C8051F410單片機(jī)BootLoader的實(shí)現(xiàn)

趙小錄，徐迎暉，羅歡

（廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510006）

BootLoader就是單片機(jī)在復(fù)位后首先執(zhí)行的一小段引導(dǎo)程序，通過(guò)此段程序可以實(shí)現(xiàn)硬件初始化、進(jìn)行“用戶程序”更新等功能，本文主要討論的是通過(guò)BootLoader對(duì)“用戶程序”進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。

在使用單片機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及使用過(guò)程中，不可避免的存在更新程序的問(wèn)題，正常的程序下載是通過(guò)單片機(jī)仿真器與單片機(jī)的特殊I/O口連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)階段，通過(guò)仿真器可以實(shí)現(xiàn)程序下載及調(diào)試。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)完成后，由于單片機(jī)已被封裝在產(chǎn)品內(nèi)部，若要進(jìn)行更新則需要重新打開(kāi)產(chǎn)品外殼，連接數(shù)據(jù)線。這對(duì)已經(jīng)批量生產(chǎn)甚至產(chǎn)品已經(jīng)在最終用戶手中的情況下幾乎是不可能的，一方面由于這樣做效率很低、成本高，另一方面也使用戶對(duì)產(chǎn)品的整體性能帶來(lái)很大的負(fù)面影響。

1 Flash操作及程序存儲(chǔ)區(qū)結(jié)構(gòu)功能劃分

1.1 Flash基本操作和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

C8051F410對(duì)Flash只支持0操作，故在寫入數(shù)據(jù)前首先應(yīng)擦除扇區(qū)（擦除只能整頁(yè)操作，操作完成后每一位都為1）[4]。軟件寫和擦除FLASH受FLASH鎖定和關(guān)鍵碼功能的保護(hù)。在進(jìn)行FLASH操作之前，必須按順序向FLASH鎖定和關(guān)鍵碼寄存器（FLKEY）寫入關(guān)鍵碼：0xA5，0xF1。寫關(guān)鍵碼的時(shí)序并不重要，但必須按順序?qū)憽?/p>

要實(shí)現(xiàn)BootLoader首先要了解存儲(chǔ)程序的Flash結(jié)構(gòu)，如表1。C8051F410共有32kFlash程序存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器以512為一個(gè)扇區(qū)（頁(yè)），可以在系統(tǒng)內(nèi)部編程操作（IAP）[1]。這就給實(shí)現(xiàn)BootLoader功能提供了充要前提條件。

表1 C8051F410的Flash結(jié)構(gòu)Tab.1 C8051F410’s Flash construction

1.2 存儲(chǔ)區(qū)的功能劃分

BootLoader程序和“用戶程序”分別存儲(chǔ)于Flash不同區(qū)域內(nèi)，在本文中做如下劃分：BootLoader程序占用地址0x6000～0x7FFF，其中頁(yè)0x7C00來(lái)保存用戶程序的入口地址[2]，這樣真正的BootLoader的程序大小就不能超過(guò)7 k（0x6000～0x7A00）?！坝脩舫绦颉闭加玫刂?x0000～0x5FFF[3]，這樣對(duì)“用戶程序”的編寫除大小不能超過(guò)24 k外就沒(méi)有其他特殊要求。

1.3 定位BootLoader的存儲(chǔ)位置

使用Keil軟件在程序開(kāi)發(fā)時(shí)很容易實(shí)現(xiàn)程序的定位，這里介紹一種操作最為簡(jiǎn)便的方法，在BootLoader工程的設(shè)置窗口的BL51 Locate面板內(nèi)輸入程序的地址范圍即可，如下圖示。

圖1 Flash結(jié)構(gòu)功能劃分Fig.1 Division of Flash’s construction and function

圖2 BootLoader程序的定位Fig.2 Positioning of BootLoader application

2 BootLoader程序工作流程描述

2.1 關(guān)鍵過(guò)程描述

上電復(fù)位：復(fù)位后單片機(jī)首先執(zhí)行地址0x0000處的跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)到BootLoader程序的入口地址并進(jìn)行諸如關(guān)閉看門狗、晶振頻率、UART串口波特率設(shè)置等操作[5]，為了使程序更新速度更快，本應(yīng)用中系統(tǒng)時(shí)鐘頻率設(shè)置一個(gè)較大的通訊波特率為115200bps。

升級(jí)握手：根據(jù)預(yù)先定義的握手規(guī)則，通過(guò)URAT與上位機(jī)（一般是計(jì)算機(jī)）進(jìn)行一些數(shù)據(jù)交換，收到正確回復(fù)后即認(rèn)為握手成功，并通過(guò)串口發(fā)送準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)的指示，若不成功則進(jìn)行用戶程序的跳轉(zhuǎn)操作。

用戶程序判斷：若存在則立即跳轉(zhuǎn)到用戶程序入口地址（這也是最為普通的正常啟動(dòng)過(guò)程）。

跳轉(zhuǎn)到用戶程序入口：BootLoader任務(wù)完成，將單片機(jī)的控制權(quán)交由用戶程序接管直到下次復(fù)位才能重新進(jìn)入BootLoader。

接收數(shù)據(jù)：在BootLoader內(nèi)沒(méi)有使用中斷函數(shù)，從而減少了對(duì)中斷向量的重新映射操作，也增加了程序的穩(wěn)定性，這里采用查詢的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。

指令類型分析：由上位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)幀有多個(gè)功能，協(xié)議由BootLoader的開(kāi)發(fā)人員自行規(guī)定，主要包括的指令類型有：寫入數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)并上傳、結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。

發(fā)送“xxxx”提示：通過(guò)UART向上位機(jī)發(fā)送一些操作結(jié)果信息反饋給上位機(jī)，如“操作成功”、“操作失敗”等，以告知上位機(jī)如何繼續(xù)進(jìn)行下步操作

2.2 BootLoader流程圖

圖3 Bootloader流程圖Fig.3 Flowsheet of BootLoader

3 關(guān)鍵操作的程序處理

數(shù)據(jù)接收：BootLoader程序中不要使用中斷函數(shù)，使用后會(huì)導(dǎo)致“用戶程序”的相同中斷處理函數(shù)失效，所以這里使用查詢的方式實(shí)現(xiàn)UART串口數(shù)據(jù)接收。

BootLoader程序入口地址的保存：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位后總是從Flash存儲(chǔ)區(qū)的0x0000地址處開(kāi)始執(zhí)行，這里占用3個(gè)字節(jié)保存了一條跳轉(zhuǎn)指令，地址0x0000內(nèi)容為0x02，即為機(jī)器碼的跳轉(zhuǎn)指令，后面緊跟的兩個(gè)字節(jié)保存的是要跳轉(zhuǎn)到的地址值，為了保證能正確跳轉(zhuǎn)到BootLoader區(qū)，需要在擦除本頁(yè)前保存跳轉(zhuǎn)的地址值，待擦除完成后重新寫入這3個(gè)字節(jié)，其實(shí)現(xiàn)代碼如下：

BootAddr[0]=FLASH_ByteRead（0x0001）；

BootAddr[1]=FLASH_ByteRead（0x0002）；

FLASH_PageErase（0x0000）；//擦除0頁(yè)

FLASH_ByteWrite（0x0000，0x02）；//跳轉(zhuǎn)指令0x02

FLASH_ByteWrite（0x0001，BootAddr[0]）；//寫入bootloader的開(kāi)始地址

FLASH_ByteWrite（0x0002，BootAddr[1]）；

“用戶程序”入口地址的保存：“用戶程序”入口地址在程序文件內(nèi)標(biāo)示保存在程序的前3個(gè)地址字節(jié)內(nèi)，在生成的程序的Hex文件內(nèi)顯示為：

:03000000021ECC11

:0C1ECC00787FE4F6D8FD7581700216A046

……

第1行內(nèi)的內(nèi)容表示在地址0x0000及向后的兩個(gè)字節(jié)內(nèi)的內(nèi)容為0x02ECCC，即為要跳轉(zhuǎn)到Flash地址0x1ECC處去執(zhí)行“用戶程序”的第1條指令，這里我們就要把這個(gè)地址保存起來(lái)，以便讓BootLoader程序在執(zhí)行完后跳轉(zhuǎn)到這里來(lái)運(yùn)行“用戶程序”，即把“用戶程序”文件內(nèi)原來(lái)指向地址0x0000～0x0002的3個(gè)字節(jié)保存到BootLoader指定的一個(gè)頁(yè)單獨(dú)保存，本應(yīng)用中是保存到了0x7A00頁(yè)的前3個(gè)字節(jié)，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

#define APP_ADDR_PAGE 0x7C00L//用戶程序的入口地址……

startAddr=RecData[2]*256+RecData[3]；

……

if（（startAddr+i==0）||（startAddr+i==1）||（startAddr+i==2））

FLASH_ByteWrite（APP_ADDR_PAGE+i，RecData[5+i]）；

startAddr為上位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)幀內(nèi)指明的數(shù)據(jù)應(yīng)保存的地址

BootLoader程序區(qū)的保護(hù)：在更新“用戶程序”過(guò)程中要防止上位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)包含與BootLoader程序保存區(qū)地址重復(fù)的地址段，如果將BootLoader區(qū)覆蓋將導(dǎo)致下次復(fù)位后不能正確執(zhí)行引導(dǎo)程序。通過(guò)以下程序段實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)區(qū)的保護(hù)：

if（startAddr＞=0x6000）//與BootLoader沖突

SendString（"Code overflow! "）；

絕對(duì)地址的跳轉(zhuǎn)：當(dāng)升級(jí)完成或在復(fù)位后上位機(jī)未響應(yīng)升級(jí)握手時(shí)，程序即跳往“用戶程序”的入口地址，此地址保存于Flash的0x7C00處。

4 上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)

為了配合單片機(jī)內(nèi)BootLoader的功能實(shí)現(xiàn)，需要在計(jì)算機(jī)端編寫對(duì)應(yīng)的下載程序來(lái)共同完成固件升級(jí)，按照BootLoader的通訊協(xié)議，上位機(jī)服務(wù)程序使用Delphi開(kāi)發(fā)，程序主要針對(duì)串口操作，完成握手協(xié)議、用戶程序文件讀取并按照固定格式打包、下載及進(jìn)度監(jiān)測(cè)等功能，程序的運(yùn)行界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)軟件操作界面Fig.4 Operation interface of upper computer software

5 結(jié)束語(yǔ)

BootLoader是一個(gè)完善產(chǎn)品應(yīng)該具備的基本功能，其為基于單片機(jī)的產(chǎn)品程序升級(jí)提供了很好的解決途徑。

通過(guò)C8051F410單片機(jī)內(nèi)核的實(shí)際產(chǎn)品使用，很好的驗(yàn)證了本文所述方法的實(shí)用性、可靠性，同時(shí)這種方法也同樣適用于其他相似結(jié)構(gòu)的單片機(jī)。

當(dāng)程序具有重要保密需求時(shí)，可考慮將原Hex文件進(jìn)行加密，在下載過(guò)程中按照加密規(guī)則進(jìn)行解密，以使程序升級(jí)更加安全、通用。

為了使程序功能更加完善，在更新程序前應(yīng)將單片機(jī)內(nèi)原有舊版本的“用戶程序”下載并保存，然后再進(jìn)行更新，當(dāng)新升級(jí)的程序不能使用時(shí)還可恢復(fù)為舊版本。

[1] Silicon Laboratories.C8051F410/1/2/3 DataSheet[EB/OL].[2013-03-10].http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/201064/SILABS/C8051F410.html.

[2] 劉林，張曉丹，張作峰.BootLoader程序在MCF51AC系列單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20（11）:118-122.LIU Lin，ZHANG Xiao-dan，ZHANG Zuo-feng.The realization of the bootLoader program on MCF51AC series single chip microcomputer[J].Computer Systems&Applications，2011，20（11）:118-122.

[3] 新華龍電子有限公司.C8051 MCU應(yīng)用筆記[EB/OL].[2013-03-10].http://wenku.baidu.com/view/804af02f2af9024 2a895e543.html.

[4] Han-Way Huang.Embedded System Design with C8051[C]//Nelson Engineering，2011：530-650.

[5]電子網(wǎng).ATMega48的Bootloader的軟件實(shí)用方法[EB/OL].[2013-03-10].http://www.51dzw.com/embed/embed_2827.html.

[6] 雷文龍.基于MAX485實(shí)現(xiàn)C8051F060單片機(jī)RS485接口的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].輕工設(shè)計(jì)，2011（5）:74.LEI Wen-long.Design and implementation of C8051F060 microcontroller RS485 interface Based on the MAX485[J].Light Industry Design，2011（5）:74.