ATMega48的Bootloader的軟件實(shí)用方法

    AVR是Atmel公司推出的第一款真正意義上的RISC結(jié)構(gòu)8位單片機(jī)，具有先進(jìn)的指令集及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，數(shù)據(jù)吞吐率可高達(dá)1MIPS，其性能明顯優(yōu)于其他類型8位單片機(jī)。
   
    作為AVR主流產(chǎn)品，Mega系列的很多產(chǎn)品(Mega8／Megal6／Mega32／Mega8535等)在硬件上都支持Boot-loader功能。這樣MCU可靈活運(yùn)行BOOT區(qū)程序，實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用編程(IAP)及一些高級(jí)應(yīng)用，如系統(tǒng)智能升級(jí)，密碼校驗(yàn)自保護(hù)，遠(yuǎn)程系統(tǒng)更新等。但有很高性價(jià)比的Mega48在硬件上卻不支持Bootloader功能。因此，本文針對(duì)Mega48首次提出兩種軟件實(shí)現(xiàn)Bootloader的方法：跳轉(zhuǎn)保存法和倒置法。

1 ATMega48 Bootloader的軟件實(shí)現(xiàn)方法

    Mega48在硬件上不支持Bootloader功能，不能像其他產(chǎn)品那樣通過編程來設(shè)置相應(yīng)的熔絲位以實(shí)現(xiàn)Bootloader，只能通過軟件來實(shí)現(xiàn)。在Mega48上實(shí)現(xiàn)Bootloader的關(guān)鍵在于通過軟件實(shí)現(xiàn)程序存儲(chǔ)器空間劃分。復(fù)位后，BOOT區(qū)獲得MCU控制權(quán)，自編程結(jié)束后MCU控制權(quán)返還給APP區(qū).以下將詳細(xì)介紹本文提出的兩種新方法。

1.1 跳轉(zhuǎn)保存法

    本方法的核心在于跳轉(zhuǎn)和保存，因此命名為跳轉(zhuǎn)保存法。跳轉(zhuǎn)指上電后MCU跳轉(zhuǎn)至BOOT區(qū)，MCU控制權(quán)被BOOT區(qū)獲得。保存指對(duì)APP區(qū)程序復(fù)位地址的保存，只有保存了該地址才能保證MCU控制權(quán)正常返還給APP區(qū)。

    跳轉(zhuǎn)保存法采用一般分區(qū)方式，即APP區(qū)位于程序存儲(chǔ)器空間的低地址處，BOOT區(qū)在高地址處。因本文使用的上位機(jī)軟件為AVROSP，BOOT區(qū)需占用1 KB。此外，由于ATMega48不支持通過熔絲位修改程序的復(fù)位向量，故需多劃分給BOOT區(qū)4個(gè)頁面大小的空間。

    為提高程序的可移植性，可使用預(yù)定義語句來劃分BOOT區(qū)大小，具體實(shí)現(xiàn)如下：
    #define PAGESIZE 64
    ／／每個(gè)頁面由64個(gè)字節(jié)組成
    #define APP_PAGES ((4*1024／PAGESIZE) - ((1*1024+256)／PAGESIZE))
    ／／APP區(qū)的頁面數(shù)
    #define APP_END APP_PAGES*PAGESIZE
    ／／APP區(qū)共占用的字節(jié)數(shù)
    在編譯過程中，由于ICCAVR編譯器只支持標(biāo)準(zhǔn)的BOO了區(qū)大小設(shè)置，即256／512／1024／2048 KB。故使用下面方法定義BOOT區(qū)大小；
    #pragma text：mytext    
    voidboot()．．．
    #pragma text；text
    編譯過程中，在ProjectOptions→Target的Other Options中，添加“-bmytext；0x????”，其中0x????為BOOT區(qū)開始的地址。這樣就可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定BOO了區(qū)大小。這對(duì)于整個(gè)程序空間只有4 KB的ATMcga48來說，是非常適合的。程序具體流程如圖1所示。

    如圖1所示，BOOT區(qū)程序塊的第一步就是讀取EEPROM中的APP區(qū)原復(fù)位地址，以便單片機(jī)在執(zhí)行BOOT區(qū)程序條件不成立時(shí)，跳轉(zhuǎn)到APP區(qū)執(zhí)行程序。

    EEPROM_READ(0xfe，AppReset)；

    當(dāng)執(zhí)行BOOT區(qū)程序條件成立時(shí)，單片機(jī)將執(zhí)行BOOT區(qū)程序來更新APP區(qū)中的內(nèi)容。這里特別要注意對(duì)即將更新到APP區(qū)內(nèi)程序復(fù)位地址的處理：保存該程序中復(fù)位地址到RAM中，并修改該地址為BOOT區(qū)人口地址。這個(gè)工作必須在頁面填充前完成，否則在更新后，單片機(jī)復(fù)位運(yùn)行不會(huì)首先跳轉(zhuǎn)到BOOT區(qū)。

    if(address==o){
    AppReset=data；
    data=BootReset； ／／BOOT區(qū)的入口
    BootReset=0x1300
    }

    BOOT區(qū)程序塊最后一步是對(duì)APP區(qū)程序復(fù)位地址的保存。只有通過上電復(fù)位才能移交MCU控制權(quán)給APP區(qū)，這將導(dǎo)致RAM被清零。為了保存RAM中的原APP區(qū)程序復(fù)位地址，需上電復(fù)位前，將這個(gè)地址保存到EEPROM中。

    EEPROM_WRITE(Oxfe，APPReset)；

    值得一提的是，在第一次運(yùn)行時(shí)，程序并不能直接跳轉(zhuǎn)到BOOT區(qū)首地址，所以第一次運(yùn)行時(shí)，APP區(qū)內(nèi)容應(yīng)為空。這樣，當(dāng)單片機(jī)上電運(yùn)行時(shí)，程序指針(PC)會(huì)自增向下運(yùn)行到第一句可執(zhí)行代碼，即BOOT區(qū)中的首行代碼。同樣，第一次運(yùn)行時(shí)也不可能讀取出正確的返回APP區(qū)的入口地址(取出值為0xFF)，所以第一次運(yùn)行時(shí)必須保證執(zhí)行BOOT區(qū)程序條件成立，否則將無法正確跳回到APP區(qū)。只有執(zhí)行了BOOT區(qū)程序，才能寫入正確的APP返回地址到EEPROM中，從而為以后的運(yùn)行做好準(zhǔn)備。
 
    跳轉(zhuǎn)保存法遵循了Bootloader的常規(guī)實(shí)現(xiàn)流程，但它的MCU控制權(quán)交接處理比較復(fù)雜，下文將提到的倒置法就很好地解決了這個(gè)問題。

1.2 倒置法

    一般來說，程序存儲(chǔ)區(qū)的上部為NPP區(qū)，下部為BOOT區(qū)，這也是常規(guī)方法所采取的分區(qū)方法。這種分區(qū)方法由支持Bootloader功能的芯片程序存儲(chǔ)區(qū)中RWW和NRWW的劃分方式所決定的。針對(duì)Mega48，它的程序存儲(chǔ)區(qū)沒有RWW區(qū)和NRWW區(qū)之分，SPM指令可以在整個(gè)Flash區(qū)中執(zhí)行，所以大可不必拘泥于一般規(guī)律，完全可以把APP區(qū)和BOOT區(qū)倒置，即把程序存儲(chǔ)區(qū)的上部劃分為BOOT區(qū)，下部劃分為APP區(qū)。本文中將這種分區(qū)方法稱為倒置分區(qū)方法。

    倒置法背棄了常規(guī)分區(qū)形式，創(chuàng)新地采用倒置分區(qū)法對(duì)程序存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行分區(qū)。這樣，在每次上電后，BOOT區(qū)自動(dòng)獲得MCU控制權(quán)，而不需修改和保存用戶程序復(fù)位向量，這比跳轉(zhuǎn)保存法簡便。BOOT區(qū)大小劃分仍使用預(yù)定義語句，具體實(shí)現(xiàn)如下：

    #define PAGESIZE 64
    #define APP_PAGES((4096／PAGESIZE)-(1024／PAGESIZE))
    #define APP_END APP_PAGES*PAGESIZE

    在對(duì)APP區(qū)程序編譯時(shí)，編譯器的配置方法類似于常規(guī)方法中對(duì)BOOT區(qū)程序編譯時(shí)的配置．倒置法流程如圖2所示。

    如圖2所示，當(dāng)執(zhí)行BOOT區(qū)程序條件不成立時(shí)，程序跳轉(zhuǎn)至APP區(qū)入口處，該地址是固定的(4096~1024)。

    具體實(shí)現(xiàn)如下：
    Asm(“jmp 0x0C00＼n”)；
    ／／跳轉(zhuǎn)到APP區(qū)開始執(zhí)行

    需要注意的是，中斷向量空間在程序存儲(chǔ)器的低地址上，這正好位于BOOT區(qū)中，故為了增加APP區(qū)和B00T區(qū)兩部分程序的獨(dú)立性，可在APP區(qū)中人為構(gòu)建除復(fù)位向量以外的其他中斷向量空間。在自編程過程中，實(shí)施頁寫入時(shí)，不是按常規(guī)方法的順序從第一個(gè)頁開始更新，因?yàn)樾韪碌氖茿PP區(qū)所在的頁面，而不是BOOT區(qū)所在的，所以要從APP區(qū)所在的頁面處開始更新。

    倒置法打破了常規(guī)的分區(qū)模式，大大簡化了對(duì)MCU控制權(quán)的處理，但其頁面更新處理較為繁瑣。跳轉(zhuǎn)保存法則因沿襲了常規(guī)處理方式，所以頁面更新無需做特別處理，并能很好地兼容硬件實(shí)現(xiàn)Bootloader的程序。用戶可以根據(jù)實(shí)際需要來選擇方法。

2 硬件測(cè)試原理圖及結(jié)果

    調(diào)試硬件原理圖如圖3所示。圖3中的ISP接口是用來完成第一次非Bootloadcr的編程方式，從而建立Bootloader的應(yīng)用環(huán)境。這以后的每次編程均可以通過串口直接完成，不需要任何其他設(shè)備。

    在本文中使用的編譯環(huán)境為ICCAVR DEMO版，通過使用AVR單片機(jī)的井口下載線完成BOOT區(qū)程序的首次寫入。 自編程過程中使用的上位機(jī)軟件為AVROSP。經(jīng)測(cè)試兩種方法均能可靠運(yùn)行。

結(jié) 語

    綜上所述，本文研究并實(shí)現(xiàn)了Mega48的Bootloader功能，提出了兩種軟件實(shí)現(xiàn)方法，并分別在硬件上成功實(shí)現(xiàn)，為基于Mcga48編寫高效，專用的Bootloader程序奠定了基礎(chǔ)。