MSP430單片機串行寫(xiě)入BOOTSTRAP與加密熔斷功能

引言

　　對于MSP430單片機的開(kāi)發(fā)調試有多種技術(shù)方案,例如EPROM方式、OTP方式、仿真開(kāi)發(fā)系統方式、JTAG和BOOTSTRAP方式。BOOTSTRAP（又名BootStrap Loader,簡(jiǎn)稱(chēng)BSL）可與另一種Flash仿真工具JTAG控制器配合使用。對于Flash型的MSP430單片機初期開(kāi)發(fā)進(jìn)行的仿真,只需要1臺PC機和1個(gè)FET(Flash Emulator Tool)的JTAG控制器即可實(shí)現。進(jìn)入產(chǎn)品級開(kāi)發(fā)階段,為了保護用戶(hù)代碼,燒斷Flash的保護熔絲以后就無(wú)法再通過(guò)JTAG口訪(fǎng)問(wèn)單片機,這時(shí)用戶(hù)對Flash中的程序再進(jìn)行檢查或更新就只能通過(guò)BOOTSTRAP進(jìn)行。不用擔心用戶(hù)代碼會(huì )泄露,BOOTSTRAP提供了32字節256位的密碼保護,能完全確保代碼的安全性。

　　BOOTSTRAP的硬件制作并不費力,只要與調試環(huán)境軟件配合（TI網(wǎng)站提供免費下載限制功能的軟件,不過(guò)用戶(hù)可以輕松地制作完全功能軟件）,就能很方便地構建自己的開(kāi)發(fā)環(huán)境。對于熔斷的方法,從以前TI公布的資料看,只要在功能引腳上施加一個(gè)6.5V左右的電壓數ms就可以了。當然,各類(lèi)芯片熔斷的方法也有一些差異。但是,除了11x系列的單片機有人用這種方法試驗成功外,對其余系列的單片機無(wú)法實(shí)現,甚至有毀壞芯片的可能?，F在,隨著(zhù)為T(mén)I公司的各類(lèi)FET仿真器及BOOTSTRAP開(kāi)發(fā)工具的相繼推出,在一篇TI資料中,給出了MSP430熔斷的方案和指令結構,這樣,我們用DIY的完全功能開(kāi)發(fā)調試系統就可以構建成功了。

1 BOOTSTRAP的功能與啟動(dòng)

　　通過(guò)BOOTSTRAP可以訪(fǎng)問(wèn)單片機的全部存儲器,包括程序Flash、ROM、RAM,并可對其進(jìn)行擦除、讀寫(xiě)。它能用于批量下載程序,監測程序使用情況和各個(gè)變量與寄存器的使用情況,并可對其進(jìn)行修改。因此,使用BOOTSTRAP能夠方便地進(jìn)行軟件升級。

　　用戶(hù)燒斷Flash熔絲的目的在于保護程序代碼,通過(guò)BOOTSTRAP讀取MSP430,需要32字節即256位的密碼口令;但是,BOOTSTRAP又表現了其極大的靈活性,其功能分為需要密碼保護的功能與不需要密碼保護的功能。其中,受密碼保護的操作有從MSP430的存儲器中讀數據、寫(xiě)數據、Flash段擦除和讀取程序計數器;不受密碼保護的操作就是接收密碼口令與Flash全擦除,擦除之后32個(gè)字節的密碼口令全為0xFFH。這樣使得用戶(hù)的程序代碼受到完全的保護,而且芯片也能保持應用的靈活性。

　　對于MSP430系列Flash型單片機,依靠RST/NMI引腳與TCK引腳（有的型號如MSP430F11x1使用TEST引腳）和一定的時(shí)序就進(jìn)入標準的復位過(guò)程,即使用地址0FFFEH處的RESET向量,然后進(jìn)入正常的程序入口。改變RST/NMI引腳與TCK引腳的時(shí)序配合,就可以啟動(dòng)BOOTSTRAP,即地址0C00H處的BSL RESET向量用做程序入口,單片機執行BOOT ROM里的程序。MSP430F13x/14x的正常復位時(shí)序如圖1所示,BSL復位時(shí)序如圖2所示。

圖1

圖2

　　如果發(fā)生以下情況,則不能啟動(dòng)BSL：

　　◇ 在RST/NMI引腳保持為低時(shí),TCK引腳上出現的上升沿少于2個(gè);
　　◇ 當RST/NMI引腳電平從低跳變到高時(shí),TCK引腳還是保持為高;
　　◇ JTAG接口已控制了MSP430的資源;
　　◇ 因Vcc下降引起POR（復位）。

　　退出BOOTSTRAP時(shí),要釋放單片機的程序計數器PC,有兩種情況：一種是在BSL中使用加載PC命令,從指定的程序地址繼續執行;另一種是用標準的RESET序列強制使MSP430用0FFFEH的向量地址開(kāi)始執行程序。

2 BOOTSTRAP的軟硬件結構

2.1 BOOTSTRAP的硬件結構

　　BOOTSTRAP硬件完成PC機和MSP430單片機通信的接口功能,主要由電源供電、信號接口和電平轉換幾個(gè)部分構成。

　　MSP430采用的是3.3 V電源,BOOTSTRAP可以采用外部給單片機供電再將電引到BOOTSTRAP板上,或直接利用PC機串口的電壓再轉換成3.3 V的方案。利用PC機串口電壓的方案由于不需要外部供電,適用于批量下載、修改程序,使用方便。PC機通過(guò)串口和MSP430通信,串口用的是232電平,MSP430單片機用的是3.3 V的供電系統,因此存在一個(gè)電壓轉換的問(wèn)題。對于電壓轉換,TI公司提供兩個(gè)系列的電壓調整芯片TPS770xx和TPS760xx系列。這兩款芯片都能滿(mǎn)足輸入從 -0.3~13.5 V,穩定輸出50 mA 電流1.2~5 V的要求。

　　BOOTSTRAP使用的信號線(xiàn)與串口信號線(xiàn)的對應情況如表1所列。信號線(xiàn)與MSP430系列引腳的對應情況如表2所列。

表1

表2

2.2 BOOTSTRAP的軟件結構

　　對于PC機來(lái)講,主要就是解決通過(guò)串口與MSP430通信和可視化界面的問(wèn)題,可以使用VC、VB、Delphi等各種軟件開(kāi)發(fā)工具,界面如圖3所示。

圖3

　　對于MSP430來(lái)講,與PC機進(jìn)行串口通信,接收、發(fā)送數據與擦寫(xiě)Flash的程序是已經(jīng)固化在BOOT ROM里的,所以必須根據MSP430的設置來(lái)編寫(xiě)上位機程序。啟動(dòng)BSL后,MSP430會(huì )首先關(guān)閉看門(mén)狗、關(guān)中斷、定義基礎時(shí)鐘模塊,由DCO（Digitally-Controlled Oscillator）產(chǎn)生系統主時(shí)鐘脈沖MCLK和輔助時(shí)鐘脈沖SMCLK,使最小時(shí)鐘頻率為1.5 MHz。用TIMER_A做軟串口實(shí)現與PC機通信,建立軟件異步通信協(xié)議,連續模式,時(shí)鐘源為MCLK,DIV＝1,CCR0用于比較,CCTL0用于查詢(xún)CCIFG0標志。P1.1為T(mén)X發(fā)送端（設置為輸出高）,P2.2為RX接收端（設置為輸入）。BSL初始化系統后,處于就緒狀態(tài),等待PC機的同步序列和第一個(gè)命令。BOOTSTRAP的串口設置如表3所列。

表3

　　PC機設置好串口之后就可以發(fā)一個(gè)字節的同步信號給MSP430,MSP430正確接收后會(huì )返回一個(gè)ACK應答信號,PC機判斷這個(gè)應答信號正確后就可以按照設定的幀格式發(fā)送、接收數據,MSP430每收到一幀,也會(huì )發(fā)一個(gè)應答信號以供PC機確認。其幀格式如圖4所示。

圖4

　　BSL的程序代碼在BOOT ROM中（0C00H…0FEFH）,0FF0H…0FFFH保存有芯片的標識,其中BOOTSTRAP的版本信息就存儲在地址為0FFAH的地方。BSL的初期版本（1.10及其以下）需要一些補丁來(lái)寫(xiě)Flash（參見(jiàn)TI有關(guān)資料Bug Ids：BSL2、BSL3和BSL4）,其補丁也是MSP430的程序代碼。先將其寫(xiě)到RAM中,使用LOAD PC的命令,將目標程序的起始地址裝入程序計數器中,就可以執行補丁程序了。然后,在程序最后加一句跳轉到0x0c00的語(yǔ)句就可以返回BOOTSTRAP了。通過(guò)這種方法,用戶(hù)也可以自己對BOOTSRTAP做一些改動(dòng),以滿(mǎn)足用戶(hù)實(shí)際應用中的需要。

3 熔斷操作

　　MSP430Fxx的芯片中設置有保護熔絲。熔斷需要在TDI引腳上加上一個(gè)6.5 V±0.5 V的電壓再加上一定的時(shí)序才能進(jìn)行,一般采用PC機發(fā)出時(shí)序。TI的開(kāi)發(fā)工具中,串口JTAG編程器能熔斷,但它不能在線(xiàn)仿真。用戶(hù)可以自己制作一個(gè)全套的開(kāi)發(fā)工具,使之具有TI所有開(kāi)發(fā)工具的功能。

　　燒Flash的熔絲不能簡(jiǎn)單地以硬件給引腳加高電壓實(shí)現,還需要用軟件對MSP430發(fā)出指令來(lái)配合。以MSPF14x/13x為例,首先,通過(guò)IR_SHIFT指令使JTAG口控制MSP430單片機,通過(guò)DR_SHIFT_IN將TDO/TDI腳設置成TDI,發(fā)出指令I(lǐng)R_SHIFT(“IR_PREPARE_BLOW”）后等待1 ms,再將熔斷電壓Vpp加在TDI腳上,送IR_SHIFT(“IR_EX_BLOW”）后再等1 ms就可以將Vpp移開(kāi)了。具體指令情況可以參見(jiàn)TI文檔。

4 小結

　　據了解,目前BSL的工具國外有SOFTBAUGH公司和GESLER公司制作的;國內也有杭州一家公司制作的BSL與熔斷的綜合工具,目前正在測試中。不過(guò)對于入門(mén)級的用戶(hù)或個(gè)人,只要稍有一些軟硬件制作能力,就完全可以花很短的時(shí)間來(lái)制作自己的開(kāi)發(fā)工具,包括JTAG控制器、BSL和熔斷器。