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　　3 引導(dǎo)交換(boot swap)

　　產(chǎn)品程序的升級包括應(yīng)用程序的升級和引導(dǎo)程序(Bootloader自身)的升級。為了防止引導(dǎo)程序在升級的過程中發(fā)生錯誤，從而導(dǎo)致MCU無法啟動，設(shè)計了引導(dǎo)交換功能。以圖4說明引導(dǎo)交換的實(shí)現(xiàn)過程。

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　　1)舊的Boot程序首先將新的Boot程序編程到交換引導(dǎo)簇1(Boot cluster 1)，然后設(shè)置啟動交換標(biāo)志位，并強(qiáng)迫看門狗復(fù)位。

　　2)復(fù)位啟動后，MCU看到交換標(biāo)志位，便從交換引導(dǎo)簇1處開始啟動。交換引導(dǎo)簇1處的新Boot程序?qū)z查交換標(biāo)志位。如果交換標(biāo)志位被置1，則新的Boot程序?qū)⒉脸粨Q引導(dǎo)簇0(Boot cluster 0)區(qū)域，并將自身復(fù)制到交換引導(dǎo)簇O，然后將交換標(biāo)志位清零，強(qiáng)迫看門狗復(fù)位。

　　3)復(fù)位啟動后，MCU看到交換標(biāo)志位被清零。又從交換引導(dǎo)簇0處開始執(zhí)行。這樣就完成了boot程序自身的升級。即使在升級過程中遇到斷電等異常情況，在重新上電后也能重新完成Boot程序升級。有效地防止在升級過程中出現(xiàn)斷電等等異常情況而導(dǎo)致升級失敗，MCU無法啟動的問題，使Boot程序的升級變得安全可靠。

　　4 Bootloadler設(shè)計

　　4.1 簡單的Bootloader

　　一個簡單的Bootload包括5個元素。

　　1)啟動 Bootloader的信號 Bootloader程序是在執(zhí)行應(yīng)用程序之前所執(zhí)行的一小段程序，當(dāng)Bootloader程序把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給應(yīng)用程序后，在MCU復(fù)位前，Bootloader程序?qū)⒉辉賵?zhí)行。因此，需要產(chǎn)生一個信號觸發(fā)MCU開始Bootloader程序。該信號可以是中斷，也可以通過串口傳送的一條指令，或者是別的程序觸發(fā)的信號。

　　2)執(zhí)行 Bootloader的信號 單片機(jī)程序啟動時，MCU是裝載新的應(yīng)用程序還是執(zhí)行已經(jīng)存在的程序取決于外部信號。該信號可以是上電時的一個端口信號，用來控制MCU裝載新程序還是執(zhí)行舊程序，也可以是從串口接收到的指令等。

　　3)將新的代碼傳送給MCU 通過RS485、I2C、CAN或者USB傳送新的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)。因?yàn)橐獋魉偷拇a一般會超過MCU的RAM容量，因此需要一些控制數(shù)據(jù)流量的措施。一般使用XON/XOFF軟件握手協(xié)議，傳送代碼的格式一般選擇Intel hex格式。

　　4)Flash新代碼的自動編程 每次MCU接收到一批新的數(shù)據(jù)，就要將其編程到正確的Flash地址。如果該地址非空白，MCU在編程前必須先擦除。一般在編程中或者編程后還需要檢查存儲器的內(nèi)容。

　　5)將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給有效的應(yīng)用程序 在接收和編程了新的代碼后，Bootloader寫一個校驗(yàn)和或者其他唯一字節(jié)序列到一個固定的存儲單元。Bootloader檢測該值，如果該值存在，Bootloader就將控制權(quán)傳給應(yīng)用程序。

　　4.2 Intelhex格式

　　在線升級的程序代碼采用編譯器輸出的Intel hex格式文件。Intel hex文件常用來保存單片機(jī)或其他微處理器的程序代碼。它保存物理程序存儲區(qū)中的目標(biāo)代碼映象。一般的編程器都支持這種格式。Intel hex文件記錄中的數(shù)字都是十六進(jìn)制格式。在InteI hex文件中，每一行包含一個HEX記錄。Intel hex文件通常用于傳輸將被存于Flash或者EEPROM中的程序和數(shù)據(jù)。Intel hex由任意數(shù)量的十六進(jìn)制記錄組成。每個記錄包含5個域，它們按照圖5所示格式排列。

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　　每一個部分至少由2個十六進(jìn)制編碼字符組成。它們構(gòu)成1個字節(jié)。每一個部分的意義如下所述：

　　1)每個Intel hex記錄都由冒號開頭，自編程的過程中以此判斷一個Intel hex記錄的開始。

　　2)數(shù)據(jù)長度代表當(dāng)前記錄中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量。

　　3)地址代表當(dāng)前記錄中數(shù)據(jù)在存儲區(qū)域中的起始地址。

　　4)HEX記錄類型有如下4種：00-數(shù)據(jù)記錄;01-文件結(jié)束記錄;02-擴(kuò)展段地址記錄;03-轉(zhuǎn)移地址記錄。NEC編譯器輸出的Intel hex文件中。只包含數(shù)據(jù)類型00和01。其中O1作為自編程過程中數(shù)據(jù)結(jié)束的判定標(biāo)志。

　　5)數(shù)據(jù)域分用于存儲需要寫入Flash中的內(nèi)容，一個記錄可以有許多數(shù)據(jù)字節(jié)。記錄中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量必須與數(shù)據(jù)長度中的值相符。

　　6)校驗(yàn)和是取記錄中從數(shù)據(jù)長度到數(shù)據(jù)域最后一個字節(jié)的所有字節(jié)總和的2的補(bǔ)碼。

　　根據(jù)以上說明，必須在程序中對接收到的Inter hex文件進(jìn)行解碼，獲取數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)地址，并對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，然后將接收正確的數(shù)據(jù)編程到Flash相應(yīng)的地址上。

　　4.3 Bootloader設(shè)計思路

　　單片機(jī)收到啟動信號后，重新啟動程序。啟動的時候首先執(zhí)行Boot代碼，Boot代碼檢查是否收到執(zhí)行升級信號。如果需要升級程序，則通過串口或者其他通信接口接收新的應(yīng)用程序，loader程序向單片機(jī)Flash中寫入新的應(yīng)用程序代碼。最后通過檢查校驗(yàn)位檢測程序是否有效。如果有效，則Bootloader將CPUMCU控制權(quán)交給應(yīng)用程序。整個升級過程完成。Bootloader執(zhí)行過程如圖6所示。

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　　需要注意的是Bootloader自身的更新和應(yīng)用程序的更新還需區(qū)別處理。通過辨別接收到數(shù)據(jù)的編程地址來判斷是Bootloader更新還是應(yīng)用程序更新。若編程地址從0000H開始，則為Bootloader更新。Bootloader更新則需要執(zhí)行引導(dǎo)交換(boot swap)功能;若為應(yīng)用程序更新，自編程結(jié)束后，直接將CPU交給應(yīng)用程序。

　　5 結(jié)束語

　　本文探討了78KO/FC2系列μPD78F0881單片機(jī)的自編程功能以及Bootloader的設(shè)計方法。具體描述了通過單片機(jī)串口對相應(yīng)的應(yīng)用程序通過Bootloader進(jìn)行升級。此版本的Bootloader使用晶振20 MHz，通過串口Uart60，設(shè)置波特率為115 200，在μPD78F0881單片機(jī)上成功實(shí)現(xiàn)了用戶應(yīng)用程序的升級更新。在接下來的工作中，Bootloader的設(shè)計應(yīng)當(dāng)面向更多的通信接口。例如，通過CAN總線接口升級，通過USB接口升級等等。