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結構8位單片機，具有先進(jìn)的指令集及單時(shí)鐘周期指令執行時(shí)間，數據吞吐率可高達1MIPS，其性能明顯優(yōu)于其他類(lèi)型8位單片機。
   
    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可靈活運行BOOT區程序，實(shí)現在應用編程(IAP)及一些高級應用，如系統智能升級，密碼校驗自保護，遠程系統更新等。但有很高性?xún)r(jià)比的Mega48在硬件上卻不支持Bootloader功能。因此，本文針對Mega48首次提出兩種軟件實(shí)現Bootloader的方法：跳轉保存法和倒置法。

1 ATMega48 Bootloader的軟件實(shí)現方法

    Mega48在硬件上不支持Bootloader功能，不能像其他產(chǎn)品那樣通過(guò)編程來(lái)設置相應的熔絲位以實(shí)現Bootloader，只能通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現。在Mega48上實(shí)現Bootloader的關(guān)鍵在于通過(guò)軟件實(shí)現程序存儲器空間劃分。復位后，BOOT區獲得MCU控制權，自編程結束后MCU控制權返還給APP區.以下將詳細介紹本文提出的兩種新方法。

1.1 跳轉保存法

    本方法的核心在于跳轉和保存，因此命名為跳轉保存法。跳轉指上電后MCU跳轉至BOOT區，MCU控制權被BOOT區獲得。保存指對APP區程序復位地址的保存，只有保存了該地址才能保證MCU控制權正常返還給APP區。

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

    為提高程序的可移植性，可使用預定義語(yǔ)句來(lái)劃分BOOT區大小，具體實(shí)現如下：
    #define PAGESIZE 64
    ／／每個(gè)頁(yè)面由64個(gè)字節組成
    #define APP_PAGES ((4*1024／PAGESIZE) - ((1*1024+256)／PAGESIZE))
    ／／APP區的頁(yè)面數
    #define APP_END APP_PAGES*PAGESIZE
    ／／APP區共占用的字節數
    在編譯過(guò)程中，由于ICCAVR編譯器只支持標準的BOO了區大小設置，即256／512／1024／2048 KB。故使用下面方法定義BOOT區大??；
    #pragma text：mytext    
    voidboot()．．．
    #pragma text；text
    編譯過(guò)程中，在ProjectOptions→Target的Other Options中，添加“-bmytext；0x????”，其中0x????為BOOT區開(kāi)始的地址。這樣就可以根據實(shí)際需要設定BOO了區大小。這對于整個(gè)程序空間只有4 KB的ATMcga48來(lái)說(shuō)，是非常適合的。程序具體流程如圖1所示。

    如圖1所示，BOOT區程序塊的第一步就是讀取EEPROM中的APP區原復位地址，以便單片機在執行BOOT區程序條件不成立時(shí)，跳轉到APP區執行程序。

    EEPROM_READ(0xfe，AppReset)；

    當執行BOOT區程序條件成立時(shí)，單片機將執行BOOT區程序來(lái)更新APP區中的內容。這里特別要注意對即將更新到APP區內程序復位地址的處理：保存該程序中復位地址到RAM中，并修改該地址為BOOT區人口地址。這個(gè)工作必須在頁(yè)面填充前完成，否則在更新后，單片機復位運行不會(huì )首先跳轉到BOOT區。

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

    BOOT區程序塊最后一步是對APP區程序復位地址的保存。只有通過(guò)上電復位才能移交MCU控制權給APP區，這將導致RAM被清零。為了保存RAM中的原APP區程序復位地址，需上電復位前，將這個(gè)地址保存到EEPROM中。

    EEPROM_WRITE(Oxfe，APPReset)；

    值得一提的是，在第一次運行時(shí)，程序并不能直接跳轉到BOOT區首地址，所以第一次運行時(shí)，APP區內容應為空。這樣，當單片機上電運行時(shí)，程序指針(PC)會(huì )自增向下運行到第一句可執行代碼，即BOOT區中的首行代碼。同樣，第一次運行時(shí)也不可能讀取出正確的返回APP區的入口地址(取出值為0xFF)，所以第一次運行時(shí)必須保證執行BOOT區程序條件成立，否則將無(wú)法正確跳回到APP區。只有執行了BOOT區程序，才能寫(xiě)入正確的APP返回地址到EEPROM中，從而為以后的運行做好準備。
 
    跳轉保存法遵循了Bootloader的常規實(shí)現流程，但它的MCU控制權交接處理比較復雜，下文將提到的倒置法就很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

1.2 倒置法

    一般來(lái)說(shuō)，程序存儲區的上部為NPP區，下部為BOOT區，這也是常規方法所采取的分區方法。這種分區方法由支持Bootloader功能的芯片程序存儲區中RWW和NRWW的劃分方式所決定的。針對Mega48，它的程序存儲區沒(méi)有RWW區和NRWW區之分，SPM指令可以在整個(gè)Flash區中執行，所以大可不必拘泥于一般規律，完全可以把APP區和BOOT區倒置，即把程序存儲區的上部劃分為BOOT區，下部劃分為APP區。本文中將這種分區方法稱(chēng)為倒置分區方法。

    倒置法背棄了常規分區形式，創(chuàng )新地采用倒置分區法對程序存儲區進(jìn)行分區。這樣，在每次上電后，BOOT區自動(dòng)獲得MCU控制權，而不需修改和保存用戶(hù)程序復位向量，這比跳轉保存法簡(jiǎn)便。BOOT區大小劃分仍使用預定義語(yǔ)句，具體實(shí)現如下：

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

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

    如圖2所示，當執行BOOT區程序條件不成立時(shí)，程序跳轉至APP區入口處，該地址是固定的(4096~1024)。

    具體實(shí)現如下：
    Asm(“jmp 0x0C00＼n”)；
    ／／跳轉到APP區開(kāi)始執行

    需要注意的是，中斷向量空間在程序存儲器的低地址上，這正好位于BOOT區中，故為了增加APP區和B00T區兩部分程序的獨立性，可在A(yíng)PP區中人為構建除復位向量以外的其他中斷向量空間。在自編程過(guò)程中，實(shí)施頁(yè)寫(xiě)入時(shí)，不是按常規方法的順序從第一個(gè)頁(yè)開(kāi)始更新，因為需更新的是APP區所在的頁(yè)面，而不是BOOT區所在的，所以要從APP區所在的頁(yè)面處開(kāi)始更新。

    倒置法打破了常規的分區模式，大大簡(jiǎn)化了對MCU控制權的處理，但其頁(yè)面更新處理較為繁瑣。跳轉保存法則因沿襲了常規處理方式，所以頁(yè)面更新無(wú)需做特別處理，并能很好地兼容硬件實(shí)現Bootloader的程序。用戶(hù)可以根據實(shí)際需要來(lái)選擇方法。

2 硬件測試原理圖及結果

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

    在本文中使用的編譯環(huán)境為ICCAVR DEMO版，通過(guò)使用AVR單片機的井口下載線(xiàn)完成BOOT區程序的首次寫(xiě)入。 自編程過(guò)程中使用的上位機軟件為AVROSP。經(jīng)測試兩種方法均能可靠運行。

結 語(yǔ)

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