C8051F410單片機BootLoader的實(shí)現

摘要：針對目前基于單片機的產(chǎn)品和C8051F410單片機特色，提出了一種使用UART接口進(jìn)行程序升級的實(shí)現方法，并對實(shí)現此功能的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)做了相應分析，使程序更加實(shí)用、可靠，所有代碼使用C語(yǔ)言進(jìn)行實(shí)現。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。

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

BootLoader就是單片機在復位后首先執行的一小段引導程序，通過(guò)此段程序可以實(shí)現硬件初始化、進(jìn)行“用戶(hù)程序”更新等功能，本文主要討論的是通過(guò)BootLoader對“用戶(hù)程序”進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。

在使用單片機進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及使用過(guò)程中，不可避免的存在更新程序的問(wèn)題，正常的程序下載是通過(guò)單片機仿真器與單片機的特殊I/O口連接來(lái)實(shí)現。在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)階段，通過(guò)仿真器可以實(shí)現程序下載及調試。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)完成后，由于單片機已被封裝在產(chǎn)品內部，若要進(jìn)行更新則需要重新打開(kāi)產(chǎn)品外殼，連接數據線(xiàn)。這對已經(jīng)批量生產(chǎn)甚至產(chǎn)品已經(jīng)在最終用戶(hù)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(hù)對產(chǎn)品的整體性能帶來(lái)很大的負面影響。

1 Flash操作及程序存儲區結構功能劃分

1.1 Flash基本操作和存儲結構

C8051F410對Flash只支持0操作，故在寫(xiě)入數據前首先應擦除扇區(擦除只能整頁(yè)操作，操作完成后每一位都為1)。軟件寫(xiě)和擦除FLASH受FLASH鎖定和關(guān)鍵碼功能的保護。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(xiě)入關(guān)鍵碼：0xA5，0xF1。寫(xiě)關(guān)鍵碼的時(shí)序并不重要，但必須按順序寫(xiě)。

要實(shí)現BootLoader首先要了解存儲程序的Flash結構，如表1。C8051F410共有32kFlash程序存儲器，該存儲器以512為一個(gè)扇區(頁(yè))，可以在系統內部編程操作(IAP)。這就給實(shí)現BootLoader功能提供了充要前提條件。

1.2 存儲區的功能劃分

BootLoader程序和“用戶(hù)程序”分別存儲于Flash不同區域內，在本文中做如下劃分：BootLader程序占用地址0x6000～0x7FFF，其中頁(yè)0x7C00來(lái)保存用戶(hù)程序的入口地址，這樣真正的BootLoader的程序大小就不能超過(guò)7 k(0x6000～0x7A00)。“用戶(hù)程序”占用地址0x0000～0x5FFF，這樣對“用戶(hù)程序”的編寫(xiě)除大小不能超過(guò)24 k外就沒(méi)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(kāi)發(fā)時(shí)很容易實(shí)現程序的定位，這里介紹一種操作最為簡(jiǎn)便的方法，在BootLoader工程的設置窗口的BL51 Locate面板內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(guò)程描述

上電復位：復位后單片機首先執行地址0x0000處的跳轉指令跳轉到BootLoader程序的入口地址并進(jìn)行諸如關(guān)閉看門(mén)狗、晶振頻率、UART串口波特率設置等操作，為了使程序更新速度更快，本應用中系統時(shí)鐘頻率設置一個(gè)較大的通訊波特率為115200bps。

升級握手：根據預先定義的握手規則，通過(guò)URAT與上位機(一般是計算機)進(jìn)行一些數據交換，收到正確回復后即認為握手成功，并通過(guò)串口發(fā)送準備好接收數據的指示，若不成功則進(jìn)行用戶(hù)程序的跳轉操作。

用戶(hù)程序判斷：若存在則立即跳轉到用戶(hù)程序入口地址(這也是最為普通的正常啟動(dòng)過(guò)程)。

跳轉到用戶(hù)程序入口：BootLoader任務(wù)完成，將單片機的控制權交由用戶(hù)程序接管直到下次復位才能重新進(jìn)入BootLoader。

接收數據：在BootLoadler內沒(méi)有使用中斷函數，從而減少了對中斷向量的重新映射操作，也增加了程序的穩定性，這里采用查詢(xún)的方式實(shí)現數據接收。

指令類(lèi)型分析：由上位機傳來(lái)的數據幀有多個(gè)功能，協(xié)議由BootLoader的開(kāi)發(fā)人員自行規定，主要包括的指令類(lèi)型有：寫(xiě)入數據、讀取數據并上傳、結束數據傳輸過(guò)程。

發(fā)送“xxxx”提示：通過(guò)UART向上位機發(fā)送一些操作結果信息反饋給上位機，如“操作成功”、“操作失敗”等，以告知上位機如何繼續進(jìn)行下步操作。

2.2 BootLoader流程圖

3 關(guān)鍵操作的程序處理

數據接收：BootLoader程序中不要使用中斷函數，使用后會(huì )導致“用戶(hù)程序”的相同中斷處理函數失效，所以這里使用查詢(xún)的方式實(shí)現UART串口數據接收。

BootLoader程序入口地址的保存：?jiǎn)纹瑱C復位后總是從Flash存儲區的0x0000地址處開(kāi)始執行，這里占用3個(gè)字節保存了一條跳轉指令，地址0x0000內容為0x02，即為機器碼的跳轉指令，后面緊跟的兩個(gè)字節保存的是要跳轉到的地址值，為了保證能正確跳轉到BootLoader區，需要在擦除本頁(yè)前保存跳轉的地址值，待擦除完成后重新寫(xiě)入這3個(gè)字節，其實(shí)現代碼如下：

BootAddr[0]=FlASH_ByteRead(0x0001);

BootAddr[1]=FLASH_ByteRead(0x0002);

FLASH_PageErase(0X0000);//擦除0頁(yè)

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

FLASH_ByteWfite (0x0001，BootAddr [0]);//寫(xiě)入bootloader的開(kāi)始地址

FLASH_ByteWrite(0x0002，BootAddr[1]);

“用戶(hù)程序”入口地址的保存：“用戶(hù)程序”入口地址在程序文件內標示保存在程序的前3個(gè)地址字節內，在生成的程序的Hex文件內顯示為：

：03000000021ECC11

：0C1ECC00787FE4F6D8FD7581700216A046

第1行內的內容表示在地址0x0000及向后的兩個(gè)字節內的內容為0x02ECCC，即為要跳轉到Flash地址0x1ECC處去執行“用戶(hù)程序”的第1條指令，這里我們就要把這個(gè)地址保存起來(lái)，以便讓BootLoader程序在執行完后跳轉到這里來(lái)運行“用戶(hù)程序”，即把“用戶(hù)程序”文件內原來(lái)指向地址0x0000～0x0002的3個(gè)字節保存到BootLoader指定的一個(gè)頁(yè)單獨保存，本應用中是保存到了0x7A00頁(yè)的前3個(gè)字節，實(shí)現代碼如下：

#define APP_ADDR_PAGE 0x7C00L∥用戶(hù)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為上位機傳來(lái)的數據幀內指明的數據應保存的地址

BootLoader程序區的保護：在更新“用戶(hù)程序”過(guò)程中要防止上位機傳來(lái)的數據包含與BootLoader程序保存區地址重復的地址段，如果將BootLoader區覆蓋將導致下次復位后不能正確執行引導程序。通過(guò)以下程序段實(shí)現引導區的保護：

if(startAddr>=0x6000)//與BootLoader沖突

SendString(“Code overflow!rn”);

絕對地址的跳轉：當升級完成或在復位后上位機未響應升級握手時(shí)，程序即跳往“用戶(hù)程序”的入口地址，此地址保存于Flash的0x7C00處。

4 上位機軟件開(kāi)發(fā)

為了配合單片機內BootLoader的功能實(shí)現，需要在計算機端編寫(xiě)對應的下載程序來(lái)共同完成固件升級，按照BootLoader的通訊協(xié)議，上位機服務(wù)程序使用Delphi開(kāi)發(fā)，程序主要針對串口操作，完成握手協(xié)議、用戶(hù)程序文件讀取并按照固定格式打包、下載及進(jìn)度監測等功能，程序的運行界面如圖4所示。

5 結束語(yǔ)

BootLoader是一個(gè)完善產(chǎn)品應該具備的基本功能，其為基于單片機的產(chǎn)品程序升級提供了很好的解決途徑。

通過(guò)C8051F410單片機內核的實(shí)際產(chǎn)品使用，很好的驗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構的單片機。

當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(guò)程中按照加密規則進(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，在更新程序前應將單片機內原有舊版本的“用戶(hù)程序”下載并保存，然后再進(jìn)行更新，當新升級的程序不能使用時(shí)還可恢復為舊版本。