Bootloader技術(shù)的原理及在dsPIC30F系列數(shù)字信號控制器的應(yīng)用

1 引 言

當(dāng)前， 隨著MCU、DSP等高性能集成電路的廣泛應(yīng)用， 大部分電子設(shè)備需要對用戶程序進(jìn)行升級以達(dá)到完善、豐富系統(tǒng)功能的目的。但目前對這類設(shè)備的程序升級大多采用開發(fā)人員攜帶編程工具到現(xiàn)場進(jìn)行操作的方式， 這樣做給系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和維護(hù)造成很大困難。針對這一問題提出一種基于dsPIC30系列芯片應(yīng)用Bootloader技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶程序在線自編程升級的方法， 從而達(dá)到了用戶程序升級時無須下載器， 操作簡單、快捷的目的。

2 Boo tloader的原理

Bootloader相當(dāng)于PC主板上的B IOS， 是最底層的引導(dǎo)軟件。Boo tloader是一段固化在嵌入式系統(tǒng)目標(biāo)系統(tǒng)ROM或者是諸如FLASH 等非易失存儲器中的一段程序， 它的主要作用就是引導(dǎo)操作系統(tǒng)或用戶程序的運(yùn)行。系統(tǒng)上電后Boo tloader將首先接管系統(tǒng)， 在進(jìn)行一些最基本的上電自檢后， Bootloader將對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行初始化， 為引導(dǎo)操作系統(tǒng)作好準(zhǔn)備， 接下來， Bootloader需要將操作系統(tǒng)的代碼拷貝到主存儲器的特定地址， 最后Boot loader將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)， 由操作系統(tǒng)完成接下來的工作；在不含操作系統(tǒng)的系統(tǒng)中， Bootloader可以完成這樣一些操作: 分配程序存儲空間； 重新映射復(fù)位和中斷向量； 將程序代碼從片外加載到程序區(qū)， 執(zhí)行時再將代碼加載到RAM 中以便快速執(zhí)行； 檢測是否需要下載新的用戶代碼， 若需要則通過某種通信方式接收新代碼并將其寫入指定程序存儲空間中， 若不需要， 則執(zhí)行原有用戶代碼。

在嵌入式領(lǐng)域中， Bootloader是嚴(yán)重地依賴于硬件的， 因此想要建立一個通用的Bootloader 幾乎是不可能的。以dsPIC30F系列數(shù)字信號控制器為例，深入討論在該系列芯片中編寫B(tài)oot loader程序的方法， 這種方法同樣適用于一些其它類型的微控制器。

3 Bootloader的操作模式

大多數(shù)Bootloader 都包含兩種不同的操作模式: “啟動加載 ”模式和“下載”模式， 這兩種模式的定義如下:

啟動加載( Boot Load ing)模式: 這種模式也稱為 自主 ( Autonomous)模式。也即Bootloader從目標(biāo)機(jī)上的某個固態(tài)存儲設(shè)備上將用戶程序加載到RAM 中運(yùn)行， 整個過程并沒有用戶的介入。這種模式是Boo tloader的正常工作模式。

下載( Dow nloading) 模式: 在這種模式下， 目標(biāo)機(jī)上的Bootloader將通過串口等通信手段從PC 機(jī)下載文件， 比如: 下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等。從PC機(jī)下載的文件通常首先被Bootloader保存到目標(biāo)機(jī)的RAM中， 然后再被Bootloader寫到目標(biāo)機(jī)上的FLASH類固態(tài)存儲設(shè)備中。Boo tloader的這種模式通常在系統(tǒng)程序更新時使用。工作于這種模式下的Boot loader通常都會向它的終端用戶提供一個簡單的接口。

4 dsPIC30F系列芯片簡介

M icroch ip公司推出的dsPIC30F 系列數(shù)字信號控制器( DSC)可以靈活地運(yùn)行一個常駐FLASH 的引導(dǎo)加載程序( Bootloader Prog ram )實(shí)現(xiàn)對用戶程序的在線自編程升級?？梢允褂萌魏慰捎玫臄?shù)據(jù)接口和相關(guān)協(xié)議讀取代碼， 然后將代碼寫入(編程)到FLASH 存儲器中， 從而實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備在線自編程升級程序代碼的目的。dsPIC30F系列數(shù)字信號控制器的Boo tloader程序需要自行編寫， 并且可以通過SPI、UART等各種數(shù)據(jù)接口來接收PC 機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。顯然， 采用了串口( RS232 方式) 與PC 機(jī)進(jìn)行通信最為方便。

5 dsPIC30F系列芯片F(xiàn)LASH 存儲器的運(yùn)行時自編程( RTSP)

dsPIC30F系列數(shù)字信號控制器內(nèi)部包含了用于執(zhí)行用戶代碼的FLASH 存儲器。用戶可以使用兩種方法對此存儲器編程:a運(yùn)行時自編程( Run-T ime Self Programm ing， RTSP )； b 在線串行編程( In- C ircu it Serial Programm ing， ICSP)。其中RTSP方式是由用戶軟件執(zhí)行的， 允許用戶代碼修改閃存程序存儲器的內(nèi)容， 是實(shí)現(xiàn)用戶程序在線自編程升級的基礎(chǔ)。

dsPIC30F系列芯片對FLASH 存儲器的運(yùn)行時自編程是通過表指令TBLWT、TBLRD 和NVM 寄存器實(shí)現(xiàn)的。FLASH 存儲器是由行和板構(gòu)成的。每行由32 條指令( 96 字節(jié)) 組成。通常， 每個板由128行組成( 4K # 24條指令)。RTSP可以讓用戶每次擦除一行( 32條指令)以及一次編程32條指令。

程序存儲器的每個板包括能夠保存32條編程數(shù)據(jù)指令的寫鎖存器。這些鎖存器不是存儲器映射的。

用戶訪問寫鎖存器的惟一方法是使用寫表指令。在實(shí)際編程操作前， 必須先用寫表指令將待寫數(shù)據(jù)裝入板寫鎖存器。待編程入板的數(shù)據(jù)通常是按以下順序裝入寫鎖存器的: 指令0， 指令1， 依此類推。所有的32位寫鎖存器必須在編程操作期間寫入， 以確保覆蓋保存在鎖存器中的舊數(shù)據(jù)。

RTSP編程的基本步驟是先建立一個表指針， 然后執(zhí)行一系列TBLWT 指令以裝入寫鎖存器。編程是通過將NVMCON 寄存器的特殊位置1 進(jìn)行的。

需要將32條TBLWTL和32 條TBLWTH 指令裝入四條指令。如果需要對多個不連續(xù)的程序存儲器區(qū)進(jìn)行編程， 應(yīng)該為每個區(qū)域和下一個要寫入的一組寫鎖存器修改表指針。

6 Bootloader程序編寫

6. 1 dsPIC30F系列器件存儲空間的分配

在編寫B(tài)ootloader程序之前， 我們必須首先了解芯片的程序存儲空間分配情況。dsPIC30F 系列芯片包含144K字節(jié)的FLASH 程序存儲空間， 尋址范圍為0x0000100~ 0x017FFE， 圖1 ( a)為dsPIC30F系列芯片的程序存儲器地址映射情況。

0x00~ 0x03地址單元是復(fù)位向量； 0x04~ 0xFE地址單元是中斷向量表和后備中斷向量表( IVT /A IVT) ； 在其后的0x100~ 0x17FFE單元為48K指令字的用戶閃存程序存儲器。原則上， Boot loader程序可以放在整個程序空間中的任何位置， 但是為了簡單方便、具有通用性和盡量減少對用戶程序的影響，本設(shè)計使用了0x100 ~ 0x4FE 的一段程序存儲器( Boo tloader程序與用戶程序的代碼總量不能超過144KB)。Bootloader程序后面便可存放用戶程序，但是受到FLASH 存儲器頁的限制， 用戶程序不可緊跟在Boo tloader程序之后， 它必須從下一個FLASH存儲器頁的開始處(如0x500) 存放， 如圖1 ( b) 所示。

圖1 程序存儲器地址映射

6. 2 . hex文件的解析

當(dāng)dsPIC30F系列數(shù)字信號控制器的程序編寫完成之后， 利用開發(fā)平臺MPLAB IDE編譯后會生成一個. hex 文件， 將這個. hex 文件燒寫到FLASH 存儲器中系統(tǒng)才能運(yùn)行， 因此要完成的任務(wù)就是將這個. hex 文件下載到目標(biāo)系統(tǒng)中。如果直接從PC 端將. hex 文件中的全部內(nèi)容發(fā)送給下位機(jī)， 就需要Boot loader程序來解析提取要寫入存儲器的數(shù)據(jù)， 這樣做勢必加大Boo tloader程序代碼長度， 也會影響整個Boo tloader過程的時間， 因此本設(shè)計采用在PC機(jī)端程序解析. hex 文件的方法。為了正確地將這個. hex文件下載到下位機(jī)中必須對. hex 文件有一個比較深入的了解。. hex文件的格式如下:

: BBAAAATTHHHH……HHCC

BB: 二位16 進(jìn)制值， 表示該幀數(shù)據(jù)的字節(jié)長度。

AAAA: 四位16 進(jìn)制值， 表示隨后數(shù)據(jù)的起始地址， 該地址為字節(jié)地址。

TT: 二位16進(jìn)制值， 表示數(shù)據(jù)幀類型( 00 : 數(shù)據(jù)幀； 01 : 結(jié)束幀； 04 : 擴(kuò)展地址幀)。

HH: 16進(jìn)制值， 表示具體的數(shù)據(jù)， 即具體程序代碼。

CC: 二位16進(jìn)制的校驗(yàn)碼， 使該幀全部以二位16進(jìn)制相加后總和為0。

一個. hex 文件可分為5部分代碼: 復(fù)位向量代碼、程序代碼、中斷向量代碼、后備中斷向量代碼和結(jié)束代碼， 除結(jié)束代碼僅含結(jié)束幀外， 其余各部分代碼都由擴(kuò)展地址幀和數(shù)據(jù)幀組成， 其中僅數(shù)據(jù)幀存儲了用戶程序信息。因此PC 機(jī)端程序僅保留擴(kuò)展地址幀和數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容并按順序進(jìn)行發(fā)送即可， 下位機(jī)接收數(shù)據(jù)后根據(jù)擴(kuò)展地址幀可以直接將用戶代碼寫入FLASH 存儲器相應(yīng)的地址單元中， 從而提高了整個Bootloader的效率。

6. 3 dsPIC30F器件. g ld文件的修改

Bootloader程序運(yùn)行時， 需要讀出用戶程序中預(yù)先設(shè)置好的一個延時值(本設(shè)計為1s) 作為下位機(jī)等待PC 機(jī)發(fā)送升級命令的周期， 還要指定用戶程序起始地址以便Boot loader程序執(zhí)行完畢后可以繼續(xù)執(zhí)行用戶程序。為了滿足這兩個要求， 必須修改用戶程序的鏈接文件( . g ld文件)， 以指定用戶程序的起始地址和Bootloader 程序的延時周期。對于. g ld文件的具體修改如圖2所示。

圖2 . g ld文件的修改。

6. 4 Boot loader程序流程：

系統(tǒng)上電復(fù)位后， 在完成各種初始化配置后首先判斷0x500地址單元中值是否為0xFF， 如果是，則說明系統(tǒng)從未下載過用戶程序， 系統(tǒng)會一直運(yùn)行Boot loader程序等待PC 機(jī)發(fā)送下載命令； 如果0x500中的值不是0xFF， 則說明系統(tǒng)中已經(jīng)下載過用戶程序了， 這時候根據(jù)0x500中的值來設(shè)置定時器T imer2的初值并開始計時， 如果UART2 在指定的自舉周期內(nèi)未接收到PC 機(jī)發(fā)來的下載命令(說明系統(tǒng)不需要下載程序)， 系統(tǒng)會自動跳出Boo tloader程序而去運(yùn)行已有的用戶代碼， 如果UART2在自舉周期內(nèi)接收到了下載命令， Boo tloader程序會進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)等待PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖3所示。

圖3 程序流程圖。

如前文所述， PC 機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)是從. hex 文件中提取的， PC機(jī)首先發(fā)送擴(kuò)展地址部分， 下位機(jī)接收保存后會繼續(xù)等待接收32個指令字( 96字節(jié))并保存到RAM 中， 然后根據(jù)接收到的地址擦除FLASH 存儲器中的1行， 擦除FLASH 是通過調(diào)用匯編函數(shù)E raseMem來進(jìn)行的， 函數(shù)原型如下:

mov# 0x4041, NVMCON ; 使NVMCON 寄存器為擦除FLASH模式

mov # 0x55, W 0

movW0, NVMKEY

mov # 0xAA, W0

movW 0, NVMKEY ; 將0x55、0xAA 寫入密鑰寄存器

bsetNVMCON, #WR ; 開始擦除

nop

nop

return

擦除FLASH存儲器的一行后需要把接收到的32個指令字寫入到FLASH 存儲器寫鎖存器中， 這一過程可以通過函數(shù)W riteLatch 實(shí)現(xiàn)， 函數(shù)原型如下:

movW0, TBLPAG ; 寫表寄存器

tb lw tlW3, [W1]

tb lw thW2, [W1] ; 寫入鎖存器

return

這一步完成之后就可以將接收到的32個指令字寫入FLASH 存儲器了， 其方法與擦除FLASH 類似， 寫完一行后向PC 機(jī)發(fā)送應(yīng)答。待FLASH 存儲器全部寫完之后， PC 機(jī)會發(fā)送表示結(jié)束下載的命令， 下位機(jī)接收后退出Boo tloader程序， 進(jìn)入新的用戶程序繼續(xù)運(yùn)行， 從而完成整個在線自編程過程。

7 結(jié)束語

dsPIC30F 系列數(shù)字信號控制器應(yīng)用Boot loader實(shí)現(xiàn)用戶程序在線自編程升級的方法具有很高的應(yīng)用價值， 尤其是應(yīng)用于自主開發(fā)的工業(yè)自動化儀表時給用戶程序的現(xiàn)場升級帶來了極大的方便。該方法已經(jīng)成功用于電子皮帶秤控制儀表系統(tǒng)中， 達(dá)到了提高系統(tǒng)軟件升級的更換效率、降低升級費(fèi)用、提高產(chǎn)品制造商對用戶的服務(wù)質(zhì)量滿意度的目的。方法雖然僅以dsPIC30F系列芯片為例， 但對于M icrochip公司生產(chǎn)的其它系列芯片只要略加修改同樣適用。