Bootloader技術(shù)在數(shù)字信號(hào)控制器中的應(yīng)用

摘 要: 介紹了Boot loader(引導(dǎo)加載)技術(shù)的原理， 著重討論了M icroch ip公司的DSPIC30F系列數(shù)字信號(hào)控制器( DSC)的Boo tloader程序的編寫(xiě)及F lash存儲(chǔ)器運(yùn)行時(shí)自編程( RTSP)技術(shù)的原理， 并實(shí)現(xiàn)了電子皮帶秤控制儀表程序的在線(xiàn)自編程升級(jí)。

1 引 言

當(dāng)前， 隨著MCU、DSP等高性能集成電路的廣泛應(yīng)用， 大部分電子設(shè)備需要對(duì)用戶(hù)程序進(jìn)行升級(jí)以達(dá)到完善、豐富系統(tǒng)功能的目的。但目前對(duì)這類(lèi)設(shè)備的程序升級(jí)大多采用開(kāi)發(fā)人員攜帶編程工具到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作的方式， 這樣做給系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和維護(hù)造成很大困難。針對(duì)這一問(wèn)題提出一種基于dsPIC30系列芯片應(yīng)用Bootloader技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)程序在線(xiàn)自編程升級(jí)的方法， 從而達(dá)到了用戶(hù)程序升級(jí)時(shí)無(wú)須下載器， 操作簡(jiǎn)單、快捷的目的。

2 Boo tloader的原理

Bootloader相當(dāng)于PC主板上的B IOS， 是最底層的引導(dǎo)軟件。Boo tloader是一段固化在嵌入式系統(tǒng)目標(biāo)系統(tǒng)ROM或者是諸如FLASH 等非易失存儲(chǔ)器中的一段程序， 它的主要作用就是引導(dǎo)操作系統(tǒng)或用戶(hù)程序的運(yùn)行。系統(tǒng)上電后Boo tloader將首先接管系統(tǒng)， 在進(jìn)行一些最基本的上電自檢后， Bootloader將對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行初始化， 為引導(dǎo)操作系統(tǒng)作好準(zhǔn)備， 接下來(lái)， Bootloader需要將操作系統(tǒng)的代碼拷貝到主存儲(chǔ)器的特定地址， 最后Boot loader將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)， 由操作系統(tǒng)完成接下來(lái)的工作；在不含操作系統(tǒng)的系統(tǒng)中， Bootloader可以完成這樣一些操作: 分配程序存儲(chǔ)空間； 重新映射復(fù)位和中斷向量； 將程序代碼從片外加載到程序區(qū)， 執(zhí)行時(shí)再將代碼加載到RAM 中以便快速執(zhí)行； 檢測(cè)是否需要下載新的用戶(hù)代碼， 若需要?jiǎng)t通過(guò)某種通信方式接收新代碼并將其寫(xiě)入指定程序存儲(chǔ)空間中， 若不需要， 則執(zhí)行原有用戶(hù)代碼。

在嵌入式領(lǐng)域中， Bootloader是嚴(yán)重地依賴(lài)于硬件的， 因此想要建立一個(gè)通用的Bootloader 幾乎是不可能的。以dsPIC30F系列數(shù)字信號(hào)控制器為例，深入討論在該系列芯片中編寫(xiě)B(tài)oot loader程序的方法， 這種方法同樣適用于一些其它類(lèi)型的微控制器。

3 Bootloader的操作模式

大多數(shù)Bootloader 都包含兩種不同的操作模式: “啟動(dòng)加載 ”模式和“下載”模式， 這兩種模式的定義如下:

啟動(dòng)加載( Boot Load ing)模式: 這種模式也稱(chēng)為 自主 ( AutONomous)模式。也即Bootloader從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上將用戶(hù)程序加載到RAM 中運(yùn)行， 整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有用戶(hù)的介入。這種模式是Boo tloader的正常工作模式。

下載( Dow nloading) 模式: 在這種模式下， 目標(biāo)機(jī)上的Bootloader將通過(guò)串口等通信手段從PC 機(jī)下載文件， 比如: 下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等。從PC機(jī)下載的文件通常首先被Bootloader保存到目標(biāo)機(jī)的RAM中， 然后再被Bootloader寫(xiě)到目標(biāo)機(jī)上的FLASH類(lèi)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中。Boo tloader的這種模式通常在系統(tǒng)程序更新時(shí)使用。工作于這種模式下的Boot loader通常都會(huì)向它的終端用戶(hù)提供一個(gè)簡(jiǎn)單的接口。

4 dsPIC30F系列芯片簡(jiǎn)介

M icroch ip公司推出的dsPIC30F 系列數(shù)字信號(hào)控制器( DSC)可以靈活地運(yùn)行一個(gè)常駐FLASH 的引導(dǎo)加載程序( Bootloader Prog ram )實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)程序的在線(xiàn)自編程升級(jí)?？梢允褂萌魏慰捎玫臄?shù)據(jù)接口和相關(guān)協(xié)議讀取代碼， 然后將代碼寫(xiě)入(編程)到FLASH 存儲(chǔ)器中， 從而實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備在線(xiàn)自編程升級(jí)程序代碼的目的。dsPIC30F系列數(shù)字信號(hào)控制器的Boo tloader程序需要自行編寫(xiě)， 并且可以通過(guò)SPI、UART等各種數(shù)據(jù)接口來(lái)接收PC 機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。顯然， 采用了串口( RS232 方式) 與PC 機(jī)進(jìn)行通信最為方便。

5 dsPIC30F系列芯片F(xiàn)LASH 存儲(chǔ)器的運(yùn)行時(shí)自編程( RTSP)

dsPIC30F系列數(shù)字信號(hào)控制器內(nèi)部包含了用于執(zhí)行用戶(hù)代碼的FLASH 存儲(chǔ)器。用戶(hù)可以使用兩種方法對(duì)此存儲(chǔ)器編程:a運(yùn)行時(shí)自編程( Run-T ime Self Programm ing， RTSP )； b 在線(xiàn)串行編程( In- C ircu it Serial Programm ing， ICSP)。其中RTSP方式是由用戶(hù)軟件執(zhí)行的， 允許用戶(hù)代碼修改閃存程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容， 是實(shí)現(xiàn)用戶(hù)程序在線(xiàn)自編程升級(jí)的基礎(chǔ)。

dsPIC30F系列芯片對(duì)FLASH 存儲(chǔ)器的運(yùn)行時(shí)自編程是通過(guò)表指令TBLWT、TBLRD 和NVM 寄存器實(shí)現(xiàn)的。FLASH 存儲(chǔ)器是由行和板構(gòu)成的。每行由32 條指令( 96 字節(jié)) 組成。通常， 每個(gè)板由128行組成( 4K # 24條指令)。RTSP可以讓用戶(hù)每次擦除一行( 32條指令)以及一次編程32條指令。

程序存儲(chǔ)器的每個(gè)板包括能夠保存32條編程數(shù)據(jù)指令的寫(xiě)鎖存器。這些鎖存器不是存儲(chǔ)器映射的。

用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)寫(xiě)鎖存器的惟一方法是使用寫(xiě)表指令。在實(shí)際編程操作前， 必須先用寫(xiě)表指令將待寫(xiě)數(shù)據(jù)裝入板寫(xiě)鎖存器。待編程入板的數(shù)據(jù)通常是按以下順序裝入寫(xiě)鎖存器的: 指令0， 指令1， 依此類(lèi)推。所有的32位寫(xiě)鎖存器必須在編程操作期間寫(xiě)入， 以確保覆蓋保存在鎖存器中的舊數(shù)據(jù)。

RTSP編程的基本步驟是先建立一個(gè)表指針， 然后執(zhí)行一系列TBLWT 指令以裝入寫(xiě)鎖存器。編程是通過(guò)將NVMCON 寄存器的特殊位置1 進(jìn)行的。

需要將32條TBLWTL和32 條TBLWTH 指令裝入四條指令。如果需要對(duì)多個(gè)不連續(xù)的程序存儲(chǔ)器區(qū)進(jìn)行編程， 應(yīng)該為每個(gè)區(qū)域和下一個(gè)要寫(xiě)入的一組寫(xiě)鎖存器修改表指針。