基于PSoC Creator Bootloader更新PSoC?3固件程序

　　1. 引言

　　許多電子產(chǎn)品允許出廠后更新固件程序，從而制造商可以發(fā)布新的固件版本增加功能或是修正錯(cuò)誤。該功能一般有兩種實(shí)現(xiàn)方式：在系統(tǒng)程序燒錄和駐留更新程序。若將待更新的芯片看做從機(jī)，將執(zhí)行更新操作的PC或是MCU看做主機(jī)，第一種方法通過(guò)芯片的燒錄接口，由主機(jī)模擬生產(chǎn)時(shí)燒錄器的時(shí)序，將固件數(shù)據(jù)燒錄至Flash中;第二種方法在從機(jī)的運(yùn)行代碼中實(shí)現(xiàn)一段駐留程序，主機(jī)通過(guò)某種通訊接口與駐留程序通信，將固件數(shù)據(jù)先發(fā)送給駐留程序，然后由該程序更新至Flash。駐留程序在生產(chǎn)時(shí)被燒錄，一般只能通過(guò)硬件燒錄的方式更新。

　　這種駐留程序有很多種稱呼，一個(gè)常見(jiàn)的名字是Bootloader，或者稱為引導(dǎo)程序。不過(guò)，由于駐留程序涉及內(nèi)容較廣，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的更新功能需要較多的開(kāi)發(fā)投入。Cypress PSoC3芯片族和PSoC Creator 1.0開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了一套完整的Bootloader開(kāi)發(fā)框架，開(kāi)發(fā)者無(wú)需編寫代碼，即可獲得基于I2C和USB接口的Bootloader功能;或者僅做簡(jiǎn)單的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)基于其他通訊接口或更新協(xié)議的Bootloader功能，從而縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

　　2. 理解PSoC3 Bootloader

　　PSoC3芯片族是Cypress推出的基于8051核心的可配置片上系統(tǒng)(SoC)，其主要特性包括

　　· 片內(nèi)包含多達(dá)64K Flash和8K SRAM;

　　· 16~24個(gè)數(shù)字可編程邏輯器件(PLD)，可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)等需求定制數(shù)字邏輯;

　　· 豐富的固定功能模塊，包括1個(gè)使用內(nèi)部晶振的Full-Speed USB2.0模塊，多達(dá)4個(gè)16位可配置的Timer/PWM/Counter模塊等

　　· 高性能模擬模塊，如75ns響應(yīng)時(shí)間的比較器，最高采樣率192 ksps的12位 Delta-Sigma ADC等。

　　Cypress提供了與PSoC3配套的開(kāi)發(fā)環(huán)境PSoC Creator 1.0，將其豐富的片內(nèi)資源抽象成眾多的可配置功能模塊，開(kāi)發(fā)者可以像設(shè)計(jì)電路板原理圖一樣，將所需模塊拖放在設(shè)計(jì)圖紙上，連接模塊之間的輸入輸出，然后使用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品需求即可。

　　PSoC3將所有代碼存放在片內(nèi)Flash中，程序執(zhí)行也是基于Flash，因此，Bootloader與應(yīng)用程序分別位于Flash空間的不同位置。圖 1給出了PSoC3 Bootloader的Flash布局。在64K Flash空間中，低地址處存放的是Bootloader，較高地址處存放的是應(yīng)用程序，二者中間有一個(gè)填充為零的隔離區(qū)，此外，在最高地址還存放著一些公共數(shù)據(jù)，包括應(yīng)用程序的起始地址，Bootloader使用的Flash大小，應(yīng)用程序校驗(yàn)和等。在產(chǎn)品的生命周期里，Bootloader只能在生產(chǎn)時(shí)通過(guò)硬件燒錄的方式寫入Flash，一旦產(chǎn)品出廠，除非意外情況，Bootloader不會(huì)被更新;應(yīng)用程序也在生產(chǎn)時(shí)被寫入，但是產(chǎn)品出廠后仍然可以通過(guò)Bootloader更新。

　　圖 1 Bootloader與應(yīng)用程序在PSoC3 Flash空間的布局

　　為了實(shí)現(xiàn)上述的Flash布局，開(kāi)發(fā)者通常需要設(shè)置眾多的編譯、鏈接參數(shù)，這些參數(shù)控制編譯工具鏈生成所需固件映像(Image)，但其復(fù)雜性常常令許多開(kāi)發(fā)者望而卻步。PSoC Creator 1.0提供了一種簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)上述操作，將Bootloader與應(yīng)用程序分成兩種工程(Project)：bootloader工程和bootoadable工程。前者維護(hù)Bootloader的實(shí)現(xiàn)，后者維護(hù)應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)，后者將前者作為編譯依賴，即bootoadable工程需要bootloader工程的編譯結(jié)果來(lái)完成自身的編譯鏈接。此劃分具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一方面將所有編譯工具鏈相關(guān)的參數(shù)設(shè)置與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)分離，完全由PSoC Creator自動(dòng)處理，減少開(kāi)發(fā)難度;另一方面易于Bootloader和應(yīng)用程序的維護(hù)，如需添加新功能至應(yīng)用程序，僅需改動(dòng)bootloadable工程即可，避免錯(cuò)誤修改Bootloader中內(nèi)容。

　　在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，PSoC3 Bootloader可分為三個(gè)功能層次，如圖 2所示?；就ㄓ崒雨P(guān)注通訊接口原子級(jí)的數(shù)據(jù)收發(fā)，不同的通訊接口具有不同的原子級(jí)數(shù)據(jù)收發(fā)，如SPI和UART一次數(shù)據(jù)收發(fā)都是基于單個(gè)字節(jié)，而I2C的一次完整數(shù)據(jù)收發(fā)由多個(gè)字節(jié)組成的I2C協(xié)議數(shù)據(jù)包。在基本通訊之上，PSoC3 Bootloader已定義了一套與主機(jī)通訊的更新協(xié)議，以便接收主機(jī)發(fā)送的命令幀，并將處理結(jié)果以狀態(tài)幀通知主機(jī)，此部分功能由協(xié)議處理層完成。核心功能層與具體的數(shù)據(jù)收發(fā)無(wú)關(guān)，此部分僅關(guān)注數(shù)據(jù)幀的解析，處理，F(xiàn)lash的讀寫等核心功能操作。

　　圖 2 Bootloader功能層次圖

　　通過(guò)此功能層劃分，核心功能層作為公共代碼模塊，所有的Bootloader工程創(chuàng)建時(shí)都將其包含在內(nèi)，基本通訊層與通訊協(xié)議處理層由實(shí)際使用的通訊接口獨(dú)立維護(hù)。此設(shè)計(jì)可以在考慮不同通訊接口差異化的同時(shí)，盡量復(fù)用代碼，減少開(kāi)發(fā)時(shí)間與難度。