單片機程序遠程升級的設計
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1.引言
單片機的應用非常廣泛，在某些情況下，單片機內部程序的升級在所難免，但是往往需要對單片機產(chǎn)品進(jìn)行收回才能實(shí)現，這樣在一些遠程設備的程序升級問(wèn)題上就顯得非常不方便。但是有些遠程設備本身留有遠程通訊的方式：例如某些遠程數據傳輸模塊，為了把數據上報總會(huì )留有通訊的接口，比如422、485甚至 GPRS或者局域網(wǎng)接口；又或者某些車(chē)載定位設備，為了和監控中心通訊會(huì )留有GSM、CDMA或者GPRS等通訊方式。在這種情況下就可以利用其現有的通訊方式對其內部單片機程序進(jìn)行升級而不需要收回產(chǎn)品。
本文的主要內容就是來(lái)研究這種遠程升級單片機程序的方法。
由于近年來(lái)凌陽(yáng)科技的單片機，尤其是16位單片機，得到了越來(lái)越多的推廣，其應用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。本文選取一種常見(jiàn)的凌陽(yáng)科技的16位單片機SPCE061A為例，來(lái)介紹單片機程序遠程升級的方法。
SPCE061A里內嵌了32K字的閃存（FLASH），即可以作為程序存儲空間又可以存儲數據，并且有自讀寫(xiě)任意閃存地址的能力，本文利用這一功能，提出了通過(guò)在單片機中駐留BootLoader程序的方法，來(lái)實(shí)現單片機程序的遠程升級。
遠程升級的實(shí)現，需要單片機自身的響應同時(shí)還需要遠程服務(wù)器提供升級所需的代碼。下文將通過(guò)這兩個(gè)方面來(lái)分別介紹。
2.單片機程序
2.1 工作原理
為了使單片機可以響應遠程升級，這里采用了在單片機里預設Bootloader程序的方法。
BootLoader是一段引導程序，它駐留在單片機中，當單片機上電/復位后在用戶(hù)程序之前先運行。它運行后先判斷當前是否需要進(jìn)入升級狀態(tài)。如果不需要升級，就直接運行Flash中原有的程序；如果需要升級，首先擦除舊的程序，然后從串口接收用戶(hù)程序，同時(shí)寫(xiě)入Flash中。
在單片機正常運行過(guò)程中，當收到預先設置的升級指令時(shí)，即結束當前任務(wù)，修改升級標志位，然后自動(dòng)復位轉入BootLoader程序；當BootLoader程序檢驗到升級標志位時(shí)即可進(jìn)行升級。在單片機正常啟動(dòng)、復位時(shí)，由于有標志位的作用，不會(huì )受到影響。
BootLoader程序可以從多種方式獲取數據，包括485、422、GPRS、CDMA、網(wǎng)口、串口等等；雖然各種獲取方式不同，但是在 BootLoader的設計上都大致相同，而且GPRS、GSM和CMDA等通訊方式都是使用串口；485、422等通訊方式與串口類(lèi)似。為了節省篇幅，本文就以串口為例進(jìn)行介紹。
在BootLoader設計過(guò)程中，需要注意下面方面問(wèn)題：一是精簡(jiǎn)問(wèn)題，為了使得用戶(hù)程序可以獲得最大的程序空間，就需要BootLoader程序盡可能的簡(jiǎn)短；再一個(gè)是中斷問(wèn)題：BootLoader應盡量不使用中斷，以避免對用戶(hù)程序的影響；還有就是標志位的問(wèn)題，標志位的應該不受復位的影響，在本設計中，選取了單片機FLASH中的一個(gè)字節。
2.2設計思路
單片機系統上留有一個(gè)半串口通過(guò)232芯片與PC機的串口相連接。當單片機上電或者復位后BootLoader開(kāi)始運行，并通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)升級標志位來(lái)確定定當前是否需要進(jìn)入升級狀態(tài)。如果沒(méi)有升級標志，就直接運行Flash中原有的程序；反之，則轉入升級子程序，把從串口接收到的程序代碼寫(xiě)入Flash 中。圖1表示了BootLoader主程序的流程。
升級子程序中，為保證接收到的數據是正確的，避免將錯誤的程序寫(xiě)入到芯片中，本文提出的方法采取了固定的數據格式，并且采取了反復確認的方法。圖2 表示了升級子程序的流程。在指令格式的選取上，本文采用了Motor S37格式，并在其基礎上加上了確認機制，其具體格式將在PC機程序一段做詳細介紹。
2.3 FLASH的擦寫(xiě)方法
SPCE061A是一個(gè)用閃存替代掩膜ROM的MTP(多次編程)芯片，具有32K字(32K*16bit)閃存容量。用戶(hù)可用閃存來(lái)存儲用戶(hù)程序。為了安全起見(jiàn)，不對用戶(hù)開(kāi)放整體擦除功能。
此外，為保證程序的正確編寫(xiě)，用戶(hù)必須在編程之前擦除頁(yè)的內容。頁(yè)大小為0x100。第一頁(yè)地址范圍：0x8000~0x80FF，最后一頁(yè)的地址范圍：0xFF00~0xFFFF。0xFC00~0xFFFF范圍內的地址由系統保留，用戶(hù)最好不要用本范圍內的地址。 32K字的內嵌式閃存被劃分為128個(gè)頁(yè)(每個(gè)頁(yè)存儲容量為256個(gè)字)，它們在CPU正常運行狀態(tài)下均可通過(guò)程序擦除或寫(xiě)入。
閃速存儲器芯片的編程操作是自動(dòng)字節編程，既可以順序寫(xiě)入，也可指定地址寫(xiě)入。編程操作時(shí)注意芯片的編程時(shí)間參數。Flash程序空間為 0x8000—0xFFFF，Flash命令用戶(hù)接口地址為0x7555。第一頁(yè)范圍是[0x8000—0x80FF]，最后一頁(yè)[0xFF00— 0xFFFF]。1. 擦除一頁(yè)流程是：先給命令用戶(hù)接口地址0x7555里送0xAAAA，然后再給命令用戶(hù)接口地址0x7555里送0x5511，再后給要擦除頁(yè)地址送任意數，約20ms即可完成擦除操作，然后可以執行其它操作。例如擦除第6頁(yè)[0x8500—0x85FF]流程如下：
(1)0x7555 ?0xAAAA(2) 0x7555?0x5511(3) 0x85XX?0xXXXX (其中X為任意值) 2. 寫(xiě)入一個(gè)字流程是:先給命令用戶(hù)接口地址0x7555里送0xAAAA,然后再給命令用戶(hù)接口地址0x7555里送0x5533,再后給要寫(xiě)入字地址送數據,約40us即可完成寫(xiě)入操作,然后可以執行其它操作。例如向0x8000單元寫(xiě)入0xffff流程如下：(1)0x7555?0xAAAA (2) 0x7555?0x5533 (3) 0x8000?0xffff 3. 寫(xiě)多個(gè)字流程是：
先給命令用戶(hù)接口地址0x7555里送0xAAAA，然后再給命令用戶(hù)接口地址0x7555里送0x5544，然后給要寫(xiě)入字首地址送數據，約40us即可完成1個(gè)字寫(xiě)入操作。再給命令用戶(hù)接口地址0x7555里送0x5544，給要寫(xiě)入字地址送數據，等待40us即可，循環(huán)操作，即可完成多字的寫(xiě)入。
3. PC機程序
為了實(shí)現單片機程序的正確下載，需要有PC機程序配合，以提供升級程序的代碼。PC機程序主要負責解釋和發(fā)送Motor S37格式的程序代碼，并完成與單片機進(jìn)行代碼傳輸的反復確認以保證程序的正確下載。
3.1 Motor S37 格式
凌陽(yáng)單片機的程序代碼可以是被編譯成Motor S37格式和TSK兩種格式。本文中所選取的代碼格式是Motor S37格式。為了解釋Motor S37格式的代碼，就要先來(lái)看看它的格式，見(jiàn)表1。
字段 | 內容詳細介紹 |
記錄類(lèi)型 | 表示文件記錄的開(kāi)始，記錄類(lèi)型有下列規定： ASCII碼 S3－數據記錄；ASCII碼 S7－記錄結束符。 |
記錄長(cháng)度 | 規定了包括地址、數據和檢驗和字段的記錄長(cháng)度。8位的記錄長(cháng)度值被轉換成兩個(gè)ASCII字符碼，高位在前。 |
裝入地址 | 這是由二進(jìn)制地址碼轉換成的8個(gè)ASCII字符碼，在此地址開(kāi)始裝入文件記錄。其順序依次為： 高字中的高字節中的高位數，高字中的高字節中的低位數， 高字中的低字節中的高位數，高字中的低字節中的低位數， 低字中的高字節中的高位數，低字中的高字節中的低位數， 低字中的低字節中的高位數，低字中的低字節中的低位數， 本字段在記錄結束時(shí)給出記錄的起始地址，或者連續的8個(gè)0的ASCII字符碼。 |
數據 | 文件中實(shí)際的數據也被轉換為每每?jì)蓚€(gè)ASCII字符碼字節，高位在前。在出現記錄結束符時(shí)意味著(zhù)數據字節記錄結束。 |
檢驗和 | 它是關(guān)于記錄長(cháng)度、裝入地址及數據字段的總和；是以1的補碼形式由一個(gè)8位二進(jìn)制數轉換成的兩個(gè)ASCII字符碼，也是高位在前。 |
表1 Motor S37 格式的代碼文件格式
下面我們以一段實(shí)際的Motor S37 格式的代碼來(lái)具體說(shuō)明Motor S37 格式。
S31500010022237041941193227009B34000455E1BD798
S30B0001FFFA3B803B800980FB
S307000100000000F7
S70500000000FA
這段代碼是從實(shí)際的程序代碼中截取出來(lái)的幾句。前面幾行是以S3開(kāi)頭，表示數據記錄；最后一行以S7開(kāi)頭，表示結尾。S3或者S7后面跟著(zhù)的兩位是數據長(cháng)度，都是以16進(jìn)制表示，15即表示十進(jìn)制的20，其長(cháng)度表示的是此行里8位數據的個(gè)數。后面的8個(gè)ASCII碼是裝入地址，這里要注意的是凌陽(yáng) SPCE061A是16位單片機，而S37文件中的地址是以8位來(lái)計算的，所以地址都要除2來(lái)計算實(shí)際地址。如第一行中的00010022，其在單片機中的實(shí)際地址是0x8011。地址的后面是數據，其數據表示也是按照8位來(lái)表示的，需要轉換到單片機中的16位。拿第一行來(lái)舉例，原來(lái)應寫(xiě)在 0x00010022上的0x23和寫(xiě)在0x00010023上0x37，就應改為寫(xiě)到0x8011上的0x3723。
3.2 確認機制
為了進(jìn)一步的保證程序升級的可靠性，本文在Motor S37的基礎上又加上了確認機制。即在單片機收到數據后，回傳一遍數據，然后等待PC機確認；當PC機確認數據正確后，發(fā)送ACSII碼S1作為ACK信號；否則發(fā)送S2作為DCK信號。確認機制犧牲了系統的效率，但是提高的可靠性，本文建議在一些鏈路狀況較差的環(huán)境加上確認機制。
3.3 程序的偏移量
此處要說(shuō)明的是，由于BootLoader代碼占用了一定的程序空間，真正的用戶(hù)代碼的存放要從啟動(dòng)代碼后開(kāi)始，這就需要在編譯程序的時(shí)候設置好偏移量，使得用戶(hù)代碼存儲在BootLoader代碼之后。在凌陽(yáng)IDE184中，偏移量可以在 Project->Setting->Section（如圖3）中設置。圖中所示是設置了256字的偏移量，即0x100。因為 SPCE061A的程序空間是從0x8000開(kāi)始，所以下圖中代碼段的起始地址為0x8100。
圖3 偏移量的設置
針對本文的實(shí)現方法，把偏移地址設置在了0x8500，也就是說(shuō)BootLoader運行后會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)0x8500處的代碼。
4 結束語(yǔ)
本文所介紹的設計已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)現，試驗效果良好。在選取某些不穩定鏈路作為數據獲取方式時(shí)或者是復位可能對鏈路造成影響的情況下，例如GPRS鏈路，為了進(jìn)一步提高程序升級的可靠性，系統還可以外擴RAM，在系統復位之前下載全部的升級程序代碼到RAM中，然后再復位啟動(dòng)直接改寫(xiě)程序空間。
本文創(chuàng )新之處在于提出了遠程升級單片機系統內部程序的方法，方案可靠性高，容易實(shí)現，雖是以SPCE061A為例，但可普遍應用于各類(lèi)可自我擦寫(xiě)程序空間的單片機；本文雖是以從串口獲取數據為例介紹了單片機程序遠程升級的思路和實(shí)現方法，但485、422等通訊方式與串口類(lèi)似，而且GPRS、GSM 和CMDA等通訊方式歸根到底都是使用串口，所以根據本文的設計理念可將獲取數據的方式替換為GPRS或者485甚至網(wǎng)卡等等更加復雜傳輸手段。使得有以上各種接口的單片機產(chǎn)品都可以進(jìn)行程序的遠程升級，而不必對產(chǎn)品進(jìn)行召回。有一定的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻：
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