基于Power PC系列處理器的BootLoader設計與應用

李興國，周 榮，李 旭

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

BootLoader 技術是應用在Flash 程序存儲器的一種編程模式。它可以在應用程序正常運行的情況下，通過調用特定IAP 程序對另外一段Flash 空間進行讀與寫操作，這樣就可以按照傳入數據重新配置Flash 空間，從而實現對MCU 程序的更新。相較使用JTAG 工具的傳統燒錄方法，這種技術為鐵路現場固件升級帶來了更大的靈活性。

在實際應用中，需要在編譯器上開發2 個固件程序：BootLoader 程序和用戶程序。首先必須使用燒錄工具下載BootLoader 代碼，用戶代碼可以使用BootLoader 代碼IAP 功能下載，也可以使用燒錄工具下載，一般在現場應用中都使用BootLoader更新用戶程序。這兩部分項目代碼需要同時燒錄在 Flash 中，BootLoader 程序用于更新用戶程序，用戶程序用于實現具體應用。單片機上電進入BootLoader 程序區，如果收到更新程序指令，則對APP 區的程序進行改寫操作。如果未收到更新程序指令，程序指針跳到APP 區，開始執行放在APP 區的程序，這樣便實現了升級程序的功能。傳統使用BootLoader 更新固件程序，大致流程如下。

1)當給芯片上電后，首先執行BootLoader 程序。

2)檢查是否需要更新用戶代碼。

3)如果不需要更新，執行原用戶程序。

4)如果需要更新，擦除用戶程序區，寫入新用戶程序，并執行新用戶程序。

BootLoader 是以從串口上接收更新標志后進入燒寫程序狀態的。進入燒寫程序狀態后，BootLoader 程序做的第一件事情就是擦除原用戶程序的空間。如果在程序升級過程中，發生掉電或者通信連接斷開的情況，單片機就會處于新程序未更新完畢，原程序已丟失的情景，導致程序更新失敗。

為解決這個問題， 本文提出一種解決方法，在Flash 空間劃出一個區域用于備份用戶程序，MCU進入BootLoader 引導程序后，在收到更新程序指令時，先將程序寫入備份區，寫入完成后置位待更新標志Upsig，通知MCU 需要更新程序，然后再將備份區程序寫入用戶程序區，寫入完成后清零待更新標志Upsig。因此在每次進入BootLoader 程序，通過讀取Upsig 值用來判斷是否需要更新程序，相較于傳統BootLoader 下載程序的方法，本文提出的方法可以降低風險，保障下載程序的完整性。

2 下載系統硬件構成

基于在C3+ATO 項目的應用中，所述下載系統包括：遠程控制模塊、通信模塊、程序下載控制模塊、存儲模塊，功能結構框如圖1 所示。遠程控制模塊用于提供交互式操作入口，通過交互式操作入口控制所述程序下載，控制模塊執行下載流程，遠程控制終端為SecureCRT 終端軟件。通信模塊將系統與所述遠程控制模塊相連接，本應用使用串口通信。程序下載控制模塊包括：下載單元和執行單元，下載單元用于下載應用程序到所述存儲模塊，執行單元用于執行或更新應用程序。嵌入式系統的處理器是Power PC 系列處理器。

圖1 下載系統功能結構框圖Fig.1 Block diagram of functions of download system

2.1 CPU模塊結構設計

在本應用中使用的硬件環境如下：MCU 選用Freescale 公司的處理器MPC8323E，閃存采用16 M Flash，內存采用2 GB DDR2，設置串口波特率230 400。硬件結構框如圖2 所示。

圖2 CPU模塊硬件結構框圖Fig.2 Block diagram of hardware of CPU module

在本應用中，MCU采用Freescale公司的MPC8323E 微處理器， 具有強大的功能。MPC8323E 是Freescale 公司PowerQUICC ? II Pro 系列的微處理器，此系列微處理器在Power Architecture 架構的e300c2 內核基礎上，配置單RISC 版本的QUICC Engine ?通信引擎形成MPC8323E 網絡功能的核心，最高可達300 MIPS處理能力。

2.2 Flash存儲區分割

根據前面的介紹，需要將Flash 存儲分為4 部分：第1 部分為BootLoader 程序區，第2 部分為BootLoader 參數區，第3 部分為應用程序區，第4 部分分配為應用程序備份區。如圖3 所示，將Flash 分區劃分為如下4 個部分：BootLoader 程序區用于存儲引導程序，BootLoader 參數區用于存儲程序更新參數， 應用程序備份區用于備份應用程序，應用程序區用于存儲應用程序。Flash 空間分布如圖3 所示。

圖3 Flash空間分布圖Fig.3 Distribution of FLASH storage area

首次使用系統時，通過專用JTAG 下載器將BootLoader 程序下載到Flash 存儲的0x00000000～0x000BFFFF 區 域，BootLoader。BootLoader 程序燒制完成后，系統上電啟動，MCU 從地址0x00000000 開始運行BootLoader程序，通過USB 向遠程終端secureCRT 發送交互信息。程序更新完畢后，CPU 直接跳轉至應用程序區0x00100000 地址，運行應用程序。

2.3 YModem協議簡介

本應用通過串口通信使用YModem 協議進行文件傳輸， 通過secureCRT 遠程控制終端選擇YModem 傳輸文件模式。YModem 協議是由XModem 協議演變而來的，具有快速，穩定傳輸的優點。每包數據可以傳輸1 024 Byte，同時支持多文件傳輸，也就是批文件傳輸，是一個非常高效的文件傳輸協議。發送數據時使用CRC 校驗，保證數據傳輸的正確性。它每傳輸一個信息塊數據時，就會等待接收端回應ACK 信號，接收到回應后，才會繼續傳輸下一個信息塊，保證數據已經全部正確接收。

3 BootLoader程序設計

BootLoader 是嵌入式系統在上電后執行的第一段代碼，用于完成CPU 和相關硬件的初始化之后，更新應用程序，再將應用程序裝到內存中運行。本實例中，BootLoader 用于與遠程控制終端的交互，執行應用程序下載、應用程序備份、應用程序更新和應用程序啟動執行。

預先使用專用下載器將BootLoader 程序燒錄進Flash 指定空間，給系統上電后，MCU 首先進入BootLoader 程序，系統啟動后進入預定時間的倒計時；若所述預定時間的倒計時結束且系統沒有接收到預定輸入，獲取參數區升級標志。若為“1”，則系統進入下載模式第二步。若為“0”，則系統進入執行應用程序流程；若所在述預定時間的倒計時結束前，系統接收到預定的第一鍵入信息，則系統進入配置模式；在配置模式下，若系統接收到預定的第二鍵入信息，則系統進入執行原應用程序流程；在配置模式下，若系統接收到預定的第三鍵入信息，則系統進入應用程序下載模式；在下載模式下，第一步先擦除備份區數據，再將接收數據寫入備份區，置位參數區升級標志Upsig；第二步先擦除應用區數據，再將備份區數據寫入應用區，清零參數區升級標志Upsig，升級過程完成，系統進入執行應用流程。升級過程程序流程如圖4 所示。

4 結論

本文介紹的升級程序方法不需要專用下載器、專用開發環境，不需要對下載軟件進行下載地址設置、Flash 擦除，不需要拔出插入板卡等，給程序下載帶來很大便利性，解決了Power PC 系列處理器在線升級不方便的問題，提高了列車自動運行系統的開發及測試效率。同時，本方法設置有安全下載控制，避免了下載遇到突發情況時，系統執行錯誤的目標應用程序，提高系統運行安全性。且下載完成后可以直接執行，提高了效率。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flowchart