基于C8051F34x單片機的USB Bootloader設計

劉云龍 ，張偉霞

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

Bootloader(以下簡稱BL)是一段引導程序，在單片機上電或復位后在應用程序(以下簡稱APP)之前先運行，來判斷當前是否需要進入升級狀態。如果不需要升級，就直接跳轉到APP運行；如果需要升級，首先擦除舊的APP，然后通過某種通信接收APP固件程序，同時寫入Flash中。

BL固件程序能以多種方式獲取數據，包括串口、并口、I2C、SPI、USB等，但是從實際使用和成熟度來看，使用串口無疑是最方便的。如今，USB總線憑借其方便、快速、靈活、穩定、應用范圍廣等優點被廣泛地應用、發展和普及，使用USB進行數據傳輸是一種趨勢。本文設計的BL主要基于USB通信，同時考慮到模塊兼容，保留了串口通信。

一般來說，一個BL應該能夠完成以下功能：(1)通過某種通信收發數據；(2)擦除并升級APP應用固件程序；(3)判斷APP固件的完整性；(4)APP與BL的中斷跳轉問題。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一般處理函數等問題。下面對BL固件程序設計、APP固件程序設計以及上層軟件設計進行詳細介紹。

1 USB Bootloader設計

1.1 硬件平臺

本文設計的USB BL是基于SiliconLabs公司C8051F34x系列單片機實現的；C8051F34x器件是完全集成的混合信號片上系統型MCU，具有片內上電復位、VDD監視器、電壓調整器、看門狗定時器、時鐘丟失檢測器、時鐘振蕩器、USB、SMBus/I2C、UART、SPI、定時器、I/O、多達4 352 B片內RAM和64 KB的片內Flash存儲器，Flash存儲器還具有在系統重新編程的能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新8051固件。

C8051F34x器件集成了一個完整的全速/低速USB功能控制器，剛開始設計時采用C8051F34x自帶的USB，但是靜電測試不符合要求，最終選用了C8051F34x和PDIUSBD12組合，解決了靜電問題。

PDIUSBD12是一款性價比很高的USB器件，它符合USB1.1版規范，可與任何外部微控制器實現高速并行接口(2 Mb/s)，具有良好的 EMI特性，高于 8 kV的在片靜電防護電路等，詳細資料請查詢參考文獻[3]。

1.2 BL和APP固件的地址分配

USB BL預計將占用8 KB的地址空間，從0x0000h到0x1FFFh，包括USB BL固件程序本身和用來判斷程序是運行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開始。

圖1 BL與APP地址空間分配

1.3 BL和APP的自動跳轉

在程序中，設置一個設備模式標志位，用來判斷程序是應該運行在BL中還是在APP中，此標志位存儲在RAM的一個固定地址2F7h處。本文設計的BL，DEVICE_MODE為設備模式標志位，其值等于1時為BL_MODE(BL模式)，其值等于 0為 APP_MODE(APP模式)。

有兩種情況設備模式為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有指定的兩字節的簽名；二是Flash寫錯誤，在C8051F34x單片機中，Flash讀地址超出了用戶代碼空間，即MOVC操作的地址大于0xFBFF，發生Flash錯誤復位后，FERROR位(RSTSRC.6)被置位。

上電后是否運行APP固件程序通過第一種情況判斷。當需要更新APP固件程序時，造成Flash寫錯誤，通過第二種情況進入BL模式，開始更新程序，如圖2所示。

圖2 BL和APP的自動跳轉

1.4 中斷重定位

一般情況下，MCU中斷向量分布在復位 (0x0000)以后，位于低地址空間。由于BL程序占據了此段空間，因此，除了 USB0中斷(中斷序列表第8號中斷)和串口中斷 (中斷序列表第5號中斷)，其他所有的中斷(C8051F34x共有16個通用中斷)都需要做中斷二次映射。也就是說，需要在原中斷向量入口地址處手動添加二次跳轉函數，使新的中斷向量指向用戶的中斷程序，這樣才能保證正常運行APP固件程序的中斷程序。具體的跳轉地址由APP固件程序起始地址決定，這一部分在START51.A51中通過編寫函數來完成。假設固件的起始地址設置為0x2000H，則中斷跳轉的實現過程如下。

首先定義幾個常量：

中斷向量重映射：

1.5 中斷處理函數

8號USB中斷由于同時要被BL固件和APP固件調用，因此不能對其進行二次跳轉，而通過共享的USB庫文件中的USB_ISR主中斷處理函數進行處理，通過DEVICE_MODE判斷當前設備處于BL模式或APP模式來自動地二次跳轉到BL固件或APP固件的USB中斷處理函數處，如圖3所示。

圖3 BL中斷函數分流處理

需要注意的是，4號串口中斷同樣要被兩者所調用，因此對4號中斷的處理與8號中斷相同。先由4號中斷入口地址跳轉到原地址處，然后在此地址處根據設備模式進行中斷分流，決定是到BL還是到APP的中斷處理函數處。

1.6 USB BL命令函數

BL固件程序中的命令函數如表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文件寫入Flash；

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

(4)Get Version：取BL程序的版本號。

表1 BL固件程序中的命令函數

2 APP固件程序設計

使用USB BL，需要對APP固件程序進行一些添加和修改。

(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”變為“CSEG AT 2000h”；

②點擊 Porject->Options for Target‘Target1’， 點擊C51項目欄，把 Interrupt vectors address欄選中，內容改為0x2000，點擊BL51 Locate項目欄，將code項改為0x2000。

(2)APP固件程序應該具備從APP轉到BL的功能，需要增下以下代碼：

①main()主函數中增加接收更新APP固件程序的命令字以及對此命令的處理代碼，使用BOOTLOAD_REQ()命令來觸發一次Flash讀復位，使器件進入BL模式；

②在STARTUP.A51文件增加以下代碼：

//造成 Flash寫錯誤地址定義

PUBLICBOOTLOAD_REQ

BOOTLOAD_REQ EQU 0FFFFh

③在頭文件中添加函數聲明：

void BOOTLOAD_REQ(void)

(3)去掉與BL重復的USB通信函數部分，特別是要去掉Control_USB()函數(該函數主要完成設備請求處理函數)，因為此函數在BL中已經實現，并且用絕對地址固定，應用程序只需跳轉到固定的絕對地址處即可，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’，點擊 BL51 Locate項目欄，將 code項修改為

？PR？VCONTROL_USB？BOOTLOADER_F340(0x1300)；

(4)修改USB中斷處理函數：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，電平觸發方式，低電平有效。因此應在外部中斷1中斷處理函數中獲取USB中斷源并進入相應的子程序進行處理。

(5)USB設備的枚舉過程在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自己的模塊。

(6)保護被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始之前增加以下的代碼：

3 遠程在線下載

3.1 下載步驟

(1)從APP切換到BL。此時，程序正常運行在APP模式，發送更新程序命令，致使Flash寫錯誤進入BL模式。

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

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

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

(5)從BL切換到APP。寫簽名成功后，使程序跳轉到APP固件程序處執行。

3.2 上層軟件設計

本文使用VC++6.0開發了BL上層軟件，如圖4所示。

在線下載時，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進行APP固件程序版本比較，如果是不同版本的程序，可以進行升級，如果是同一版本的程序，直接返回成功；(2)強制下載，這種下載方式不進行APP固件程序版本比較，點擊即可進行升級，一般在APP固件程序調試時多次下載使用。

在線下載使用方法：首先點擊“瀏覽”按鈕，查找到用于升級的新版本的HEX文件；再點擊“正常下載”或“強制下載”進行程序升級；然后在右邊查看返回結果，看升級是否成功。

3.3 設計注意點

在APP轉BL以及BL轉APP時，需要考慮USB枚舉時間，枚舉成功后才能正常地發送和接收。遠程下載過程中，需要考慮一些異常情況，如PC主機死機、模塊CPU死機、死循環或復位等，針對這些情況，本設計均作了冗錯處理。

一個良好的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，不會因為意外情況引起系統的損壞和崩潰。本文結合實際應用，設計了一個實用的USB Bootloader。經大量測試和實際應用，可滿足開發和維護人員的要求。

[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微控制器數據手冊[Z].新華龍電子有限公司，2006.01.

[3]周立功.PDIUSBD12 USB固件編程與驅動開發 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[4]王朔，李剛.USB接口器件PDIUSBD12的接口應用設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2002(1).

[5]繆德芳，李紹勝.單片機 Bootloader設計與實現[J].中國科技論文在線.

[6]虹信公司.在 PIC18單片機中使用 BootLoader[J].單片機與嵌入式系統應用，2005(12).