在PIC18單片機中使用BootLoader

　

 

　   在PIC系列單片機中，只有PIC18系列和PIC16F87X系列的單片機才有IAP功能，才能夠使用BootLoader功能。下面只介紹PIC18的BootLoader，PIC16F87X的BootLoader與它類(lèi)似。

　　

　   1 BootLoader程序的工作原理

　　

　   BootLoader是一段引導程序，在單片機上電/復位后在用戶(hù)程序之前先運行。運行后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。接收數據時(shí)，需要進(jìn)行校驗，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。

　　

　   PIC18單片機只有一塊Flash，可以在Flash的任何位置擦寫(xiě)（甚至可以將BootLoader自身擦除）；而51單片機一般都是兩塊Flash，只能夠從一塊Flash上擦寫(xiě)另一塊Flash，而不能擦寫(xiě)自身。

　　

　   BootLoader程序原則上是可以放在整個(gè)程序空間中的任何位置的，但是為了簡(jiǎn)單方便、具有通用性和盡量減少對用戶(hù)程序的影響，使用了從0x00開(kāi)始的一段程序空間。

　　

　   BootLoader程序可以多種方式獲取數據，包括串口、并口、I2C、SPI、USB等；但是從實(shí)際使用來(lái)看，使用串口無(wú)疑是最方便的。

　　

　   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。在這里，Microchip和HI-TECH都將BootLoader程序設計為小于200H個(gè)字節（100H個(gè)字）。使用0x00～0x1FF這個(gè)區域還有一個(gè)重要原因是，這個(gè)地址的空間有特殊的寫(xiě)保護特性。

　　

　   PIC18單片機雖然有多個(gè)中斷源，但只支持兩級中斷，有兩個(gè)中斷向量，分別位于0x08和0x18；而B(niǎo)ootLoader程序占用了0x00～0x1FF的空間，這意味著(zhù)需要重新定位中斷向量，使新的中斷向量指向用戶(hù)的中斷程序，這樣才能保證正常運行用戶(hù)程序的中斷程序。

　　

　   2 程序的使用方法

　　

　   （1） HI-TECH的BootLoader程序

　　

　   在HI-TECH的PICC18編譯器的examples文件夾下，有一個(gè)Bootldr子文件夾，里面就是HI-TECH的BootLoader程序。這是一個(gè)完整的程序，可以直接進(jìn)行編譯，編譯后的HEX可以用編程器下載到芯片中。

　　

　   （2） 用戶(hù)系統的要求

　　

　   如果需要使用BootLoader，要求用戶(hù)系統中有一個(gè)RS232串口可以和計算機進(jìn)行通信。

　　

　   （3） 程序的配置

　　

　   下面是程序的主要參數，如果它們設置得不正確，會(huì )影響程序的使用。

　　

　   VERB0：冗余模式，有更多的提示，但是會(huì )占用更多的程序空間，建議不用。

　　

　   BOOT_TIMEOUT：等待超時(shí)的時(shí)間，0～9s（再長(cháng)了也沒(méi)有意義），默認為5s。

　　

　   BAUD：串口通信的波特率，默認是9 600。

　　

　   FOSC：用戶(hù)系統的時(shí)鐘頻率，默認是4 MHz。

　　

　   NINE：通信是否使用第9位數據位，默認不使用。

　　

　   FILL_BYTE：程序空間擦除時(shí)使用的填充數據，默認值是0xFF。

　　

　   PROG_START：用戶(hù)程序的起始位置，默認是0x200。

　　

　   其他的參數可以先不用管，在需要時(shí)再修改，它們不影響通信和下載。

　　

　   （4） 程序的編譯

　　

　   有兩種方法對BootLoader程序進(jìn)行編譯：

　　

　   ① 命令行方式。使用命令行時(shí)，典型的用法是：

　　

　   picc18 -8f452 bootldr.c -o -zg -noerrata

　　

　   上面的最后一個(gè)參數 -noerrata是PIC18Fxx2系列單片機需要的，若是其他型號，就不用加入；而參數 -18f452是指定單片機的型號，如果是其他型號，就修改為實(shí)際使用的型號。

　　

　   ② 使用MPLAB IDE。使用MPLAB IDE時(shí)，首先按照正常方式建立一個(gè)新的工程文件，選擇工程文件目錄，然后加入HI-TECH的SamplesBootldr目錄下文件bootldr.c和bootldr.h。建立工程文件時(shí)，選擇MCU的型號為實(shí)際使用的型號，選擇C編譯器為HI-TECH的PICC18編譯器。

 

　   （5） 用戶(hù)程序的配置

　　

　   使用HI-TECH版本的BootLoader，對用戶(hù)程序的修改是非常少和簡(jiǎn)單的，只需要修改用戶(hù)程序的偏移量就可以了，而不需要修改任何程序代碼或進(jìn)行任何特殊的配置。因為BootLoader程序需要占用0～1FFH的空間，所以用戶(hù)程序需要從200H處開(kāi)始運行，即設置程序的偏移量為200H。方法是在MPLAB IDE中，從菜單中選擇Project→Build Options...→Project，在PICC-18 Linker頁(yè)標下的Specify offset for ROM（ROM代碼偏移量）中輸入偏移量200（注意這里輸入的已經(jīng)是十六進(jìn)制了，不用再轉換），如圖1所示。

圖 1

　?。?） 程序配置字

　　

         對于每個(gè)PIC單片機的芯片，都需要設置正確的程序配置字后才能正常運行。雖然在BootLoader中是可以修改配置字的，但是這樣并不安全，也不方便。一般情況下，程序配置字設定后是不需要修改的，所以配置字在燒寫(xiě)BootLoader程序時(shí)就一起寫(xiě)入單片機芯片，以后就只使用BootLoader來(lái)升級(燒寫(xiě))程序，這樣不會(huì )破壞芯片的配置字。

　　

       （7） 調試用戶(hù)程序

　　

        平時(shí)，在編寫(xiě)和調試用戶(hù)程序時(shí)，還是和正常方式一樣，單片機中不包含BootLoader程序，也不設置偏移量（或者設置為0），以方便使用ICD2等仿真器進(jìn)行程序仿真。等程序調試好后，再修改程序的偏移量為200H，并重新編譯程序，產(chǎn)生最終的用戶(hù)HEX代碼。這樣編譯好的程序才可以使用BootLoader進(jìn)行下載。

　　

        （8） 下載用戶(hù)程序

　　

        使用HI-TECH的BootLoader程序，在下載用戶(hù)程序到單片機中時(shí)，可以不需要特殊的下載程序，只需要使用Windows自帶的超級終端程序就可以了。超級終端的通信參數需要設置成和BootLoader程序的一樣，包括波特率、校驗、數據位、停止位等。

　　

        首先連接好串口線(xiàn)，再啟動(dòng)超級終端程序，然后復位單片機（單片機中應當已經(jīng)寫(xiě)入了BootLoader程序）。這時(shí)，在超級終端的窗口中會(huì )顯示出一個(gè)倒計時(shí)的計數器，計數器的初始值就是上面的BOOT_TIMEOUT參數。計數器每秒鐘刷新一次。當計數器為0時(shí)，就會(huì )運行以前的程序。

 

        如果這期間從超級終端輸入任意數據（就是隨便按一個(gè)鍵，或者說(shuō)單片機從串口上接收任意數據），計數器就會(huì )停止計數，進(jìn)入升級狀態(tài)。這時(shí)BootLoader程序會(huì )首先擦除舊的程序空間，然后屏幕上會(huì )顯示出一個(gè)冒號“：”，提示等待下載用戶(hù)程序。這時(shí)就可以從超級終端的菜單中選取傳送→發(fā)送文本文件，選擇編譯好的HEX文件即可。如果下載成功，超級終端的窗口中會(huì )顯示出一個(gè)小括號“)”，提示下載已經(jīng)完成，同時(shí)用戶(hù)程序會(huì )自動(dòng)開(kāi)始運行。使用BootLoader下載時(shí)，因為串口的速度相對比較慢（與編程器相比），所以需要等待一會(huì )兒。具體時(shí)間與用戶(hù)程序的大小有關(guān)。如果下載中出現錯誤，單片機會(huì )自動(dòng)復位，進(jìn)入倒計數狀態(tài)，重復上面的過(guò)程。使用超級終端比較簡(jiǎn)單，不需要特殊的下載軟件；但是缺乏交互性，沒(méi)有進(jìn)程指示，如果下載過(guò)程中出現錯誤也不能停止下來(lái)。

　　

        3 BootLoader程序的改進(jìn)

　　

        （1） HI-TECH的BootLoader程序中存在的缺陷

　　

        雖然HI-TECH版本的BootLoader程序已經(jīng)很方便了，具備了所有必需的基本要素；但是程序中存在著(zhù)一些缺陷，甚至是很重大的隱患，不太適合于直接使用在實(shí)際工程中。下面是主要存在的幾個(gè)問(wèn)題

　　

        ①BootLoader是以從串口上接收任何數據為標志進(jìn)入BootLoader狀態(tài)的。進(jìn)入BootLoader狀態(tài)后，BootLoader程序做的第一件事情就是擦除以前程序的空間。如果在實(shí)際使用中，單片機因為某種意外原因被復位，而且復位后運行BootLoader時(shí)在串口上有任何數據（如干擾信號或者系統正處于串口通信狀態(tài)），就會(huì )造成用戶(hù)程序的丟失。

　　

        ② BootLoader程序中沒(méi)有使用看門(mén)狗。如果升級失敗或者升級過(guò)程中程序死機，將不能恢復到初始的升級狀態(tài)。這對于直接串口連接的方式問(wèn)題不大，但是需要使用遠程升級時(shí)是一個(gè)致命的問(wèn)題。

　　

        ③ 在寫(xiě)入用戶(hù)程序過(guò)程中如果出現數據錯誤，就會(huì )復位，而這時(shí)用戶(hù)程序已經(jīng)被部分寫(xiě)入了。如果復位后運行BootLoader程序沒(méi)有收到信號時(shí)，會(huì )啟動(dòng)用戶(hù)程序。這樣殘缺的用戶(hù)程序就可能會(huì )造成運行故障和不可預料的結果。如果看門(mén)狗是在用戶(hù)程序中打開(kāi)的，這時(shí)就有可能出現看門(mén)狗沒(méi)有被啟動(dòng)而死機的現象，這是遠程升級中一個(gè)嚴重的問(wèn)題。

　　

        ④ BootLoader程序中允許寫(xiě)EEPROM和芯片配置字。雖然這樣增加了靈活性，但是這樣是不安全的。如果配置字不小心設置錯了，下載后會(huì )使整個(gè)芯片不能正常運行。這時(shí)需要重新用編程器修改配置字才行。

　　

        只有設法克服上面提到的缺陷，才能將BootLoader程序應用到實(shí)際系統中。

 

        （2） 對HI-TECH的BootLoader程序的改進(jìn)

　　

        針對上面提到的問(wèn)題，對HI-TECH的BootLoader作了一些修改，刪除了部分很少用到的功能和不安全的功能，同時(shí)修改了進(jìn)入BootLoader狀態(tài)的判斷條件。除了使用增強的串口數據識別方式外，還增加了電平檢測的方式，用來(lái)判斷是否進(jìn)入BootLoader狀態(tài)。

　　

        ① 針對上面第一項中的問(wèn)題，修改為識別特定字符串才可以進(jìn)入BootLoader的升級狀態(tài)。特定字符串的內容和長(cháng)度可以由用戶(hù)自己定義（長(cháng)度不能超過(guò)12字節。在一般情況下，12字節的識別字符串應當足夠長(cháng)了）?？梢允褂萌魏螖祿ò?）。

　　

        ② 增加了特定引腳電平判斷方式，在BootLoader程序運行后，判斷某個(gè)特定的引腳上的電壓是否是預定的電壓，由此決定是否需要進(jìn)入BootLoader升級狀態(tài)。引腳和預定電壓（高/低）可以自由設置。這種方式比較安全，但是不太適合于遠程升級。

　　

        ③ 增加了看門(mén)狗選項，可以設置使用/不使用看門(mén)狗。一般設置看門(mén)狗的溢出時(shí)間在0.5～2s比較合適。

　?、?增加了編程響應。在每成功接收到一行HEX數據后，發(fā)出一個(gè)回應字節，用于編程時(shí)的錯誤檢測。PC端的下載程序可以根據這個(gè)字節來(lái)判斷下載過(guò)程中是否出錯。

　　

        ⑤ 針對上面3(1)中③的問(wèn)題，可以這樣解決。將編譯后的HEX文件手工稍作修改，將0x200～0x220（假設用戶(hù)程序是從0x200開(kāi)始的）地址段的數據從文件的開(kāi)頭移動(dòng)到文件的結尾。這樣0x200處的代碼會(huì )在最后才寫(xiě)入單片機中。如果寫(xiě)入過(guò)程中出現故障，復位后即使BootLoader啟動(dòng)了用戶(hù)程序，也會(huì )因為這段區域沒(méi)有代碼而重新復位，而不會(huì )去運行部分被寫(xiě)入的用戶(hù)程序。不過(guò)這種方法需要對HEX文件的結構有一定的了解才行。

       

        一個(gè)簡(jiǎn)單判斷HEX數據地址的方法是,HEX文件的每一行第一個(gè)字符是冒號“:”，冒號后的第3、4、5、6這四個(gè)數字就表示這一行數據的地址，是以十六進(jìn)制表示的。如：“：100200...”就表示地址是0x200。在正常情況下，編譯后的HEX文件數據是地址從低到高的順序排列的。

　　

        改進(jìn)后的程序增加了一部分參數，它們是：

　　BOOT_SIGNAL——使用單片機引腳電平觸發(fā)方式進(jìn)入BootLoader；

　　BOOT_SIGNAL_PORT——定義電平觸發(fā)啟動(dòng)方式檢測用的引腳；

　　BOOT_SIGNAL_LEVEL——定義檢測電平1=高電平觸發(fā)，0=低電平觸發(fā)；

　　BOOT_TIME_DELAY——使用超時(shí)方式進(jìn)入BootLoader，這個(gè)參數和上面的BOOT_SIGNAL不能同時(shí)使用；

　　USE_EXTEND_HEX——是否接收擴展的HEX代碼，不使用可以節省代碼，建議不用；

　　USEWDT——是否在BootLoader中使用看門(mén)狗，建議使用；

　　CONFIRM_TIME——聯(lián)機同步字節數，在超時(shí)方式中使用多字節進(jìn)行同步；

　　CONFIRM_DATA——用戶(hù)可定義的聯(lián)機數據；

　　USE_ECHOBACK——編程時(shí)是否回應，使用可以增加下載時(shí)的安全性，建議使用。

　　

        使用了BOOT_SIGNAL方式后，與超時(shí)方式相關(guān)的部分都不再起作用。這時(shí)可以定義使用任意引腳來(lái)判定是否需要進(jìn)入BootLoader。在使用BOOT_TIME_DELAY(超時(shí)方式)時(shí)，增加了一些與之相關(guān)的內容，如CONFIRM_DATA，可以使用任何特定的字符串來(lái)確認是否需要進(jìn)入BootLoader狀態(tài)，增加了BootLoader程序的安全性，避免受到干擾而誤進(jìn)入程序升級狀態(tài)。

　　

        （3） 其他改進(jìn)的建議和方法

　　

        ① HI-TECH的BootLoader程序接收的是標準的HEX文件。這在很多時(shí)候是不夠安全的，不利于程序的加密，容易被反匯編和破解?？梢詫EX進(jìn)行加密處理，變成不能直接查看的數據。

　　

        ② 使用超級終端進(jìn)行程序下載速度比較慢,同時(shí)，如果下載中出現錯誤，超級終端程序不能及時(shí)發(fā)現停止下來(lái)，而是一直把文件發(fā)送完才能停下來(lái)。這時(shí)BootLoader程序會(huì )反復進(jìn)入BootLoader狀態(tài)，對單片機有一定的損傷。最好是自行編寫(xiě)一個(gè)計算機端的專(zhuān)用下載程序，不但可以提高下載的速度，也可以提高下載的成功率。

　　

        ③ 使用RS422/485方式。有些時(shí)候，使用的并不是RS232串口，而是RS422/RS485串口。它們實(shí)際是類(lèi)似的，只是在接口方式上有些區別。RS422/RS485需要控制發(fā)送，所以在BootLoader程序中增加一個(gè)發(fā)送控制就可以了。

        ④ 在BootLoader中，將波特率設置得很高并沒(méi)有太大的用處，它并不能夠提高下載整體的速度，而只能加快數據傳輸的速度。因為整個(gè)下載分為數據通信（數據傳輸）和Flash寫(xiě)入/擦除（數據等待）兩個(gè)部分。程序代碼Flash空間的擦除和寫(xiě)入速度是比較慢的（典型值是3～4 ms），太快了反而容易丟失數據，造成下載失敗。

 

        使用9600 bps的波特率時(shí)，傳輸1字節的數據大約是1 ms，接收一個(gè)緩沖區8字節大約需要8 ms，大于寫(xiě)入延時(shí)，所以不需要延時(shí)；當通信速率超過(guò)9600 bps時(shí)，接收8字節緩沖區的時(shí)間可能會(huì )小于寫(xiě)入時(shí)間，需要在通信中延時(shí)。實(shí)際使用的測試結果是：使用9600 bps比使用14 400 bps時(shí)慢50%，使用57 600 bps比9600 bps快一倍，而使用115 200 bps時(shí)與57 600 bps幾乎沒(méi)有任何區別。如果使用超級終端下載，就更沒(méi)有必要設置高波特率了。因為在使用最常用的三線(xiàn)方式通信時(shí)（沒(méi)有控制信號），超級終端采用了比較保守的方式發(fā)送數據，本身就比較慢。

　　

　　

        一個(gè)良好的BootLoader程序應該具有良好的可維護性并可以正確處理異常情況，不會(huì )因為意外情況引起系統的損壞和崩潰。