摘 要： 介紹了一種在Silicon Labs公司的C8051F34x系列單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)USB Bootloader的設(shè)計(jì)方法，使應(yīng)用程序可以通過USB或COM通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線升級。首先，簡述了USB Bootloader；然后，詳細(xì)闡述了USB Bootloader程序的設(shè)計(jì)和APP固件程序的設(shè)計(jì)，以及設(shè)計(jì)中需要注意的問題；最后，用VC++開發(fā)上位機(jī)軟件來完成該Bootloader的遠(yuǎn)程在線下載功能。該Bootloader可以很方便地在其他類似單片機(jī)上移植，通用性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞： C8051F34x；USB Bootloader；遠(yuǎn)程升級
Bootloader(以下簡稱BL)是一段引導(dǎo)程序，在單片機(jī)上電或復(fù)位后在應(yīng)用程序(以下簡稱APP)之前先運(yùn)行，來判斷當(dāng)前是否需要進(jìn)入升級狀態(tài)。如果不需要升級，就直接跳轉(zhuǎn)到APP運(yùn)行；如果需要升級，首先擦除舊的APP，然后通過某種通信接收APP固件程序，同時(shí)寫入Flash中。
BL固件程序能以多種方式獲取數(shù)據(jù)，包括串口、并口、I2C、SPI、USB等，但是從實(shí)際使用和成熟度來看，使用串口無疑是最方便的。如今，USB總線憑借其方便、快速、靈活、穩(wěn)定、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用、發(fā)展和普及，使用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是一種趨勢。本文設(shè)計(jì)的BL主要基于USB通信，同時(shí)考慮到模塊兼容，保留了串口通信。
一般來說，一個(gè)BL應(yīng)該能夠完成以下功能：(1)通過某種通信收發(fā)數(shù)據(jù)；(2)擦除并升級APP應(yīng)用固件程序；(3)判斷APP固件的完整性；(4)APP與BL的中斷跳轉(zhuǎn)問題。而基于USB通信的BL，除了要完成一般BL的功能，還需要考慮BL與APP共用除USB中斷外的USB一般處理函數(shù)等問題。下面對BL固件程序設(shè)計(jì)、APP固件程序設(shè)計(jì)以及上層軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
1 USB Bootloader設(shè)計(jì)
1.1 硬件平臺
本文設(shè)計(jì)的USB BL是基于Silicon Labs公司C8051F34x系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的；C8051F34x器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、電壓調(diào)整器、看門狗定時(shí)器、時(shí)鐘丟失檢測器、時(shí)鐘振蕩器、USB、SMBus/I2C、UART、SPI、定時(shí)器、I/O、多達(dá)4 352 B片內(nèi)RAM和64 KB的片內(nèi)Flash存儲器，F(xiàn)lash存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程的能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。
C8051F34x器件集成了一個(gè)完整的全速/低速USB功能控制器，剛開始設(shè)計(jì)時(shí)采用C8051F34x自帶的USB，但是靜電測試不符合要求，最終選用了C8051F34x和PDIUSBD12組合，解決了靜電問題。
PDIUSBD12是一款性價(jià)比很高的USB器件，它符合USB1.1版規(guī)范，可與任何外部微控制器實(shí)現(xiàn)高速并行接口(2 Mb/s)，具有良好的EMI特性，高于8 kV的在片靜電防護(hù)電路等，詳細(xì)資料請查詢參考文獻(xiàn)[3]。
1.2 BL和APP固件的地址分配
USB BL預(yù)計(jì)將占用8 KB的地址空間，從0x0000h到0x1FFFh，包括USB BL固件程序本身和用來判斷程序是運(yùn)行APP還是BL的一段簽名程序。BL與APP地址空間分配如圖1所示，APP固件程序存放的地址空間從0x2000h開始。
1.3 BL和APP的自動(dòng)跳轉(zhuǎn)
在程序中，設(shè)置一個(gè)設(shè)備模式標(biāo)志位，用來判斷程序是應(yīng)該運(yùn)行在BL中還是在APP中，此標(biāo)志位存儲在RAM的一個(gè)固定地址2F7h處。本文設(shè)計(jì)的BL，DEVICE_MODE為設(shè)備模式標(biāo)志位，其值等于1時(shí)為BL_MODE(BL模式)，其值等于0為APP_MODE(APP模式)。
有兩種情況設(shè)備模式為BL模式，可以下載更新APP固件程序：一是在指定的簽名地址處沒有指定的兩字節(jié)的簽名；二是Flash寫錯(cuò)誤，在C8051F34x單片機(jī)中， Flash讀地址超出了用戶代碼空間，即MOVC操作的地址大于0xFBFF，發(fā)生Flash錯(cuò)誤復(fù)位后，F(xiàn)ERROR位(RSTSRC.6)被置位。
上電后是否運(yùn)行APP固件程序通過第一種情況判斷。當(dāng)需要更新APP固件程序時(shí)，造成Flash寫錯(cuò)誤，通過第二種情況進(jìn)入BL模式，開始更新程序，如圖2所示。
1.4 中斷重定位
一般情況下，MCU中斷向量分布在復(fù)位(0x0000)以后，位于低地址空間。由于BL程序占據(jù)了此段空間，因此，除了USB0中斷(中斷序列表第８號中斷)和串口中斷(中斷序列表第5號中斷)，其他所有的中斷(C8051F34x共有16個(gè)通用中斷)都需要做中斷二次映射。也就是說，需要在原中斷向量入口地址處手動(dòng)添加二次跳轉(zhuǎn)函數(shù)，使新的中斷向量指向用戶的中斷程序，這樣才能保證正常運(yùn)行APP固件程序的中斷程序。具體的跳轉(zhuǎn)地址由APP固件程序起始地址決定，這一部分在START51．A51中通過編寫函數(shù)來完成。假設(shè)固件的起始地址設(shè)置為0x2000H，則中斷跳轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)過程如下。
首先定義幾個(gè)常量：
HW_INTVEC_TABLE EQU 0003h
HW_INTVEC_SEPARATION EQU 8
INTVEC_TABLE EQU START_APPLICATION+3
INTVEC_SEPARATION EQU8
START_APPLICATION EQU2000h
中斷向量重映射：
CSEG AT HW_INTVEC_TABLE +
(HW_INTVEC_SEPARATION*INT_NUM)LJMP
INTVEC_TABLE+(INTVEC_SEPARATION
*INT_NUM)
//以定時(shí)器2中斷為例(第5號中斷)
CSEG AT0003h+8h*5h=002Bh
LJMP 2000h+0003h+8h*5h=202Bh
1.5 中斷處理函數(shù)
8號USB中斷由于同時(shí)要被BL固件和APP固件調(diào)用，因此不能對其進(jìn)行二次跳轉(zhuǎn)，而通過共享的USB庫文件中的USB_ISR主中斷處理函數(shù)進(jìn)行處理，通過DEVICE_MODE判斷當(dāng)前設(shè)備處于BL模式或APP模式來自動(dòng)地二次跳轉(zhuǎn)到BL固件或APP固件的USB中斷處理函數(shù)處，如圖3所示。
需要注意的是，4號串口中斷同樣要被兩者所調(diào)用，因此對4號中斷的處理與8號中斷相同。先由4號中斷入口地址跳轉(zhuǎn)到原地址處，然后在此地址處根據(jù)設(shè)備模式進(jìn)行中斷分流，決定是到BL還是到APP的中斷處理函數(shù)處。
1.6 USB BL命令函數(shù)
BL固件程序中的命令函數(shù)如表1所示。
(1)Erase Page：擦除APP固件程序和簽名；
(2)Write Page：將APP固件程序的HEX文件寫入Flash；
(3)Write Signature：APP固件程序?qū)慒lash成功后，將簽名寫入指定的地址處，表示APP固件已經(jīng)存在于Flash中；
(4)Get Version：取BL程序的版本號。
2 APP固件程序設(shè)計(jì)
使用USB BL，需要對APP固件程序進(jìn)行一些添加和修改。
(1) 由于BL占用了0x0000~0x1FFF的空間，APP固件程序是以0x2000h作為起始地址的，這樣就需要修改APP程序的偏移量。
①修改STARTUP.A51文件，把“CSEG AT 0”變?yōu)?ldquo;CSEG AT 2000h”；
②點(diǎn)擊Porject->Options for Target‘Target1’，點(diǎn)擊C51項(xiàng)目欄，把Interrupt vectors address欄選中，內(nèi)容改為0x2000，點(diǎn)擊BL51 Locate項(xiàng)目欄，將code項(xiàng)改為0x2000。
(2)APP固件程序應(yīng)該具備從APP轉(zhuǎn)到BL的功能，需要增下以下代碼：
①main()主函數(shù)中增加接收更新APP固件程序的命令字以及對此命令的處理代碼，使用BOOTLOAD_REQ()命令來觸發(fā)一次Flash讀復(fù)位，使器件進(jìn)入BL模式；
②在STARTUP.A51文件增加以下代碼：
//造成Flash寫錯(cuò)誤地址定義
PUBLICBOOTLOAD_REQ
BOOTLOAD_REQ EQU 0FFFFh
③在頭文件中添加函數(shù)聲明：
void BOOTLOAD_REQ(void)
(3)去掉與BL重復(fù)的USB通信函數(shù)部分，特別是要去掉Control_USB()函數(shù)(該函數(shù)主要完成設(shè)備請求處理函數(shù))，因?yàn)榇撕瘮?shù)在BL中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并且用絕對地址固定，應(yīng)用程序只需跳轉(zhuǎn)到固定的絕對地址處即可，修改如下：
①在STARTUP.A51文件增加以下代碼：
//control_usb地址定義
PUBLIC Control_USB
//USB通信產(chǎn)生的外部中斷1在APP固件的入口地址
Control_USB EQU 1300h
②注意需要在BL中先定義Control_USB的入口地址，方法如下：在BL工程下，Porject->Options for Target ‘Target1’，點(diǎn)擊BL51 Locate項(xiàng)目欄，將code項(xiàng)修改為
？PR？VCONTROL_USB？BOOTLOADER_F340(0x1300)；
(4)修改USB中斷處理函數(shù)：由于USB控制器采用PDIUSBD12，其中斷引腳INT_N接C8051F34x的P0.7引腳，且該引腳被配置為外部中斷1，電平觸發(fā)方式，低電平有效。因此應(yīng)在外部中斷1中斷處理函數(shù)中獲取USB中斷源并進(jìn)入相應(yīng)的子程序進(jìn)行處理。
(5)USB設(shè)備的枚舉過程在BL中完成，因此PID、VID是BL程序所決定的，需要在BL中改變此處的值以適應(yīng)自己的模塊。
(6)保護(hù)被BL使用的位，DEVICE_MODE的位地址，在STARTUP.A51文件中，在宏定義和代碼段開始之前增加以下的代碼：
//Last bit in bit-addressable space(2F.7h)
MEM_DEVICE_MODE BIT 07Fh
PUBLIC DEVICE_MODE
BSEGATMEM_DEVICE_MODE
DEVICE_MODE： DBIT 1
3 遠(yuǎn)程在線下載
3.1下載步驟
(1)從APP切換到BL。此時(shí)，程序正常運(yùn)行在APP模式，發(fā)送更新程序命令，致使Flash寫錯(cuò)誤進(jìn)入BL模式。
(2)擦除Flash。在BL模式下，發(fā)送擦除Flash命令，擦除簽名和APP固件程序，返回成功ERASE_OK。
(3)寫Flash。擦除Flash成功后，可以將新的APP固件程序的HEX文件寫進(jìn)Flash。校驗(yàn)失敗，返回WRITE_FAILED，成功返回WRITE_OK。
(4)寫簽名。寫Flash成功后，將2 B的簽名寫到指定的地址處，表示APP固件已經(jīng)存在于Flash中。
(5)從BL切換到APP。寫簽名成功后，使程序跳轉(zhuǎn)到APP固件程序處執(zhí)行。
3.2 上層軟件設(shè)計(jì)
本文使用VC++6.0開發(fā)了BL上層軟件，如圖4所示。
在線下載時(shí)，有兩種方式：(1)正常下載，這是常用的一種方式，這種下載方式在下載前和下載后會(huì)進(jìn)行APP固件程序版本比較，如果是不同版本的程序，可以進(jìn)行升級，如果是同一版本的程序，直接返回成功；(2)強(qiáng)制下載，這種下載方式不進(jìn)行APP固件程序版本比較，點(diǎn)擊即可進(jìn)行升級，一般在APP固件程序調(diào)試時(shí)多次下載使用。
在線下載使用方法：首先點(diǎn)擊“瀏覽”按鈕，查找到用于升級的新版本的HEX文件；再點(diǎn)擊“正常下載”或“強(qiáng)制下載”進(jìn)行程序升級；然后在右邊查看返回結(jié)果，看升級是否成功。
3.3 設(shè)計(jì)注意點(diǎn)
在APP轉(zhuǎn)BL以及BL轉(zhuǎn)APP時(shí)，需要考慮USB枚舉時(shí)間，枚舉成功后才能正常地發(fā)送和接收。遠(yuǎn)程下載過程中，需要考慮一些異常情況，如PC主機(jī)死機(jī)、模塊CPU死機(jī)、死循環(huán)或復(fù)位等，針對這些情況，本設(shè)計(jì)均作了冗錯(cuò)處理。
一個(gè)良好的BootLoader程序應(yīng)該具有良好的可維護(hù)性并可以正確處理異常情況，不會(huì)因?yàn)橐馔馇闆r引起系統(tǒng)的損壞和崩潰。本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)用的USB Bootloader。經(jīng)大量測試和實(shí)際應(yīng)用，可滿足開發(fā)和維護(hù)人員的要求。
參考文獻(xiàn)
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