基于C8051F023的軟件注入技術

單片機的出現(xiàn)是現(xiàn)代計算機技術發(fā)展的里程碑，它的誕生標志著計算機正式形成了通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)兩大分支。近年來，計算機理論研究、半導體工藝和超大規(guī)模集成電路技術取得了長足的進步，以此為支撐的嵌入式計算機也逐漸成為各種嵌入式系統(tǒng)的核心部件。

嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適用于系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)，是一種軟硬件高度結合的產(chǎn)物，其系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關鍵在于經(jīng)過高效率設計的各類應用軟件。和通用計算機軟件不同，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在只讀存儲器中，而不是以磁盤為載體可以隨意更換，所以嵌入式系統(tǒng)的應用軟件和嵌入式產(chǎn)品一樣都具有較長的生命周期。另外，各個行業(yè)的應用系統(tǒng)和產(chǎn)品很少發(fā)生突然性的跳躍，嵌入式系統(tǒng)中的軟件也因此更強調(diào)可繼承性和技術銜接性，發(fā)展比較穩(wěn)定。以上兩點使得基于原有的硬件平臺即可完成嵌入式系統(tǒng)的軟件升級，從而節(jié)省用戶的成本，提高系統(tǒng)供應商的產(chǎn)品競爭力和服務效率。軟件注入就是能夠實現(xiàn)這種軟件升級方式的技術之一。

就嵌入式系統(tǒng)而言，軟件注入是指將嵌入式系統(tǒng)中的軟件模塊使用在線可編程

1 軟件注入的可行性分析

在各類嵌入式計算機中，微控制器MCU（Micro Controller Unit）以其低功耗、高可靠性、片內(nèi)外設資源豐富且易于擴展的優(yōu)勢而成為各種控制應用的主流，這種用于控制的嵌入式系統(tǒng)也大量而廣泛地應用于各個領域。由于結構特點、運算速度增快和存儲容量增大，使得單片MCU不僅用于控制，也逐步用于各類運算等應用，因此在嵌入式系統(tǒng)中針對MCU的軟件注入應用最為普遍，也最具代表意義。下面將討論基于C8051F023的軟件注入的實現(xiàn)。

要想實現(xiàn)軟件注入，嵌入式系統(tǒng)所采用的MCU必須具有在系統(tǒng)可編程能力，即程序存儲器支持應用程序的擦除和重新寫入。此外，嵌入式系統(tǒng)應具有較大的程序存儲空間和較快的運行速度，以便能夠存儲和運算比較復雜的軟件算法。

C8051F023屬于Cygnal公司的C8051F系列。該芯片內(nèi)核CIP-51采用了流水線指令結構，速度最高可達25MIPS（Million Instructions Per Second，每秒百萬條指令），且70%的指令可在1~2個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)完成，這為嵌入式設備采用復雜的算法提供了必要的條件。同時芯片內(nèi)部集成了容量達64KB的Flash存儲器，用于程序代碼和非易失性數(shù)據(jù)的存儲，可由軟件使用MOVX指令對Flash存儲器進行在系統(tǒng)編程。

由以上分析可知，C8051F023完全具備軟件注入的實現(xiàn)條件。

2 軟件注入的技術措施和實現(xiàn)方案

通用計算機具有完善的人機接口界面，在上面增加一些開發(fā)應用程序和環(huán)境即可進行對自身的開發(fā)。而嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，因此必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。圖1給出的就是一種基于通用計算機平臺的軟件注入實現(xiàn)方案。

圖1 嵌入式系統(tǒng)軟件注入原理圖

由圖1可以看出，為了實現(xiàn)軟件注入，除了具備運行在通用計算機平臺上的相關開發(fā)工具（例如VC++、VB、Delphi等）外，還必須制訂軟件注入規(guī)程和研制軟件注入設備。注入規(guī)程包括嵌入式系統(tǒng)和注入設備的物理接口的機械特性和電氣特性、具有口令字校驗功能和差錯控制機制的通信協(xié)議等；注入設備分為注入卡和注入槍，前者采用通用計算機的標準接口如RS232、USB等與通用計算機互連，用于將軟件程序輸入到注入槍，也可直接對嵌入式設備注入，后者為移動式注入設備，便于為不在本地的嵌入式系統(tǒng)完成軟件的升級服務。

在制訂了軟件注入規(guī)程并擁有了相應注入設備后，還需要解決新注入程序與MCU中的固化程序的連接問題，以實現(xiàn)新注入代碼的功能。圖2給出了基于C8051F023的一種解決方案。

圖2 基于C8051F023的軟件注入實現(xiàn)方案

該方案是一個基于MCU所實現(xiàn)的功能模塊化方案，在固化在Flash中的主程序模塊和引導裝入模塊的支持下，模塊1、模塊2、模塊3等均可實現(xiàn)程序代碼的更新。方案中的主程序模塊完成MCU的初始化工作以及可注入模塊所需的一些默認設置，而不可用扇區(qū)和保留扇區(qū)是C8051F023的特性。前者提供了芯片的安全選項，但不支持應用程序在系統(tǒng)可編程；后者為工廠專用，不能存儲用戶程序。

在0x1000~0xFBFF的地址空間內(nèi)，每個模塊為具有某一功能的相對獨立的軟件代碼，其所占的地址空間可依據(jù)程序代碼的大小通過偽指令來定義和修改。當存儲器容量較大時，剩余的地址空間可作為保留，用于存儲新增加的功能模塊代碼。

通常MCU的中斷向量位于主程序模塊的地址空間內(nèi)且是固定不變的（C8051F023的中斷向量地址為0x0000～0x00AB）為了能夠使用硬件中斷資源（比如UART，定時器等）以及確保所有功能模塊都能獲得調(diào)用，需要統(tǒng)一定義中斷服務程序（ISR）和所有功能模塊（包括保留地址空間）的入口地址和地址空間范圍，這是實現(xiàn)新注入軟件與固化軟件之間連接的唯一途經(jīng)。在開發(fā)新的可注入軟件模塊時必須遵守這一規(guī)定，如果入口地址不一致，新的軟件模塊將得不到調(diào)用；如果軟件模塊太大以至超出了規(guī)定的地址空間范圍，新的軟件模塊將會占用相鄰模塊的地址空間，從而影響后者的調(diào)用和功能實現(xiàn)。此外，在編寫軟件注入模塊時還要注意以下兩點。

① 在寫入新的軟件代碼之前，需要將程序存儲器中原來的數(shù)據(jù)擦除。由于C8051F023的Flash存儲器是以大小為512B（用十六進制表示為200H）的扇區(qū)為單位組織的，一次擦除操作將刪除整個扇區(qū)，因此每個功能模塊的地址空間必須是200H的整數(shù)倍。

② C8051F023特有的優(yōu)先權交叉開關譯碼

3 軟件代碼文件的生成

從圖1可以看出，軟件程序最終是以十六進制代碼的形式駐留在軟件注入槍或注入卡中的，因此軟件程序的十六進制代碼文件必不可少。然而，在C8051F023集成開發(fā)環(huán)境下，源程序文件經(jīng)過編譯后生成的二進制文件是不可讀的，只能通過JTAG口下載到MCU中。對此，需要把開發(fā)環(huán)境中附帶的DOS程序oh51.exe復制到與編譯后的二進制文件相同的文件夾下，然后在DOS操作環(huán)境下利用該工具將生成的二進制文件轉換成hex文件。然而，此時的hex文件仍是不可用的（如圖3所示，這里假設文件名為example），因為它包含了行標識符號、代碼地址、校驗字符等非代碼內(nèi)容，并且由于ORG偽指令的使用使得軟件代碼的地址是不連續(xù)的，而通常采用的手段是將軟件代碼下載到連續(xù)的存儲器空間，以簡化通信協(xié)議的制訂和引導裝入程序的編寫。針對這種情況作者編寫了DOS程序v2.exe，利用該程序可將輸入的hex文件統(tǒng)一轉換成僅包含純粹軟件代碼的codes.txt文件（如圖4所示），同時生成的readme.txt文件給出了在注入軟件時所需的一些參數(shù)（該參數(shù)與軟件注入規(guī)程有關）。V2程序的功能具有通用性，可作為C8051F023集成開發(fā)環(huán)境的一部分，該程序使用Turbo C 2.0集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)，其源代碼見網(wǎng)站www.dpj.com.cn。

圖3 example.hex文件的內(nèi)容示例

圖4 包含純粹軟件代碼的codes.txt文件的內(nèi)容示例

結語

軟件注入技術是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)軟件升級的一種有效手段，在實施過程中需要采取諸如制訂軟件注入規(guī)程、研制軟件注入設備并開發(fā)相應各類軟件等一系列技術措施，且具有多種可行方案。本文給出了其中的一種實施方案（如圖1所示），在論述了采用軟件注入技術的優(yōu)勢和可行性后，針對采用C8051F023的嵌入式系統(tǒng)，討論了基于C8051F023的軟件注入實現(xiàn)方案和相關的一些問題，并編寫了V2程序以完善C8051F023集成開發(fā)環(huán)境在實現(xiàn)軟件注入方面的功能。

參考文獻

1 張迎新，等. 單片機初級教程. 北京：北京航空航天大學出版社, 2000

2 潘琢金, 施國君. C8051Fxxx高速SOC單片機原理及應用. 北京：北京航空航天大學出版社, 2002