基于GD32的網(wǎng)絡(luò)在線燒寫技術(shù)研究

宋書龍，葛 露

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引言

嵌入式設(shè)備在實際使用中可能會遇到各種軟件問題和用戶需求的變化，這就需要對軟件進行升級以提供更好的功能和性能，尤其是交付到外場的設(shè)備，需要拆卸設(shè)備鏈接仿真器進行軟件升級，對于大型復(fù)雜的設(shè)備，甚至需要多名專業(yè)人員到現(xiàn)場，就會導(dǎo)致軟件升級過程比較繁瑣，增加了維護成本。軟件維護人員對嵌入式終端設(shè)備的軟件進行維護升級，常用的方法是拆卸設(shè)備，使用仿真器工具進行燒寫，而采用在線更新軟件的方式，可以解決不拆設(shè)備和掛載仿真器燒寫的問題。國外的公司PHILIPS的P89C51RX2xx系列單片機同時支持兩種功能在系統(tǒng)中編程和在應(yīng)用中編程，PHILIPS為了使在線更新技術(shù)得以推廣，還在單片機上提供了免費的BOOT固件，使在線燒寫功能實現(xiàn)更簡單，意法半導(dǎo)體公司的PSD系列微控制器的片內(nèi)Flash大容量存儲器，也同時支持在系統(tǒng)中編程和在應(yīng)用中編程。國內(nèi)的華大半導(dǎo)體有限公司HC32L136系列32位微控制器支持在線APP更新，在芯片上電復(fù)位的狀態(tài)下，BOOT0腳為高電平時，芯片會進入在線編程模式，通過上位機可以進行在線編程。兆易創(chuàng)新科技集團股份有限公司的GD32系列片上FLASH高達3 072 K字節(jié)用于存儲指令或數(shù)據(jù)，支持從系統(tǒng)存儲器啟動，在應(yīng)用編程則可由用戶在應(yīng)用中實現(xiàn)。本文采用GD32F450系列ARMCortex-M4內(nèi)核的32位通用微控制器(MCU，microcontroller unit)，處理器主頻高達200 MHz，控制器內(nèi)部集成了一個以太網(wǎng)外設(shè)，支持100 Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率，借助以太網(wǎng)外設(shè)，GD32F450控制器可以通過ETH外設(shè)按照IEEE 802.3-2002和IEEE 1588-2008標準發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。文獻[1-5]同類的研究大都是采用串口、CAN等總線在線燒寫，本設(shè)計是利用在應(yīng)用編程技術(shù)進行免拆設(shè)備，在外場通過網(wǎng)絡(luò)在線快速升級GD32國產(chǎn)微控制器固件。

1 燒寫技術(shù)原理

1.1 仿真器燒寫

通過仿真器燒寫有兩種接口：一種是JTAG模式，另一種是SWD模式，JTAG(Joint Test Action Group)國際標準測試協(xié)議被廣泛應(yīng)用于各種基于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)、測試和編程任務(wù)中。它提供了一種通用接口，可以方便地訪問芯片內(nèi)部電路和功能，可以實現(xiàn)與目標設(shè)備的通信，讀取和寫入芯片內(nèi)部寄存器或存儲器中的內(nèi)容，以及監(jiān)控和控制芯片的狀態(tài)，JTAG接口通常由TMS、TCK、TDI和TDO共4條線組成，TMS用于控制時序和模式選擇，TCK線則提供定時脈沖，TDI和TDO分別用于輸入和輸出數(shù)據(jù)。SWD(Serial Wire Debug)一種和JTAG不同的模式，使用的協(xié)議與JTAG也不一樣，SWD只需要4個引腳，結(jié)構(gòu)簡單，需要的硬件接口為：GND、RST、SWDIO和SWDCLK，分別為地線、復(fù)位、數(shù)據(jù)線及時鐘，調(diào)試階段的終端模塊大都使用仿真器仿真調(diào)試和燒寫，除了仿真器可以燒寫以外，還有一些通過總線方式在線燒寫[6-8]。

1.2 在線燒寫

在嵌入式技術(shù)中，在線編程方式主要有兩種：IAP(在應(yīng)用中編程)和ISP(在系統(tǒng)中編程)。

ISP(In-system Programming)在系統(tǒng)中編程，用于嵌入式系統(tǒng)或芯片程序的更新和燒錄，跟傳統(tǒng)的更新和燒錄方式相比，ISP允許直接通過系統(tǒng)的通信接口如SPI、I2C、UART等對芯片內(nèi)部進行編程操作，無需拆卸芯片，在系統(tǒng)上對程序進行更新、配置或修改，使用專門的編程器連接到目標設(shè)備進行編程操作，只要留出上位機的通信口，使用上位機軟件就可以實現(xiàn)對芯片內(nèi)部存儲器的數(shù)據(jù)、配置文件、參數(shù)設(shè)置等進行修改，由于ISP技術(shù)可以對芯片內(nèi)部直接訪問，在系統(tǒng)編程中，需要確保編程操作的準確性和安全性，避免意外寫入錯誤的代碼而損壞目標設(shè)備[9]。

IAP(In-application Programming)在應(yīng)用中編程，它與ISP相似，但ISP通常涉及到整個系統(tǒng)的編程，而IAP是在特定應(yīng)用程序中對固件進行更新，目標設(shè)備開機上電，直接運行應(yīng)用程序完成固件更新，而無需重新啟動目標設(shè)備，需要把目標設(shè)備上的存儲器劃分為3個獨立的區(qū)域：一個區(qū)域作為引導(dǎo)程序，一個區(qū)域用于更新程序，最后一個區(qū)域用于存儲新固件的升級文件，通過對程序存儲器的指定段進行讀和寫操作，從而實現(xiàn)對目標設(shè)備上的程序的更新和燒錄[10]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

在線燒寫系統(tǒng)主要由3部分組成：上位機軟件、手持控制器和終端設(shè)備，上位機軟件主要通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送給手持控制器，手持控制器把數(shù)據(jù)發(fā)送給終端設(shè)備，終端設(shè)備功能是運行點亮流水燈，系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 系統(tǒng)工作流程

1)上位機軟件通過網(wǎng)絡(luò)，把編譯鏈接生成最終的BIN格式文件發(fā)送給手持控制器。

2)終端設(shè)備上電時候，會進入BOOT引導(dǎo)區(qū)，此時如果手持控制器沒有給終端設(shè)備發(fā)送“啟動燒寫”指令，BOOT引導(dǎo)區(qū)的程序等待10 s以后，自動跳轉(zhuǎn)到APP運行區(qū)執(zhí)行；此時如果手持控制器給終端設(shè)備發(fā)送“啟動燒寫”指令，BOOT引導(dǎo)區(qū)的程序收到正確的指令會跳轉(zhuǎn)到UPDATE升級區(qū)，手持控制器發(fā)送需要待燒寫的BIN文件給終端設(shè)備，由UPDATE升級區(qū)運行的程序把收到的數(shù)據(jù)燒寫到指定Flash分區(qū)上，燒寫完成后自動跳轉(zhuǎn)到APP運行區(qū)執(zhí)行。

3)終端設(shè)備程序在APP運行區(qū)運行，手持控制器可以給終端設(shè)備發(fā)送復(fù)位命令，此時終端設(shè)備程序會進入BOOT引導(dǎo)區(qū)運行[11-12]。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.2.1 上位機模塊設(shè)計

如圖2所示，上位機軟件基于PC機開發(fā)設(shè)計，讀取本次編譯的BIN格式文件，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給手持控制器，網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)使用UDP協(xié)議，每次傳輸數(shù)據(jù)的大小1 024字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸完成會給手持控制器發(fā)送傳輸完成標志。

圖2 上位機模塊圖

2.2.2 手持控制器模塊設(shè)計

手持控制器的片上Flash不需要分區(qū)，程序運行于片上Flash的開始區(qū)域0x08000000，收到數(shù)據(jù)存儲在片外Flash上，外掛的Flash存儲容量512 MB。

手持控制器由自檢、數(shù)據(jù)讀取、啟動燒寫及數(shù)據(jù)注入等命令組成，手持控制器發(fā)送自檢命令給終端設(shè)備模塊，終端設(shè)備模塊收到命令將自檢結(jié)果發(fā)送給手持控制器，如果手持控制器未收到自檢數(shù)據(jù)，會重傳自檢命令給終端設(shè)備，重傳3次以后仍未收到數(shù)據(jù)或收到數(shù)據(jù)異常，都會顯示自檢超時，只有收到正確的自檢數(shù)據(jù)，會把自檢結(jié)果信息顯示，通過自檢命令判斷手持控制器與終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)鏈接是否正常[13-14]。

如圖3所示，手持控制器會主動發(fā)送數(shù)據(jù)讀取命令給上位機軟件，接收到上位機軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)會寫入到外掛的片外Flash進行存儲，當(dāng)手持控制器會發(fā)送數(shù)據(jù)注入命令給終端設(shè)備模塊時，會從外掛的片外Flash中讀取數(shù)據(jù)，發(fā)送給終端設(shè)備模塊。

圖3 手持控制器模塊圖

2.2.3 終端設(shè)備模塊設(shè)計

終端設(shè)備模塊的程序分區(qū)運行，防止在更新程序時候失敗，導(dǎo)致應(yīng)用程序無法執(zhí)行，終端設(shè)備模塊分為3個區(qū)加載程序，分別是BOOT區(qū)、UPDATE區(qū)和APP應(yīng)用區(qū)，如圖4所示。

圖4 終端設(shè)備模塊圖

1)BOOT區(qū)：終端模塊設(shè)備開機上電BOOT區(qū)的程序先加載運行，根據(jù)接收到的網(wǎng)絡(luò)命令進行程序跳轉(zhuǎn)。

2)UPDATE區(qū)：固件程序更新區(qū)，主要是更新程序，下載完成新固件后，自動跳轉(zhuǎn)到APP應(yīng)用區(qū)運行。

3)APP應(yīng)用區(qū)：主要用來實現(xiàn)所需要的業(yè)務(wù)的程序。

終端設(shè)備模塊開機上電時候，程序會在BOOT區(qū)運行，首先會初始化網(wǎng)絡(luò)，此時手持控制器發(fā)送“啟動燒寫”命令，終端設(shè)備模塊BOOT區(qū)的程序就會跳轉(zhuǎn)到UPDATE區(qū)域去運行，手持控制器發(fā)送 “數(shù)據(jù)注入”命令，會把待燒寫文件通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給終端設(shè)備模塊，終端設(shè)備模塊收到正確數(shù)據(jù)后會把數(shù)據(jù)寫入到片上Flash，數(shù)據(jù)寫入完成后，終端設(shè)備模塊的程序會跳轉(zhuǎn)到APP運行區(qū)去運行，就會看到流水燈點亮，此時手持控制器發(fā)送復(fù)位命令，終端設(shè)備模塊就會進行軟件復(fù)位，程序會從BOOT區(qū)重新運行，APP程序為用戶功能代碼，執(zhí)行用戶功能操作。

2.3 終端設(shè)備模塊Flash分區(qū)設(shè)計

GD32F450ZI上使用了兩片閃存，前1 024 kB容量在第0片閃存中，后續(xù)的容量在第1片閃存中，主存儲閃存總共容量為3 072 kB，包含8個16 kB的扇區(qū)、2個64 kB的扇區(qū)、14個128 kB的扇區(qū)、4個256 kB的扇區(qū)[15]。主存儲閃存的每個扇區(qū)都可以單獨擦除，支持32位整字或16位半字、字節(jié)編程，4 kB頁擦除，扇區(qū)擦除和整片擦除操作，Bank0的總大小為1 024 kB，閃存的地址范圍為0x08000000-0x080FFFFF。根據(jù)固件在線升級的需要，將其劃分為 3個作用不同的區(qū)域，具體劃分如表1所示。

表1 終端設(shè)備Flash地址區(qū)域劃分

終端設(shè)備模塊在系統(tǒng)上電后或復(fù)位后立即進入 BOOT引導(dǎo)區(qū)執(zhí)行，即系統(tǒng)上電或復(fù)位后，軟件從地址為0x8000000處執(zhí)行，因此在MDK上需設(shè)置BOOT引導(dǎo)區(qū)片上Flash 起始地址為 0x08000000，BOOT引導(dǎo)區(qū)生成的BIN文件大小為52 kB設(shè)置分區(qū)大小為192 kB，同樣原理，UPDATE升級區(qū)生成的BIN文件大小100 kB，因此在MDK上需要設(shè)置UPDATE升級區(qū)片上Flash 起始地址為 0x08030000，APP運行區(qū)生成的BIN文件大小150 kB，在MDK上需要設(shè)置APP運行區(qū)片上Flash 起始地址為 0x08060000，BOOT引導(dǎo)區(qū)、UPDATE升級區(qū)和 APP 運行區(qū)的存儲區(qū)域相互獨立，只存在簡單的跳轉(zhuǎn)關(guān)系[16]。

終端模塊BOOT引導(dǎo)區(qū)的程序必須通過仿真器燒入，運行于片上Flash的開始區(qū)域0x08000000，UPDATE升級區(qū)的程序也必須通過仿真器燒入，運行于片上Flash的開始區(qū)域0x08030000，APP運行區(qū)的程序可以通過手持控制器燒入，運行于片上Flash的開始區(qū)域0x08060000，以后需要更新終端模塊的程序，只需要更新手持控制器存儲內(nèi)容，無需通過仿真器進行更新，即使在燒寫的過程中突然掉電，只會導(dǎo)致APP運行區(qū)的程序會破壞，BOOT引導(dǎo)區(qū)和UPDATE燒寫區(qū)的程序仍然可以正確運行。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 啟動模式

ARM結(jié)構(gòu)CM4手冊規(guī)定芯片復(fù)位時要從0x0000 0000地址開始取出中斷向量，GD32的片上Flash在MDK里被設(shè)置為起始地址0x0800 0000，因為啟動模式?jīng)Q定了向量表的位置，GD32有3種啟動模式：

1)片上Flash存儲器。當(dāng)選擇從片上Flash啟動模式后，使用JTAG或SWD模式燒寫程序，一般會將程序下載到設(shè)備內(nèi)置的片上Flash存儲器中的0x0800 0000地址處，設(shè)備重啟直接從這個地址啟動程序，片上Flash的0x0800 0000地址被映射到0地址處，這個時候CM4既可以在0地址處訪問中斷向量表，也可以在0x0800 0000地址處訪問中斷向量表，而代碼存放在地址0x0800 0000。GD32通過做了一個啟動映射，NVIC中有一個寄存器，稱為向量表偏移量寄存器，在文件GD32f4xx_misc.c通過修改該寄存器的值就能重新定位向量表，向量表在地址空間中的位置是通過重定位寄存器設(shè)置的值來指出向量表的地址。在復(fù)位后，該寄存器的值為0[17]。

2)系統(tǒng)存儲器啟動。從系統(tǒng)存儲器啟動，通過設(shè)置引導(dǎo)引腳BOOT1=0 BOOT0=1，芯片能夠從特定區(qū)域的固化程序開始執(zhí)行，特定區(qū)域的內(nèi)存地址從0x1FFFF000開始，存放了廠家預(yù)置的程序，也稱為ISP程序，通常是只讀的，在出廠后，這個區(qū)域的數(shù)據(jù)不可以被修改或擦除，因此被認為是ROM區(qū)域。它存放著芯片出廠時預(yù)置的固化程序，主要用于初始化系統(tǒng)和提供下載功能，我們可以使用廠商提供的ISP程序，通過串口總線將用戶的應(yīng)用程序下載到芯片的Flash存儲器中，下載完成后，為了使芯片能夠正常啟動運行已下載的程序，需要將BOOT0引腳和BOOT1引腳都重新設(shè)置為低電平。這種方式的好處是在不使用仿真器的情況下，直接通過串口進行程序更新和調(diào)試[18]。

3)片上SRAM啟動。從片上SRAM啟動時，確保程序正確執(zhí)行，需要在應(yīng)用程序的初始化代碼中重新設(shè)置向量表的位置，從特定的起始地址0x2000 0000進行訪問，與前面提到的系統(tǒng)存儲器啟動不同，SRAM無法永久存儲程序，且在掉電后數(shù)據(jù)將丟失，如果需要長期保存的數(shù)據(jù)，必須采取其他方式進行存儲，以防止掉電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，因此這種啟動模式主要用于程序的調(diào)試和臨時存儲數(shù)據(jù)[19]。

在許多GD32系列芯片上，存在兩個引腳BOOT0和BOOT1，它們在芯片復(fù)位時的電平狀態(tài)決定了芯片復(fù)位后從哪個區(qū)域開始執(zhí)行程序。多數(shù)正常啟動情況下BOOT0和BOOT1引腳都被拉低，電平都為0時，芯片從片上Flash存儲器的起始地址處開始執(zhí)行程序。當(dāng)芯片從系統(tǒng)存儲器啟動時候，BOOT0引腳被設(shè)置為高電平，才允許外部串口下載新的程序到芯片的Flash存儲器中，下載完成后，將BOOT0引腳重新設(shè)置為低電平，以便芯片正常啟動已下載的程序，而BOOT1引腳通常保持為低電平。當(dāng)芯片從SRAM啟動，BOOT0和BOOT1兩個引腳都需要拉高。啟動模式如表2所示。

表2 啟動模式

通過設(shè)置BOOT1和BOOT0兩個引腳的電平狀態(tài)，就可以靈活切換芯片的啟動模式，本文啟動模式設(shè)計為BOOT1=0和BOOT0=0從片上Flash存儲器啟動，如圖5所示。

圖5 啟動模式原理圖

3.2 PHY芯片原理

DP83848是一種由德州儀器(Texas Instruments)公司生產(chǎn)的集成以太網(wǎng)控制芯片，用于實現(xiàn)100 Mbit/s單路物理層以太網(wǎng)的收發(fā)功能，支持100 M的以太網(wǎng)通信，集成度高，具有低功耗等性能，同時支持MII(媒體獨立接口)與RMII(簡化的媒體獨立接口)兩種與物理層(PHY)通訊的標準接口，實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收，遵守IEEE 802.3-2002標準和IEEE 1588-2008標準，還集成了串行管理接口(SMI，serial management interface)，專門用于訪問PHY芯片寄存器[20-21]，SMI接口包括MDC和MDIO兩條信號線，MDIO是用來讀寫PHY的寄存器，以獲取PHY的狀態(tài)，MDC為MDIO提供時鐘。SMI接口可以支持最多32個PHY，但在任意時刻只能訪問一個PHY的一個寄存器。

本文采用RMII接口模式，需要7根線通信，MII模式需要16根通信線，RMII模式在功能上與MII是相同的，在保持物理層器件現(xiàn)有特性的前提下減少了PHY芯片引腳數(shù)量，RMII接口模式主要包括以下引腳：參考時鐘、發(fā)送使能、接收使能、發(fā)送數(shù)據(jù)及接收數(shù)據(jù)等。PHY芯片原理如圖6所示。

圖6 PHY芯片原理圖

ETH_50M：在RMII模式下使用，提供給PHY芯片的50 MHz參考時鐘，這個外部時鐘非常重要，需要穩(wěn)定、高精度，讓系統(tǒng)各個組件時序同步。

MCU_PHY_TXEN：數(shù)據(jù)發(fā)送使能，高電平有效。在整個數(shù)據(jù)發(fā)送過程保存有效電平，表示MAC層正在將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)放到MCU_PHY_TXD0和MCU_PHY_TXD1上。

MCU_PHY_TXD0：發(fā)送數(shù)據(jù)，MCU_PHY_TXEN有效后，作為發(fā)送端。

MCU_PHY_TXD1：在RMII模式下只有2位，只有在MCU_PHY_TXEN 有效數(shù)據(jù)線才有效。

MCU_PHY_CRS_DV：數(shù)據(jù)接收使能，用于數(shù)據(jù)接收。對于RMII 模式，這個MCU_PHY_CRS_DV引腳有效，則認為在MCU_PHY_RXD0和MCU_PHY_RXD1上的數(shù)據(jù)是有效的。

MCU_PHY_RXD0：接收數(shù)據(jù)，與ETH_50M時鐘同步，在MCU_PHY_CRS_DV有效后的每個時鐘周期里，MCU_PHY_RXD0和MCU_PHY_RXD1接收PHY芯片的兩位數(shù)據(jù)。

MCU_PHY_RXD1：接收數(shù)據(jù)，MCU_PHY_CRS_DV有效后，作為接收端。

MCU_PHY_MDC：為MCU_PHY_MDIO提供時鐘，最高頻率為2.5 MHz的時鐘信號，在空閑狀態(tài)下該引腳保持為低電平狀態(tài)。

MCU_PHY_MDIO：用于與PHY之間的數(shù)據(jù)傳輸，與MCU_PHY_MDC時鐘線配合，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)變壓器原理

網(wǎng)絡(luò)變壓器原理如圖7所示。在PHY芯片與RJ45網(wǎng)絡(luò)插座之間還需要一個網(wǎng)絡(luò)變壓器，PHY芯片工作時送出的上行數(shù)據(jù)信號從網(wǎng)絡(luò)變壓器的 Pin1和Pin3進入，再由Pin16和Pin14輸出，經(jīng)RJ45水晶頭連接網(wǎng)線發(fā)送出去，外部設(shè)備送來的下行數(shù)據(jù)信號經(jīng)網(wǎng)線和RJ45水晶頭，由Pin9和Pin11進入網(wǎng)絡(luò)變壓器，再由Pin6和Pin8輸出，送到PHY芯片的收發(fā)器上。

圖7 網(wǎng)絡(luò)變壓器原理圖

理論上來說，可以不接網(wǎng)絡(luò)變壓器，從PHY芯片出來信號直接連到RJ45上，也是能正常工作的，但傳輸距離就會受到限制，因為PHY芯片驅(qū)動器的功率有限，當(dāng)網(wǎng)線較長時，到接收端RJ45上的信號會逐漸衰減，導(dǎo)致工作異常，添加網(wǎng)絡(luò)變壓器后，通過變壓器輸出信號顯著提高，傳輸距離進一步增加。增加網(wǎng)絡(luò)變壓器相當(dāng)于將PHY芯片與RJ45線路隔離，減少PHY芯片受到各種干擾，輸出信號更加穩(wěn)定，還可以確保不同型號PHY芯片信號正常傳輸，增強整個網(wǎng)絡(luò)的兼容性。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件通過網(wǎng)絡(luò)與手持控制器進行數(shù)據(jù)通信，手持控制器是固件更新操作的發(fā)起端，手持控制器發(fā)送數(shù)據(jù)讀取命令給上位機，上位機把編譯生成的BIN文件發(fā)送手持控制器存儲。其具體實現(xiàn)流程如下：

1)上位機軟件初始化，讀取本地更新BIN文件，如果收到手持控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)讀取命令后，會把文件大小通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給手持控制器，手持控制器接收到正確的文件大小后擦除本地片外Flash；

2)上位機根據(jù)讀取數(shù)據(jù)幀長度判斷是否需要拆幀發(fā)送，數(shù)據(jù)超過1 024字節(jié)需要進行拆分為若干幀，沒有超過1 024字節(jié)的數(shù)據(jù)直接發(fā)送，上位機發(fā)送的每幀數(shù)據(jù)1 024字節(jié)，發(fā)送完成都要等待手持控制器回復(fù)，否則對該幀數(shù)據(jù)進行重傳3次，重傳3次仍沒有收到表示傳輸失?。?/p>

3)上位機下發(fā)的每幀數(shù)據(jù)都收到了手持控制器回復(fù)，當(dāng)傳輸完最后一幀數(shù)據(jù)，手持控制器會顯示數(shù)據(jù)讀取成功，如果傳輸過程中出現(xiàn)異常，手持控制器會顯示數(shù)據(jù)讀取超時。

4.2 手持控制器軟件設(shè)計

手持控制器操作按鍵選擇相應(yīng)功能執(zhí)行，跟設(shè)備進行命令式交互，通過以太網(wǎng)接口與終端設(shè)備模塊通信，交互信息顯示在屏上顯示，手持控制器起到了中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的作用，手持控制器設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 手持控制器設(shè)計流程

手持控制器交互具體實現(xiàn)流程如下：

1)上電初始化手持控制器，主要包括顯示模塊、按鍵模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、Flash模塊等；

2)初始化完成進入主菜單，通過查詢判斷按鍵是否被按下，如果按下就會發(fā)送對應(yīng)的命令給終端設(shè)備模塊，終端設(shè)備模塊收到命令回復(fù)確認消息，超過設(shè)置的時間未收到數(shù)據(jù)，則顯示超時；

3)如果按下數(shù)據(jù)注入命令，就會讀取存儲在片外Flash中的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給終端設(shè)備模塊，發(fā)送完成后顯示發(fā)送成功；如果按下數(shù)據(jù)讀取命令，就會接收上位機軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到片外Flash，接收完成后顯示接收成功；

4)如果按下自檢命令，就會通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給終端設(shè)備模塊，終端設(shè)備模塊收到自檢命令就會把自檢結(jié)果回傳給手持控制器。

4.3 終端設(shè)備模塊軟件設(shè)計

終端設(shè)備模塊的設(shè)計需要創(chuàng)建3個工程，分別是BOOT工程、 UPDATE工程和APP點亮流水燈工程，如圖9所示，終端模塊上電運行BOOT區(qū)程序，等待手持控制器發(fā)送升級命令，10 s沒有升級收到命令，程序跳轉(zhuǎn)到APP區(qū)運行。如果終端設(shè)備模塊上電以后，手持控制器發(fā)送升級命令，程序跳轉(zhuǎn)到UPDATE區(qū)運行，將收到的數(shù)據(jù)寫入到0x8060000開始的地址，數(shù)據(jù)全部燒寫完成后，程序會跳轉(zhuǎn)到APP區(qū)運行。

圖9 終端模塊的圖

4.3.1 BOOT啟動區(qū)的軟件設(shè)計

終端模塊上電復(fù)位后在0x0800 0000地址處訪問中斷向量表，如果收到手持控制器升級命令，跳轉(zhuǎn)到UPDATE區(qū)，10 s沒有收到手持控制器命令，跳轉(zhuǎn)到APP區(qū)，下面程序是收到升級命令從BOOT區(qū)跳轉(zhuǎn)到UPDATE區(qū)。

define FLASH_UPDATE_ADDR 0x08003000 /*UPDATE區(qū)中斷向量表*/

void iap_jump_to_update(void)

{

if (((*(__IO uint32_t*)FLASH_UPDATE_ADDR) &0x2FFE0000 ) 0x20000000) /*檢查棧頂?shù)刂肥欠窈戏?*/

{

__disable_irq();/*屏蔽所有中斷,否則可能導(dǎo)致跳轉(zhuǎn)的失敗*/

JumpAddress = *(__IO uint32_t*) (FLASH_UPDATE_ADDR + 4); /*設(shè)置UPDATE區(qū)堆棧首地址即跳轉(zhuǎn)到新的程序的起始地址 */

Jump_To_Update = (pFunction) JumpAddress; /*將跳轉(zhuǎn)到達UPDATE區(qū)程序的首地址賦值給一個函數(shù)指針*/

__set_MSP(*(__IO uint32_t*) FLASH_UPDATE_ADDR); /*初始化堆棧指針*/

Jump_To_Update (); /*函數(shù)指針完成跳轉(zhuǎn)*/

}

}

4.3.2 UPDATE燒寫區(qū)的軟件設(shè)計

UPDATE區(qū)的程序能夠運行，需要在程序中再次被映射中斷向量表，根據(jù)表1終端設(shè)備模塊片上Flash地址區(qū)域劃分，UPDATE區(qū)中斷向量表被映射到0x0803 0000，修改中斷向量表函數(shù)使用nvic_vector_table_set(NVIC_VECTTAB_FLASH，0x30000)，UPDATE區(qū)程序存儲更改為0x0803 0000，如圖10所示。

圖10 UPDATE區(qū)程序存儲位置

手持控制器負責(zé)將上位機軟件下發(fā)的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)總線轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的終端設(shè)備模塊，UPDATE區(qū)的程序按照表3數(shù)據(jù)幀消息內(nèi)容進行解析，每幀前8個字節(jié)分別表示幀頭、長度和幀序號，后面接著1 024字節(jié)真實BIN文件數(shù)據(jù)，為避免傳輸出錯會進行CRC校驗，終端設(shè)備模塊收到每幀數(shù)據(jù)都正確，就會寫入到片上Flash存儲。

表3 數(shù)據(jù)幀消息內(nèi)容

下面程序是UPDATE區(qū)核心程序，主要功能是燒寫B(tài)IN文件到片上Flash中，燒寫完成程序會自動跳轉(zhuǎn)到APP區(qū)。

define FLASH_APP2_ADDR (0x08060000) /* APP區(qū)起始地址*/

define READ_LEN (1024) /*一幀固件數(shù)據(jù)大小*/

void Write_MCU_To_Flash(void)/*把固件數(shù)據(jù)寫到flash*/

{

uint32_t data_buff[512]={0};

if(JTAG_flag 1)

{

g_cn = 0;/*計數(shù)清0*/

}

else if(JTAG_flag 2)/*收到一幀數(shù)據(jù)1024字節(jié)*/

{

memcpy(data_buff,g_UdpRxBuf+8,READ_LEN);

fmc_write_32bit_data(FLASH_APP2_ADDR+g_cn,READ_LEN/4, data_buff); /*寫入片上FLASH*/

g_cn+=READ_LEN;

}

else if(JTAG_flag 3) /*收到最后一幀數(shù)據(jù)不足1024字節(jié)*/

{

memcpy(data_buff,g_UdpRxBuf+8,data_len);

fmc_write_32bit_data(FLASH_APP2_ADDR+g_cn,data_len/4, data_buff); /*寫入片上FLASH*/

g_cn = g_cn + data_len;

}

}

4.3.3 APP運行區(qū)的軟件設(shè)計

1)同樣原理APP區(qū)的程序能夠運行，根據(jù)表1終端設(shè)備模塊片上Flash地址區(qū)域劃分，APP區(qū)中斷向量表被映射到0x08060000，修改中斷向量表映射位置nvic_vector_table_set(NVIC_VECTTAB_FLASH，0x60000)。

2)默認情況下MDK編譯鏈接是不會生成 BIN 文件，需要配置工程選項，在 MDK的“Options For Target->Users”中加入fromelf 指令，編譯生成BIN格式文件如圖11所示，KARMARMCCinfromelf.exe --bin-output=@L.bin ！L。原始數(shù)據(jù)如圖12所示，其中BIN 文件是最直接的代碼映像，它記錄的內(nèi)容就是要存儲到片上FLASH 的二進制數(shù)據(jù)，在片上FLASH 中燒寫的內(nèi)容與BIN文件內(nèi)容完全相同[22]。

圖11 配置工程

圖12 BIN文件的原始數(shù)據(jù)

3)程序在UPDATE區(qū)運行時候，才能更新固件，在APP區(qū)運行無法更新，此時，手持控制器給終端設(shè)備模塊發(fā)送復(fù)位命令，通過NVIC_SystemReset()函數(shù)執(zhí)行軟件復(fù)位。軟件復(fù)位后程序就會重新從BOOT區(qū)運行，手持控制器給終端設(shè)備模塊發(fā)送燒寫命令，終端設(shè)備模塊程序跳轉(zhuǎn)到UPDATE區(qū)運行，固件更新完成后會自動運行新的應(yīng)用程序。

5 實驗結(jié)果與分析

本文是把生成固件通過上位機發(fā)送給手持控制器，通過手持控制器，對終端設(shè)備模塊的應(yīng)用程序進行燒寫，通過實驗對固件升級過程進行模擬測試驗證，并對終端設(shè)備模塊的環(huán)境實驗進行測試驗證，最后對實驗結(jié)果進行分析和總結(jié)。

5.1 固件升級

1)按照3.3節(jié)完成終端設(shè)備模塊設(shè)計，把片上Flash全部擦除，BOOT區(qū)的可執(zhí)行程序和UPDATE區(qū)的可執(zhí)行程序通過仿真器燒錄到片上Flash，將APP應(yīng)用程序生成的BIN文件，通過上位機軟件發(fā)送到手持控制器；

2)終端設(shè)備模塊上電復(fù)位，通過手持控制器把APP應(yīng)用程序生成的BIN文件燒寫到片上Flash指定地址，通過讀取0x0806 0000地址數(shù)據(jù)與BIN源文件比對，如果兩者一樣，說明燒寫到片上Flash成功，BIN源文件的部分數(shù)據(jù)如圖12所示，片上Flash部分數(shù)據(jù)如圖13所示；

圖13 片上Flash讀出來的數(shù)據(jù)

3)燒寫完成后，手持控制器會顯示燒寫完成，觀察終端設(shè)備模塊上的流水燈會閃爍，表明此次升級成功。有多種情況會造成固件升級失敗，比如升級過程中網(wǎng)絡(luò)斷開、突然斷電都會導(dǎo)致終端設(shè)備模塊燒寫失敗，此時終端模塊上電復(fù)位會無法工作，流水燈無法點亮。由于本設(shè)計分為BOOT區(qū)、UPDATE區(qū)和APP區(qū)，異常造成固件升級失敗，只是APP區(qū)的程序無法正常運行，斷電后終端設(shè)備模塊重新上電燒寫，仍可以將固件寫入APP區(qū)完成升級。

5.2 環(huán)境實驗測試

通過手持控制器燒寫完成的終端設(shè)備模塊放到溫箱進行環(huán)境實驗測試，分別在高溫正52 ℃、低溫負55 ℃和常溫正30 ℃進行功能驗證，觀察流水燈是否點亮，在此范圍溫度上電斷電各30次，測試記錄如圖14所示，流水燈全部點亮。

圖14 環(huán)境實驗圖

5.3 實驗結(jié)果

通過上述實驗表明，在-55～52 ℃流水燈都點亮，固件都能正常工作，上下電各30次全部點亮，成功率均達到了100%，實驗結(jié)果與預(yù)期一致，通過在線燒寫固件方法，可以讓終端設(shè)備模塊程序正確運行，方案是穩(wěn)定可靠的。

6 結(jié)束語

本文是通過免拆終端模塊及無須掛載仿真器對其在線燒寫，并對其功能進行驗證，通過實驗測試驗證流水燈都能正常工作，說明此方案可行性，達到了預(yù)期的目的，基于GD32芯片網(wǎng)絡(luò)在線燒寫固件技術(shù)可靠，為外場升級免拆設(shè)備提供依據(jù)，在企業(yè)的實際生產(chǎn)和維護過程中使用在線燒寫技術(shù)，可以降低設(shè)備維護人力成本，大大地提高了企業(yè)經(jīng)濟效益。