離線加密編程器中的 BootLoader程序設(shè)計(jì)

3．2 編程器與目標(biāo)板的通信
編程器通過SPI總線與目標(biāo)板建立連接。當(dāng)進(jìn)行目標(biāo)板的編程時(shí)，首先編程目標(biāo)板的BootLoader區(qū)引導(dǎo)程序。引導(dǎo)區(qū)程序編程完畢后，編程器與目標(biāo)板進(jìn)行通信，將加密數(shù)據(jù)傳送給目標(biāo)板。目標(biāo)板的BootLoader程序接收到加密數(shù)據(jù)后進(jìn)行CRC校驗(yàn)。如果校驗(yàn)失敗，Boot―Loader要求編程器重新發(fā)送數(shù)據(jù)；如果校驗(yàn)通過，對(duì)加密數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，然后寫入Flash。編程器與目標(biāo)板通信流程如圖4所示。

4 BootLoader編程設(shè)計(jì)
4．1 BootLoader。介紹
BootLoader區(qū)位于單片機(jī)內(nèi)部Flash的最高地址，BootLoader存儲(chǔ)器空間的大小可以通過熔絲位進(jìn)行配置。BootLoader為通過MCU本身來下載和上載程序代碼提供了一個(gè)真正的同時(shí)讀一寫自編程機(jī)制(Read―While―Write，RWW)。這一特點(diǎn)使得系統(tǒng)可以在MCU的控制下，通過駐留于程序Flash的BootLoader，靈活地進(jìn)行應(yīng)用軟件升級(jí)。BootLoader可以使用任何器件具有的數(shù)據(jù)接口和相關(guān)的協(xié)議獲得代碼并把代碼(程序)寫入閃存，或者是從程序存儲(chǔ)器讀取代碼。BootLoader區(qū)的程序可以操作整個(gè)閃存，包括BootLoader區(qū)，因而BootLoader可以對(duì)其自身進(jìn)行修改，甚至將自己擦除。如果系統(tǒng)已經(jīng)不再需要BootLoader，則可以通過指令控制BootLoader程序，將BootLoader區(qū)擦除。
4．2 BootLoader區(qū)程序的設(shè)計(jì)思想
由于目標(biāo)板上AVR單片機(jī)種類的不同，所包含的頭文件也不盡相同，而且BootLoader區(qū)的大小也是根據(jù)目標(biāo)板的不同而不同，所以存儲(chǔ)芯片中BootLoader程序代碼要滿足當(dāng)前主流的AVR單片機(jī)的需求。另外由于存儲(chǔ)芯片容量大小的限制，要求引導(dǎo)程序要短小精煉。
編程BootLoader區(qū)的一個(gè)重要的內(nèi)容是熔絲位的編程，熔絲位編程出錯(cuò)可能導(dǎo)致編程的失敗。寫SPIEN為“1”，導(dǎo)致編程器與目標(biāo)板無法建立連接；寫RSTDISBL為“O”，將導(dǎo)致復(fù)位引腳失效；寫CKSEL熔絲位出錯(cuò)，將導(dǎo)致內(nèi)外部晶振的選擇混亂，從而導(dǎo)致編程失敗。
BootLoader程序編程步驟：
①配置BOOTSZl和B00TSZ0熔絲位，設(shè)定Boot―Loader區(qū)的大?。?p align="center">

②配置BOOTRST熔絲位，芯片上電啟動(dòng)的設(shè)定從BootLoader區(qū)的起始地址處開始，即每次上電復(fù)位后，首先從BootLoader區(qū)起始位置開始運(yùn)行。
③下載BootLoader程序的HEX文件。下載時(shí)要注意BootLoader區(qū)的起始位置。
④設(shè)置的Boot鎖定位，保護(hù)BootLoader不被破壞，使其只能通過芯片擦除命令清除BootLoader區(qū)的程序。

5 BootLoader程序的下載
編程器外存中存儲(chǔ)適合各種型號(hào)AVR單片機(jī)的BootLoader源代碼。在下載BootLoader程序之前，首先在編程器外存中找到適合目標(biāo)板單片機(jī)型號(hào)的Boot―Loader程序，然后下載到目標(biāo)板。主要設(shè)計(jì)問題是數(shù)據(jù)的傳輸、熔絲位和鎖定位的編程、Flash的讀寫。
5．1 實(shí) 例
本設(shè)計(jì)采用串行編程模式，串行接口包括RESET、SCK、MOSI(輸入)及MISO(輸出)四條線。當(dāng)RESET為低電平時(shí)，可以通過串行SPI總線對(duì)Flash進(jìn)行編程，應(yīng)在執(zhí)行編程或擦除操作之前執(zhí)行編程使能指令。下面以ATmegal69為例，給出一個(gè)實(shí)際的程序。

首先對(duì)SPI接口進(jìn)行初始化SPI_MasterInit()，并使能操作SPI_Enable()，然后擦除Flash頁SPI_Erase()，進(jìn)行Flash的頁寫操作program_bootloader()，再寫熔絲位SPI_WriteFuse和寫鎖定位SPI_WriteLock，最后進(jìn)行復(fù)位操作SPI_Over()。
5．2 串行編程應(yīng)遵循的步驟
①上電過程：在RESET及SCK為0時(shí)，向VCC及GND供電。在一些系統(tǒng)中，編程器不能保證在上電時(shí)SCK保持為低。在這種情況下，SCK拉低之后應(yīng)在RESET加一正脈沖，而且這個(gè)脈沖至少要維持2個(gè)CPU時(shí)鐘周期。
②上電之后等待至少20 ms，然后向MOSI引腳輸入串行編程使能指令以使能串行編程。
③通信不同步將造成串行編程失敗。同步之后，在發(fā)送編程使能指令的第3個(gè)字節(jié)時(shí)，第2個(gè)字節(jié)的內(nèi)容(0x53)將被反饋回來。不論反饋的內(nèi)容正確與否，指令的4個(gè)字節(jié)必須全部傳輸。如果0x53未被反饋，則需要向RESET提供一個(gè)正脈沖以開始新的編程使能指令。
④Flash的編程以一次一頁的方式進(jìn)行。頁的大小為128字節(jié)。在執(zhí)行加載程序存儲(chǔ)頁指令時(shí)，通過6位的地址信息，數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位加載到存儲(chǔ)頁。為保證加載的正確性，應(yīng)先向給定地址傳送數(shù)據(jù)低字節(jié)，之后是高字節(jié)。程序存儲(chǔ)頁通過地址的高8位以及寫程序存儲(chǔ)器頁指令獲得數(shù)據(jù)。如果不使用查詢的方式，那么在操作下一頁數(shù)據(jù)之前應(yīng)等待至少4．5 ms。在Flash寫操作完成之前訪問串行編程接口，會(huì)導(dǎo)致編程錯(cuò)誤。
⑤可通過讀指令來校驗(yàn)任何一個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容。數(shù)據(jù)從串行輸出口MISO輸出。
⑥編程結(jié)束后可以將RESET拉高，開始正常操作。
⑦下電序列：將RESET置“1”。

結(jié) 語
在一般的開發(fā)過程中，每次進(jìn)行程序的調(diào)試和更新都要將產(chǎn)品與PC機(jī)直連，進(jìn)行在線操作，這樣就限制了程序調(diào)試和更新的場(chǎng)所。離線加密編程器的設(shè)計(jì)避免了這種場(chǎng)所的限制。編程器只有普通的火柴盒大小，功能完善且攜帶方便，這樣可以將已編寫好的程序存儲(chǔ)在編程器中，然后將編程器帶到所需場(chǎng)所(特別是在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和野外)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行再編程。本設(shè)計(jì)采用BootLoader引導(dǎo)區(qū)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的解密和編程操作，既達(dá)到了對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行保護(hù)的目的，又方便了程序的調(diào)試和更新。