C8051F410單片機BootLoader的實現

趙小錄，徐迎暉，羅歡

（廣東工業大學自動化學院，廣東廣州510006）

BootLoader就是單片機在復位后首先執行的一小段引導程序，通過此段程序可以實現硬件初始化、進行“用戶程序”更新等功能，本文主要討論的是通過BootLoader對“用戶程序”進行動態更新。

在使用單片機進行產品開發及使用過程中，不可避免的存在更新程序的問題，正常的程序下載是通過單片機仿真器與單片機的特殊I/O口連接來實現。在產品的開發階段，通過仿真器可以實現程序下載及調試。產品開發完成后，由于單片機已被封裝在產品內部，若要進行更新則需要重新打開產品外殼，連接數據線。這對已經批量生產甚至產品已經在最終用戶手中的情況下幾乎是不可能的，一方面由于這樣做效率很低、成本高，另一方面也使用戶對產品的整體性能帶來很大的負面影響。

1 Flash操作及程序存儲區結構功能劃分

1.1 Flash基本操作和存儲結構

C8051F410對Flash只支持0操作，故在寫入數據前首先應擦除扇區（擦除只能整頁操作，操作完成后每一位都為1）[4]。軟件寫和擦除FLASH受FLASH鎖定和關鍵碼功能的保護。在進行FLASH操作之前，必須按順序向FLASH鎖定和關鍵碼寄存器（FLKEY）寫入關鍵碼：0xA5，0xF1。寫關鍵碼的時序并不重要，但必須按順序寫。

要實現BootLoader首先要了解存儲程序的Flash結構，如表1。C8051F410共有32kFlash程序存儲器，該存儲器以512為一個扇區（頁），可以在系統內部編程操作（IAP）[1]。這就給實現BootLoader功能提供了充要前提條件。

表1 C8051F410的Flash結構Tab.1 C8051F410’s Flash construction

1.2 存儲區的功能劃分

BootLoader程序和“用戶程序”分別存儲于Flash不同區域內，在本文中做如下劃分：BootLoader程序占用地址0x6000～0x7FFF，其中頁0x7C00來保存用戶程序的入口地址[2]，這樣真正的BootLoader的程序大小就不能超過7 k（0x6000～0x7A00）?！坝脩舫绦颉闭加玫刂?x0000～0x5FFF[3]，這樣對“用戶程序”的編寫除大小不能超過24 k外就沒有其他特殊要求。

1.3 定位BootLoader的存儲位置

使用Keil軟件在程序開發時很容易實現程序的定位，這里介紹一種操作最為簡便的方法，在BootLoader工程的設置窗口的BL51 Locate面板內輸入程序的地址范圍即可，如下圖示。

圖1 Flash結構功能劃分Fig.1 Division of Flash’s construction and function

圖2 BootLoader程序的定位Fig.2 Positioning of BootLoader application

2 BootLoader程序工作流程描述

2.1 關鍵過程描述

上電復位：復位后單片機首先執行地址0x0000處的跳轉指令跳轉到BootLoader程序的入口地址并進行諸如關閉看門狗、晶振頻率、UART串口波特率設置等操作[5]，為了使程序更新速度更快，本應用中系統時鐘頻率設置一個較大的通訊波特率為115200bps。

升級握手：根據預先定義的握手規則，通過URAT與上位機（一般是計算機）進行一些數據交換，收到正確回復后即認為握手成功，并通過串口發送準備好接收數據的指示，若不成功則進行用戶程序的跳轉操作。

用戶程序判斷：若存在則立即跳轉到用戶程序入口地址（這也是最為普通的正常啟動過程）。

跳轉到用戶程序入口：BootLoader任務完成，將單片機的控制權交由用戶程序接管直到下次復位才能重新進入BootLoader。

接收數據：在BootLoader內沒有使用中斷函數，從而減少了對中斷向量的重新映射操作，也增加了程序的穩定性，這里采用查詢的方式實現數據接收。

指令類型分析：由上位機傳來的數據幀有多個功能，協議由BootLoader的開發人員自行規定，主要包括的指令類型有：寫入數據、讀取數據并上傳、結束數據傳輸過程。

發送“xxxx”提示：通過UART向上位機發送一些操作結果信息反饋給上位機，如“操作成功”、“操作失敗”等，以告知上位機如何繼續進行下步操作

2.2 BootLoader流程圖

圖3 Bootloader流程圖Fig.3 Flowsheet of BootLoader

3 關鍵操作的程序處理

數據接收：BootLoader程序中不要使用中斷函數，使用后會導致“用戶程序”的相同中斷處理函數失效，所以這里使用查詢的方式實現UART串口數據接收。

BootLoader程序入口地址的保存：單片機復位后總是從Flash存儲區的0x0000地址處開始執行，這里占用3個字節保存了一條跳轉指令，地址0x0000內容為0x02，即為機器碼的跳轉指令，后面緊跟的兩個字節保存的是要跳轉到的地址值，為了保證能正確跳轉到BootLoader區，需要在擦除本頁前保存跳轉的地址值，待擦除完成后重新寫入這3個字節，其實現代碼如下：

BootAddr[0]=FLASH_ByteRead（0x0001）；

BootAddr[1]=FLASH_ByteRead（0x0002）；

FLASH_PageErase（0x0000）；//擦除0頁

FLASH_ByteWrite（0x0000，0x02）；//跳轉指令0x02

FLASH_ByteWrite（0x0001，BootAddr[0]）；//寫入bootloader的開始地址

FLASH_ByteWrite（0x0002，BootAddr[1]）；

“用戶程序”入口地址的保存：“用戶程序”入口地址在程序文件內標示保存在程序的前3個地址字節內，在生成的程序的Hex文件內顯示為：

:03000000021ECC11

:0C1ECC00787FE4F6D8FD7581700216A046

……

第1行內的內容表示在地址0x0000及向后的兩個字節內的內容為0x02ECCC，即為要跳轉到Flash地址0x1ECC處去執行“用戶程序”的第1條指令，這里我們就要把這個地址保存起來，以便讓BootLoader程序在執行完后跳轉到這里來運行“用戶程序”，即把“用戶程序”文件內原來指向地址0x0000～0x0002的3個字節保存到BootLoader指定的一個頁單獨保存，本應用中是保存到了0x7A00頁的前3個字節，實現代碼如下：

#define APP_ADDR_PAGE 0x7C00L//用戶程序的入口地址……

startAddr=RecData[2]*256+RecData[3]；

……

if（（startAddr+i==0）||（startAddr+i==1）||（startAddr+i==2））

FLASH_ByteWrite（APP_ADDR_PAGE+i，RecData[5+i]）；

startAddr為上位機傳來的數據幀內指明的數據應保存的地址

BootLoader程序區的保護：在更新“用戶程序”過程中要防止上位機傳來的數據包含與BootLoader程序保存區地址重復的地址段，如果將BootLoader區覆蓋將導致下次復位后不能正確執行引導程序。通過以下程序段實現引導區的保護：

if（startAddr＞=0x6000）//與BootLoader沖突

SendString（"Code overflow! "）；

絕對地址的跳轉：當升級完成或在復位后上位機未響應升級握手時，程序即跳往“用戶程序”的入口地址，此地址保存于Flash的0x7C00處。

4 上位機軟件開發

為了配合單片機內BootLoader的功能實現，需要在計算機端編寫對應的下載程序來共同完成固件升級，按照BootLoader的通訊協議，上位機服務程序使用Delphi開發，程序主要針對串口操作，完成握手協議、用戶程序文件讀取并按照固定格式打包、下載及進度監測等功能，程序的運行界面如圖4所示。

圖4 上位機軟件操作界面Fig.4 Operation interface of upper computer software

5 結束語

BootLoader是一個完善產品應該具備的基本功能，其為基于單片機的產品程序升級提供了很好的解決途徑。

通過C8051F410單片機內核的實際產品使用，很好的驗證了本文所述方法的實用性、可靠性，同時這種方法也同樣適用于其他相似結構的單片機。

當程序具有重要保密需求時，可考慮將原Hex文件進行加密，在下載過程中按照加密規則進行解密，以使程序升級更加安全、通用。

為了使程序功能更加完善，在更新程序前應將單片機內原有舊版本的“用戶程序”下載并保存，然后再進行更新，當新升級的程序不能使用時還可恢復為舊版本。

[1] Silicon Laboratories.C8051F410/1/2/3 DataSheet[EB/OL].[2013-03-10].http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/201064/SILABS/C8051F410.html.

[2] 劉林，張曉丹，張作峰.BootLoader程序在MCF51AC系列單片機上的實現[J].計算機系統應用，2011，20（11）:118-122.LIU Lin，ZHANG Xiao-dan，ZHANG Zuo-feng.The realization of the bootLoader program on MCF51AC series single chip microcomputer[J].Computer Systems&Applications，2011，20（11）:118-122.

[3] 新華龍電子有限公司.C8051 MCU應用筆記[EB/OL].[2013-03-10].http://wenku.baidu.com/view/804af02f2af9024 2a895e543.html.

[4] Han-Way Huang.Embedded System Design with C8051[C]//Nelson Engineering，2011：530-650.

[5]電子網.ATMega48的Bootloader的軟件實用方法[EB/OL].[2013-03-10].http://www.51dzw.com/embed/embed_2827.html.

[6] 雷文龍.基于MAX485實現C8051F060單片機RS485接口的設計及實現[J].輕工設計，2011（5）:74.LEI Wen-long.Design and implementation of C8051F060 microcontroller RS485 interface Based on the MAX485[J].Light Industry Design，2011（5）:74.