基于C8051F34x單片機(jī)的USB Bootloader設(shè)計(jì)

劉云龍 ，張偉霞

(1.廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663；2.廣州廣電運(yùn)通金融電子股份有限公司，廣東 廣州 510663)

Bootloader(以下簡(jiǎn)稱(chēng)BL)是一段引導(dǎo)程序，在單片機(jī)上電或復(fù)位后在應(yīng)用程序(以下簡(jiǎn)稱(chēng)APP)之前先運(yùn)行，來(lái)判斷當(dāng)前是否需要進(jìn)入升級(jí)狀態(tài)。如果不需要升級(jí)，就直接跳轉(zhuǎn)到APP運(yùn)行；如果需要升級(jí)，首先擦除舊的APP，然后通過(guò)某種通信接收APP固件程序，同時(shí)寫(xiě)入Flash中。

BL固件程序能以多種方式獲取數(shù)據(jù)，包括串口、并口、I2C、SPI、USB等，但是從實(shí)際使用和成熟度來(lái)看，使用串口無(wú)疑是最方便的。如今，USB總線(xiàn)憑借其方便、快速、靈活、穩(wěn)定、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用、發(fā)展和普及，使用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是一種趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)的BL主要基于USB通信，同時(shí)考慮到模塊兼容，保留了串口通信。

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)BL應(yīng)該能夠完成以下功能：(1)通過(guò)某種通信收發(fā)數(shù)據(jù)；(2)擦除并升級(jí)APP應(yīng)用固件程序；(3)判斷APP固件的完整性；(4)APP與BL的中斷跳轉(zhuǎn)問(wèn)題。而基于USB通信的BL，除了要完成一般BL的功能，還需要考慮BL與APP共用除USB中斷外的USB一般處理函數(shù)等問(wèn)題。下面對(duì)BL固件程序設(shè)計(jì)、APP固件程序設(shè)計(jì)以及上層軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 USB Bootloader設(shè)計(jì)

1.1 硬件平臺(tái)

本文設(shè)計(jì)的USB BL是基于SiliconLabs公司C8051F34x系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的；C8051F34x器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、電壓調(diào)整器、看門(mén)狗定時(shí)器、時(shí)鐘丟失檢測(cè)器、時(shí)鐘振蕩器、USB、SMBus/I2C、UART、SPI、定時(shí)器、I/O、多達(dá)4 352 B片內(nèi)RAM和64 KB的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程的能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。

C8051F34x器件集成了一個(gè)完整的全速/低速USB功能控制器，剛開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)采用C8051F34x自帶的USB，但是靜電測(cè)試不符合要求，最終選用了C8051F34x和PDIUSBD12組合，解決了靜電問(wèn)題。

PDIUSBD12是一款性?xún)r(jià)比很高的USB器件，它符合USB1.1版規(guī)范，可與任何外部微控制器實(shí)現(xiàn)高速并行接口(2 Mb/s)，具有良好的 EMI特性，高于 8 kV的在片靜電防護(hù)電路等，詳細(xì)資料請(qǐng)查詢(xún)參考文獻(xiàn)[3]。

1.2 BL和APP固件的地址分配

USB BL預(yù)計(jì)將占用8 KB的地址空間，從0x0000h到0x1FFFh，包括USB BL固件程序本身和用來(lái)判斷程序是運(yùn)行APP還是BL的一段簽名程序。BL與APP地址空間分配如圖 1所示，APP固件程序存放的地址空間從0x2000h開(kāi)始。

圖1 BL與APP地址空間分配

1.3 BL和APP的自動(dòng)跳轉(zhuǎn)

在程序中，設(shè)置一個(gè)設(shè)備模式標(biāo)志位，用來(lái)判斷程序是應(yīng)該運(yùn)行在BL中還是在APP中，此標(biāo)志位存儲(chǔ)在RAM的一個(gè)固定地址2F7h處。本文設(shè)計(jì)的BL，DEVICE_MODE為設(shè)備模式標(biāo)志位，其值等于1時(shí)為BL_MODE(BL模式)，其值等于 0為 APP_MODE(APP模式)。

有兩種情況設(shè)備模式為BL模式，可以下載更新APP固件程序：一是在指定的簽名地址處沒(méi)有指定的兩字節(jié)的簽名；二是Flash寫(xiě)錯(cuò)誤，在C8051F34x單片機(jī)中，F(xiàn)lash讀地址超出了用戶(hù)代碼空間，即MOVC操作的地址大于0xFBFF，發(fā)生Flash錯(cuò)誤復(fù)位后，F(xiàn)ERROR位(RSTSRC.6)被置位。

上電后是否運(yùn)行APP固件程序通過(guò)第一種情況判斷。當(dāng)需要更新APP固件程序時(shí)，造成Flash寫(xiě)錯(cuò)誤，通過(guò)第二種情況進(jìn)入BL模式，開(kāi)始更新程序，如圖2所示。

圖2 BL和APP的自動(dòng)跳轉(zhuǎn)

1.4 中斷重定位

一般情況下，MCU中斷向量分布在復(fù)位 (0x0000)以后，位于低地址空間。由于BL程序占據(jù)了此段空間，因此，除了 USB0中斷(中斷序列表第8號(hào)中斷)和串口中斷 (中斷序列表第5號(hào)中斷)，其他所有的中斷(C8051F34x共有16個(gè)通用中斷)都需要做中斷二次映射。也就是說(shuō)，需要在原中斷向量入口地址處手動(dòng)添加二次跳轉(zhuǎn)函數(shù)，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(yùn)行APP固件程序的中斷程序。具體的跳轉(zhuǎn)地址由APP固件程序起始地址決定，這一部分在START51.A51中通過(guò)編寫(xiě)函數(shù)來(lái)完成。假設(shè)固件的起始地址設(shè)置為0x2000H，則中斷跳轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

首先定義幾個(gè)常量：

中斷向量重映射：

1.5 中斷處理函數(shù)

8號(hào)USB中斷由于同時(shí)要被BL固件和APP固件調(diào)用，因此不能對(duì)其進(jìn)行二次跳轉(zhuǎn)，而通過(guò)共享的USB庫(kù)文件中的USB_ISR主中斷處理函數(shù)進(jìn)行處理，通過(guò)DEVICE_MODE判斷當(dāng)前設(shè)備處于BL模式或APP模式來(lái)自動(dòng)地二次跳轉(zhuǎn)到BL固件或APP固件的USB中斷處理函數(shù)處，如圖3所示。

圖3 BL中斷函數(shù)分流處理

需要注意的是，4號(hào)串口中斷同樣要被兩者所調(diào)用，因此對(duì)4號(hào)中斷的處理與8號(hào)中斷相同。先由4號(hào)中斷入口地址跳轉(zhuǎn)到原地址處，然后在此地址處根據(jù)設(shè)備模式進(jìn)行中斷分流，決定是到BL還是到APP的中斷處理函數(shù)處。

1.6 USB BL命令函數(shù)

BL固件程序中的命令函數(shù)如表1所示。

(1)Erase Page：擦除APP固件程序和簽名；

(2)Write Page：將APP固件程序的HEX文件寫(xiě)入Flash；

(3)Write Signature：APP固件程序?qū)?Flash成功后，將簽名寫(xiě)入指定的地址處，表示APP固件已經(jīng)存在于Flash中；

(4)Get Version：取BL程序的版本號(hào)。

表1 BL固件程序中的命令函數(shù)

2 APP固件程序設(shè)計(jì)

使用USB BL，需要對(duì)APP固件程序進(jìn)行一些添加和修改。

(1)由于BL占用了 0x0000~0x1FFF的空間，APP固件程序是以0x2000h作為起始地址的，這樣就需要修改APP程序的偏移量。

①修改 STARTUP.A51文件，把“CSEG AT 0”變?yōu)椤癈SEG AT 2000h”；

②點(diǎn)擊 Porject->Options for Target‘Target1’， 點(diǎn)擊C51項(xiàng)目欄，把 Interrupt vectors address欄選中，內(nèi)容改為0x2000，點(diǎn)擊BL51 Locate項(xiàng)目欄，將code項(xiàng)改為0x2000。

(2)APP固件程序應(yīng)該具備從APP轉(zhuǎn)到BL的功能，需要增下以下代碼：

①main()主函數(shù)中增加接收更新APP固件程序的命令字以及對(duì)此命令的處理代碼，使用BOOTLOAD_REQ()命令來(lái)觸發(fā)一次Flash讀復(fù)位，使器件進(jìn)入BL模式；

②在STARTUP.A51文件增加以下代碼：

//造成 Flash寫(xiě)錯(cuò)誤地址定義

PUBLICBOOTLOAD_REQ

BOOTLOAD_REQ EQU 0FFFFh

③在頭文件中添加函數(shù)聲明：

void BOOTLOAD_REQ(void)

(3)去掉與BL重復(fù)的USB通信函數(shù)部分，特別是要去掉Control_USB()函數(shù)(該函數(shù)主要完成設(shè)備請(qǐng)求處理函數(shù))，因?yàn)榇撕瘮?shù)在BL中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并且用絕對(duì)地址固定，應(yīng)用程序只需跳轉(zhuǎn)到固定的絕對(duì)地址處即可，修改如下：

①在STARTUP.A51文件增加以下代碼：

//control_usb地址定義

PUBLIC Control_USB

//USB通信產(chǎn)生的外部中斷1在APP固件的入口地址

Control_USB EQU 1300h

②注意需要在BL中先定義Control_USB的入口地址，方法如下：在 BL工程下，Porject->Options for Target‘Target1’，點(diǎn)擊 BL51 Locate項(xiàng)目欄，將 code項(xiàng)修改為

？PR？VCONTROL_USB？BOOTLOADER_F340(0x1300)；

(4)修改USB中斷處理函數(shù)：由于 USB控制器采用PDIUSBD12，其中斷引腳 INT_N接 C8051F34x的 P0.7引腳，且該引腳被配置為外部中斷1，電平觸發(fā)方式，低電平有效。因此應(yīng)在外部中斷1中斷處理函數(shù)中獲取USB中斷源并進(jìn)入相應(yīng)的子程序進(jìn)行處理。

(5)USB設(shè)備的枚舉過(guò)程在BL中完成，因此PID、VID是BL程序所決定的，需要在BL中改變此處的值以適應(yīng)自己的模塊。

(6)保護(hù)被BL使用的位，DEVICE_MODE的位地址，在STARTUP.A51文件中，在宏定義和代碼段開(kāi)始之前增加以下的代碼：

3 遠(yuǎn)程在線(xiàn)下載

3.1 下載步驟

(1)從APP切換到BL。此時(shí)，程序正常運(yùn)行在APP模式，發(fā)送更新程序命令，致使Flash寫(xiě)錯(cuò)誤進(jìn)入BL模式。

(2)擦除 Flash。在 BL模式下，發(fā)送擦除 Flash命令，擦除簽名和APP固件程序，返回成功ERASE_OK。

(3)寫(xiě) Flash。擦除 Flash成功后，可以將新的 APP固件程序的HEX文件寫(xiě)進(jìn)Flash。校驗(yàn)失敗，返回WRITE_FAILED，成功返回 WRITE_OK。

(4)寫(xiě)簽名。寫(xiě)Flash成功后，將2 B的簽名寫(xiě)到指定的地址處，表示APP固件已經(jīng)存在于Flash中。

(5)從BL切換到APP。寫(xiě)簽名成功后，使程序跳轉(zhuǎn)到APP固件程序處執(zhí)行。

3.2 上層軟件設(shè)計(jì)

本文使用VC++6.0開(kāi)發(fā)了BL上層軟件，如圖4所示。

在線(xiàn)下載時(shí)，有兩種方式：(1)正常下載，這是常用的一種方式，這種下載方式在下載前和下載后會(huì)進(jìn)行APP固件程序版本比較，如果是不同版本的程序，可以進(jìn)行升級(jí)，如果是同一版本的程序，直接返回成功；(2)強(qiáng)制下載，這種下載方式不進(jìn)行APP固件程序版本比較，點(diǎn)擊即可進(jìn)行升級(jí)，一般在APP固件程序調(diào)試時(shí)多次下載使用。

在線(xiàn)下載使用方法：首先點(diǎn)擊“瀏覽”按鈕，查找到用于升級(jí)的新版本的HEX文件；再點(diǎn)擊“正常下載”或“強(qiáng)制下載”進(jìn)行程序升級(jí)；然后在右邊查看返回結(jié)果，看升級(jí)是否成功。

3.3 設(shè)計(jì)注意點(diǎn)

在APP轉(zhuǎn)BL以及BL轉(zhuǎn)APP時(shí)，需要考慮USB枚舉時(shí)間，枚舉成功后才能正常地發(fā)送和接收。遠(yuǎn)程下載過(guò)程中，需要考慮一些異常情況，如PC主機(jī)死機(jī)、模塊CPU死機(jī)、死循環(huán)或復(fù)位等，針對(duì)這些情況，本設(shè)計(jì)均作了冗錯(cuò)處理。

一個(gè)良好的BootLoader程序應(yīng)該具有良好的可維護(hù)性并可以正確處理異常情況，不會(huì)因?yàn)橐馔馇闆r引起系統(tǒng)的損壞和崩潰。本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)用的USB Bootloader。經(jīng)大量測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用，可滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)和維護(hù)人員的要求。

[1]Silicon Labs.USB Bootloader with shared USB[DB/OL].Xpress Library，2008.2.

[2]潘琢金，譯.C8051F340/1/2/3/4/5/6/7全速 USB FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].新華龍電子有限公司，2006.01.

[3]周立功.PDIUSBD12 USB固件編程與驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā) [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[4]王朔，李剛.USB接口器件PDIUSBD12的接口應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2002(1).

[5]繆德芳，李紹勝.單片機(jī) Bootloader設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)科技論文在線(xiàn).

[6]虹信公司.在 PIC18單片機(jī)中使用 BootLoader[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005(12).