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

摘要：針對目前基于單片機(jī)的產(chǎn)品和C8051F410單片機(jī)特色，提出了一種使用UART接口進(jìn)行程序升級的實(shí)現(xiàn)方法，并對實(shí)現(xiàn)此功能的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)做了相應(yīng)分析，使程序更加實(shí)用、可靠，所有代碼使用C語言進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。此方法具有一定的普遍適用性，在基本思想不變情況下稍加改變程序代碼即可用于其他型號的單片機(jī)。

關(guān)鍵詞：BootLoader;C8051F410;引導(dǎo)程序;固件更新

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BootLoader對“用戶程序”進(jìn)行動態(tài)更新。

在使用單片機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)及使用過程中，不可避免的存在更新程序的問題，正常的程序下載是通過單片機(jī)仿真器與單片機(jī)的特殊I/O口連接來實(shí)現(xiàn)。在產(chǎn)品的開發(fā)階段，通過仿真器可以實(shí)現(xiàn)程序下載及調(diào)試。產(chǎn)品開發(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產(chǎn)品外殼，連接數(shù)據(jù)線。這對已經(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產(chǎn)品的整體性能帶來很大的負(fù)面影響。

1 Flash操作及程序存儲區(qū)結(jié)構(gòu)功能劃分

1.1 Flash基本操作和存儲結(jié)構(gòu)

C8051F410對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)(擦除只能整頁操作，操作完成后每一位都為1)。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首先要了解存儲程序的Flash結(jié)構(gòu)，如表1。C8051F410共有32kFlash程序存儲器，該存儲器以512為一個(gè)扇區(qū)(頁)，可以在系統(tǒng)內(nèi)部編程操作(IAP)。這就給實(shí)現(xiàn)BootLoader功能提供了充要前提條件。

1.2 存儲區(qū)的功能劃分

BootLoader程序和“用戶程序”分別存儲于Flash不同區(qū)域內(nèi)，在本文中做如下劃分：BootLader程序占用地址0x6000～0x7FFF，其中頁0x7C00來保存用戶程序的入口地址，這樣真正的BootLoader的程序大小就不能超過7 k(0x6000～0x7A00)。“用戶程序”占用地址0x0000～0x5FFF，這樣對“用戶程序”的編寫除大小不能超過24 k外就沒有其他特殊要求。

1.3 定位BootLoader的存儲位置

使用Keil軟件在程序開發(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。

2 BootLoader程序工作流程描述

2.1 關(guān)鍵過程描述

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，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。

升級握手：根據(jù)預(yù)先定義的握手規(guī)則，通過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過程)。

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BootLoadler內(nèi)沒有使用中斷函數(shù)，從而減少了對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)傳來的數(shù)據(jù)幀有多個(gè)功能，協(xié)議由BootLoader的開發(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)傳輸過程。

發(fā)送“xxxx”提示：通過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

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：單片機(jī)復(fù)位后總是從Flash存儲區(qū)的0x0000地址處開始執(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

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

FLASH_ByteWfite (0x0001，BootAddr [0]);//寫入bootloader的開始地址

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，以便讓BootLoader程序在執(zhí)行完后跳轉(zhuǎn)到這里來運(yùn)行“用戶程序”，即把“用戶程序”文件內(nèi)原來指向地址0x0000～0x0002的3個(gè)字節(jié)保存到BootLoader指定的一個(gè)頁單獨(dú)保存，本應(yīng)用中是保存到了0x7A00頁的前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”過程中要防止上位機(jī)傳來的數(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!rn”);

絕對地址的跳轉(zhuǎn)：當(dāng)升級完成或在復(fù)位后上位機(jī)未響應(yīng)升級握手時(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)端編寫對應(yīng)的下載程序來共同完成固件升級，按照BootLoader的通訊協(xié)議，上位機(jī)服務(wù)程序使用Delphi開發(fā)，程序主要針對串口操作，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)測等功能，程序的運(yùn)行界面如圖4所示。

5 結(jié)束語

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)品程序升級提供了很好的解決途徑。

通過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，在下載過程中按照加密規(guī)則進(jìn)行解密，以使程序升級更加安全、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)新升級的程序不能使用時(shí)還可恢復(fù)為舊版本。