǒng)掉電)，將導致(A)區(qū)中的應用程序破壞。然而，此時(B)區(qū)中的更新軟件是有效的，當系統(tǒng)重新上電運行時，BOOT程序會將(B)區(qū)中的更新軟件拷入(A)區(qū)中，然后從(A)區(qū)開始運行，從而可以有效地解決常用版本更新方法存在的意外風險問題。Boots程序關鍵函數(shù)如下：

3 DSP軟件更新方式與更新方法

3.1 DSP軟件更新方式

為了進一步提高系統(tǒng)更新軟件的可靠性、靈活性，本文提供了3種更新方式：(1)在下載更新程序結(jié)束后，立即執(zhí)行更新操作；(2)在下載更新程序結(jié)束后，PC機通過通信發(fā)送更新命令再執(zhí)行更新操作；(3)在下載更新程序結(jié)束后，在系統(tǒng)下一次上電復位后，再執(zhí)行更新操作?；赩C編寫的DSP軟件更新方式選擇界面，如圖3所示。

圖3 BOOT Loader控制界面

其中，更新方式(1)適用于對可靠性要求不是很嚴格，而且馬上需要更新的場合，該方法與現(xiàn)有的、常用的在線升級方式相似，但克服了其存在的不足；更新方式(2)可以讓客戶根據(jù)實際系統(tǒng)的運行需要來選擇更新軟件的時機，因此可以在合適的時間內(nèi)進行軟件更新，將更新的風險進一步降低；更新方式(3)適合于對可靠性要求非常嚴格的場合，在系統(tǒng)斷電后，重新上電復位后進行更新。更新方式選擇關鍵函數(shù)如下：

3.2 更新版本程序下載流程

如果軟件需要更新時，首先將更新版本軟件下載到應用程序更新版本(圖1(B))中，在更新版本軟件的下載過程中，對更新版本進行校驗，如果更新版本下載成功，則在指定的地址中設置更新程序是新的、有效的標志位；反之，則設置無效的標志位。BOOT程序中更新版本程序下載流程如圖4所示。

本文提出了一種高可靠的軟件版本在線升級方法和3種更新方式，該軟件具有實現(xiàn)簡單、更新方式靈活、程序可靠性高等優(yōu)點，可應用于數(shù)字控制芯片領域。

[1]Microchip Technology Inc.dsPIC33FJXXXMCX06/X08/X10 motor control family data sheet[C].2007.

圖4 BOOT程序中更新版本程序下載流程圖

[2]Microchip Technology Inc.MPLAB IDE用戶指南[Z].2005.

[3]Microchip Technology Inc.dsPIC30F/33F programmer’s reference manual.preliminary[Z].2005.

[4]王江.Bootrom功能改進經(jīng)驗談[J].電子技術(shù)應用，2004，30(10)：7-9.