PIC18系列單片機(jī)中使用BootLoader

引 言


　　PIC單片機(jī)的BootLoader屬于需要自己寫程序的那種，可以根據(jù)自己的需要寫出各種功能的BootLoader程序來。目前，比較常見的BootLoader程序有Microchip公司的C18版本和著名的PICC編譯器廠商HI-TECH公司（以下簡稱HI-TECH）的PICC18版本。它們的相似之處在于都占用了系統(tǒng)的0x00～0x1FF的程序空間。Microchip的版本是用純彙編寫的，而HI-TECH的版本是用C語言編寫的。
　　在PIC系列單片機(jī)中，只有PIC18系列和PIC16F87X系列的單片機(jī)才有IAP功能，才能夠使用BootLoader功能。下面只介紹PIC18的BootLoader，PIC16F87X的BootLoader與它類似。


1 BootLoader程序的工作原理


　　BootLoader是一段引導(dǎo)程序，在單片機(jī)上電/複位后在用戶程序之前先運行。運行后判斷當(dāng)前是否需要進(jìn)入升級狀態(tài)。如果不需要升級，就直接運行Flash中原有的程序；如果需要升級，首先擦除舊的程序，然后從串口接收用戶程序，同時寫入Flash中。接收數(shù)據(jù)時，需要進(jìn)行校驗，保證接收到的數(shù)據(jù)是正確的，避免將錯誤的程序?qū)懭氲叫酒小?br />　　PIC18單片機(jī)只有一塊Flash，可以在Flash的任何位置擦寫（甚至可以將BootLoader自身擦除）；而51單片機(jī)一般都是兩塊Flash，只能夠從一塊Flash上擦寫另一塊Flash，而不能擦寫自身。
　　BootLoader程序原則上是可以放在整個程序空間中的任何位置的，但是為了簡單方便、具有通用性和盡量減少對用戶程序的影響，使用了從0x00開始的一段程序空間。
　　BootLoader程序可以多種方式獲取數(shù)據(jù)，包括串口、并口、I2C、SPI、USB等；但是從實際使用來看，使用串口無疑是最方便的。
　　為了使得用戶程序可以獲得最大的程序空間，就需要BootLoader程序盡可能的簡短。在這裏，Microchip和HI-TECH都將BootLoader程序設(shè)計為小于200H個字節(jié)（100H個字）。使用0x00～0x1FF這個區(qū)域還有一個重要原因是，這個地址的空間有特殊的寫保護(hù)特性。
　　PIC18單片機(jī)雖然有多個中斷源，但只支持兩級中斷，有兩個中斷向量，分別位于0x08和0x18；而BootLoader程序占用了0x00～0x1FF的空間，這意味著需要重新定位中斷向量，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用戶程序的中斷程序。


2 程序的使用方法


　?。?） HI-TECH的BootLoader程序
　　在HI-TECH的PICC18編譯器的examples文件夾下，有一個Bootldr子文件夾，裏麵就是HI-TECH的BootLoader程序。這是一個完整的程序，可以直接進(jìn)行編譯，編譯后的HEX可以用編程器下載到芯片中。
　?。?） 用戶系統(tǒng)的要求
　　如果需要使用BootLoader，要求用戶系統(tǒng)中有一個RS232串口可以和計算機(jī)進(jìn)行通信。
　　（3） 程序的配置
　　下麵是程序的主要參數(shù)，如果它們設(shè)置得不正確，會影響程序的使用。
　　VERB0：冗馀模式，有更多的提示，但是會占用更多的程序空間，建議不用。
　　BOOT_TIMEOUT：等待超時的時間，0～9s（再長了也沒有意義），默認(rèn)為5s。
　　BAUD：串口通信的波特率，默認(rèn)是9 600。
　　FOSC：用戶系統(tǒng)的時鍾頻率，默認(rèn)是4 MHz。
　　NINE：通信是否使用第9位數(shù)據(jù)位，默認(rèn)不使用。?
　　FILL_BYTE：程序空間擦除時使用的填充數(shù)據(jù)，默認(rèn)值是0xFF。?
　　PROG_START：用戶程序的起始位置，默認(rèn)是0x200。?
　　其他的參數(shù)可以先不用管，在需要時再修改，它們不影響通信和下載。


　?。?） 程序的編譯


　　有兩種方法對BootLoader程序進(jìn)行編譯：


　　① 命令行方式。使用命令行時，典型的用法是：
　　picc18 -8f452 bootldr.c -o -zg -noerrata?
　　上麵的最后一個參數(shù) -noerrata是PIC18Fxx2系列單片機(jī)需要的，若是其他型號，就不用加入；而參數(shù) -18f452是指定單片機(jī)的型號，如果是其他型號，就修改為實際使用的型號。
　?、?使用MPLAB IDE。使用MPLAB IDE時，首先按照正常方式建立一個新的工程文件，選擇工程文件目錄，然后加入HI-TECH的Samples/Bootldr目錄下文件bootldr.c和bootldr.h。建立工程文件時，選擇MCU的型號為實際使用的型號，選擇C編譯器為HI-TECH的PICC18編譯器。


　　（5） 用戶程序的配置
　　使用HI-TECH版本的BootLoader，對用戶程序的修改是非常少和簡單的，只需要修改用戶程序的偏移量就可以了，而不需要修改任何程序代碼或進(jìn)行任何特殊的配置。因為BootLoader程序需要占用0～1FFH的空間，所以用戶程序需要從200H處開始運行，即設(shè)置程序的偏移量為200H。方法是在MPLAB IDE中，從菜單中選擇Project→Build Options...→Project，在PICC-18 Linker頁標(biāo)下的Specify offset for ROM（ROM代碼偏移量）中輸入偏移量200（注意這裏輸入的已經(jīng)是十六進(jìn)制了，不用再轉(zhuǎn)換），如圖1所示。

　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖 1


　?。?） 程序配置字
　　對于每個PIC單片機(jī)的芯片，都需要設(shè)置正確的程序配置字后才能正常運行。雖然在BootLoader中是可以修改配置字的，但是這樣并不安全，也不方便。一般情況下，程序配置字設(shè)定后是不需要修改的，所以配置字在燒寫B(tài)ootLoader程序時就一起寫入單片機(jī)芯片，以后就只使用BootLoader來升級(燒寫)程序，這樣不會破壞芯片的配置字。


　?。?） 調(diào)試用戶程序
　　平時，在編寫和調(diào)試用戶程序時，還是和正常方式一樣，單片機(jī)中不包含BootLoader程序，也不設(shè)置偏移量（或者設(shè)置為0），以方便使用ICD2等仿真器進(jìn)行程序仿真。等程序調(diào)試好后，再修改程序的偏移量為200H，并重新編譯程序，產(chǎn)生最終的用戶HEX代碼。這樣編譯好的程序才可以使用BootLoader進(jìn)行下載。


　?。?） 下載用戶程序　　　　
　　使用HI-TECH的BootLoader程序，在下載用戶程序到單片機(jī)中時，可以不需要特殊的下載程序，只需要使用Windows自帶的超級終端程序就可以了。超級終端的通信參數(shù)需要設(shè)置成和BootLoader程序的一樣，包括波特率、校驗、數(shù)據(jù)位、停止位等。
　　首先連接好串口線，再啟動超級終端程序，然后複位單片機(jī)（單片機(jī)中應(yīng)當(dāng)已經(jīng)寫入了BootLoader程序）。這時，在超級終端的窗口中會顯示出一個倒計時的計數(shù)器，計數(shù)器的初始值就是上麵的BOOT_TIMEOUT參數(shù)。計數(shù)器每秒鍾刷新一次。當(dāng)計數(shù)器為0時，就會運行以前的程序。如果這期間從超級終端輸入任意數(shù)據(jù)（就是隨便按一個鍵，或者說單片機(jī)從串口上接收任意數(shù)據(jù)），計數(shù)器就會停止計數(shù)，進(jìn)入升級狀態(tài)。這時BootLoader程序會首先擦除舊的程序空間，然后屏幕上會顯示出一個冒號“：”，提示等待下載用戶程序。這時就可以從超級終端的菜單中選取傳送→發(fā)送文本文件，選擇編譯好的HEX文件即可。如果下載成功，超級終端的窗口中會顯示出一個小括號“)”，提示下載已經(jīng)完成，同時用戶程序會自動開始運行。使用BootLoader下載時，因為串口的速度相對比較慢（與編程器相比），所以需要等待一會兒。具體時間與用戶程序的大小有關(guān)。如果下載中出現(xiàn)錯誤，單片機(jī)會自動複位，進(jìn)入倒計數(shù)狀態(tài)，重複上麵的過程。使用超級終端比較簡單，不需要特殊的下載軟件；但是缺乏交互性，沒有進(jìn)程指示，如果下載過程中出現(xiàn)錯誤也不能停止下來。


3 BootLoader程序的改進(jìn)
　?。?） HI-TECH的BootLoader程序中存在的缺陷


　　雖然HI-TECH版本的BootLoader程序已經(jīng)很方便了，具備了所有必需的基本要素；但是程序中存在著一些缺陷，甚至是很重大的隱患，不太適合于直接使用在實際工程中。下麵是主要存在的幾個問題
　?、貰ootLoader是以從串口上接收任何數(shù)據(jù)為標(biāo)誌進(jìn)入BootLoader狀態(tài)的。進(jìn)入BootLoader狀態(tài)后，BootLoader程序做的第一件事情就是擦除以前程序的空間。如果在實際使用中，單片機(jī)因為某種意外原因被複位，而且複位后運行BootLoader時在串口上有任何數(shù)據(jù)（如干擾信號或者系統(tǒng)正處于串口通信狀態(tài)），就會造成用戶程序的丟失。
　?、?BootLoader程序中沒有使用看門狗。如果升級失敗或者升級過程中程序死機(jī)，將不能恢複到初始的升級狀態(tài)。這對于直接串口連接的方式問題不大，但是需要使用遠(yuǎn)程升級時是一個致命的問題。
　?、?在寫入用戶程序過程中如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，就會複位，而這時用戶程序已經(jīng)被部分寫入了。如果複位后運行BootLoader程序沒有收到信號時，會啟動用戶程序。這樣殘缺的用戶程序就可能會造成運行故障和不可預(yù)料的結(jié)果。如果看門狗是在用戶程序中打開的，這時就有可能出現(xiàn)看門狗沒有被啟動而死機(jī)的現(xiàn)象，這是遠(yuǎn)程升級中一個嚴(yán)重的問題。?
　　
　　 ④ BootLoader程序中允許寫EEPROM和芯片配置字。雖然這樣增加了靈活性，但是這樣是不安全的。如果配置字不小心設(shè)置錯了，下載后會使整個芯片不能正常運行。這時需要重新用編程器修改配置字才行。
　　只有設(shè)法克服上麵提到的缺陷，才能將BootLoader程序應(yīng)用到實際系統(tǒng)中。


　　（2） 對HI-TECH的BootLoader程序的改進(jìn)
　　針對上麵提到的問題，對HI-TECH的BootLoader作了一些修改，刪除了部分很少用到的功能和不安全的功能，同時修改了進(jìn)入BootLoader狀態(tài)的判斷條件。除了使用增強(qiáng)的串口數(shù)據(jù)識別方式外，還增加了電平檢測的方式，用來判斷是否進(jìn)入BootLoader狀態(tài)。
　　 ① 針對上麵第一項中的問題，修改為識別特定字符串才可以進(jìn)入BootLoader的升級狀態(tài)。特定字符串的內(nèi)容和長度可以由用戶自己定義（長度不能超過12字節(jié)。在一般情況下，12字節(jié)的識別字符串應(yīng)當(dāng)足夠長了）?？梢允褂萌魏螖?shù)據(jù)（包括0）。
　　 ② 增加了特定引腳電平判斷方式，在BootLoader程序運行后，判斷某個特定的引腳上的電壓是否是預(yù)定的電壓，由此決定是否需要進(jìn)入BootLoader升級狀態(tài)。引腳和預(yù)定電壓（高/低）可以自由設(shè)置。這種方式比較安全，但是不太適合于遠(yuǎn)程升級。
　　 ③ 增加了看門狗選項，可以設(shè)置使用/不使用看門狗。一般設(shè)置看門狗的溢出時間在0.5～2s比較合適。
　　 ④ 增加了編程響應(yīng)。在每成功接收到一行HEX數(shù)據(jù)后，發(fā)出一個回應(yīng)字節(jié)，用于編程時的錯誤檢測。PC端的下載程序可以根據(jù)這個字節(jié)來判斷下載過程中是否出錯。
　　 ⑤ 針對上麵3(1)中③的問題，可以這樣解決。將編譯后的HEX文件手工稍作修改，將0x200～0x220（假設(shè)用戶程序是從0x200開始的）地址段的數(shù)據(jù)從文件的開頭移動到文件的結(jié)尾。這樣0x200處的代碼會在最后才寫入單片機(jī)中。如果寫入過程中出現(xiàn)故障，複位后即使BootLoader啟動了用戶程序，也會因為這段區(qū)域沒有代碼而重新複位，而不會去運行部分被寫入的用戶程序。不過這種方法需要對HEX文件的結(jié)構(gòu)有一定的了解才行。一個簡單判斷HEX數(shù)據(jù)地址的方法是,HEX文件的每一行第一個字符是冒號“:”，冒號后的第3、4、5、6這四個數(shù)字就表示這一行數(shù)據(jù)的地址，是以十六進(jìn)制表示的。如：“：100200...”就表示地址是0x200。在正常情況下，編譯后的HEX文件數(shù)據(jù)是地址從低到高的順序排列的。
　　改進(jìn)后的程序增加了一部分參數(shù)，它們是：
　　BOOT_SIGNAL——使用單片機(jī)引腳電平觸發(fā)方式進(jìn)入BootLoader；
　　BOOT_SIGNAL_PORT——定義電平觸發(fā)啟動方式檢測用的引腳；
　　BOOT_SIGNAL_LEVEL——定義檢測電平1=高電平觸發(fā)，0=低電平觸發(fā)；
　　BOOT_TIME_DELAY——使用超時方式進(jìn)入BootLoader，這個參數(shù)和上麵的BOOT_SIGNAL不能同時?使用；
　　USE_EXTEND_HEX——是否接收擴(kuò)展的HEX代碼，不使用可以節(jié)省代碼，建議不用；
　　USEWDT——是否在BootLoader中使用看門狗，建議使用；
　　CONFIRM_TIME——聯(lián)機(jī)同步字節(jié)數(shù)，在超時方式中使用多字節(jié)進(jìn)行同步；
　　CONFIRM_DATA——用戶可定義的聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)；
　　USE_ECHOBACK——編程時是否回應(yīng)，使用可以增加下載時的安全性，建議使用。
　　使用了BOOT_SIGNAL方式后，與超時方式相關(guān)的部分都不再起作用。這時可以定義使用任意引腳來判定是否需要進(jìn)入BootLoader。在使用BOOT_TIME_DELAY(超時方式)時，增加了一些與之相關(guān)的內(nèi)容，如CONFIRM_DATA，可以使用任何特定的字符串來確認(rèn)是否需要進(jìn)入BootLoader狀態(tài)，增加了BootLoader程序的安全性，避免受到干擾而誤進(jìn)入程序升級狀態(tài)。


　?。?） 其他改進(jìn)的建議和方法
　　 ① HI-TECH的BootLoader程序接收的是標(biāo)準(zhǔn)的HEX文件。這在很多時候是不夠安全的，不利于程序的加密，容易被反彙編和破解?？梢詫EX進(jìn)行加密處理，變成不能直接查看的數(shù)據(jù)。
　　 ② 使用超級終端進(jìn)行程序下載速度比較慢,同時，如果下載中出現(xiàn)錯誤，超級終端程序不能及時發(fā)現(xiàn)停止下來，而是一直把文件發(fā)送完才能停下來。這時BootLoader程序會反複進(jìn)入BootLoader狀態(tài)，對單片機(jī)有一定的損傷。最好是自行編寫一個計算機(jī)端的專用下載程序，不但可以提高下載的速度，也可以提高下載的成功率。
　　 ③ 使用RS422/485方式。有些時候，使用的并不是RS232串口，而是RS422/RS485串口。它們實際是類似的，只是在接口方式上有些區(qū)別。RS422/RS485需要控制發(fā)送，所以在BootLoader程序中增加一個發(fā)送控制就可以了。
　　 ④ 在BootLoader中，將波特率設(shè)置得很高并沒有太大的用處，它并不能夠提高下載整體的速度，而只能加快數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取Ｒ驗檎麄€下載分為數(shù)據(jù)通信（數(shù)據(jù)傳輸）和Flash寫入/擦除（數(shù)據(jù)等待）兩個部分。程序代碼Flash空間的擦除和寫入速度是比較慢的（典型值是3～?4 ms），太快了反而容易丟失數(shù)據(jù)，造成下載失敗。使用9600 bps的波特率時，傳輸1字節(jié)的數(shù)據(jù)大約是1 ms，接收一個緩衝區(qū)8字節(jié)大約需要8 ms，大于寫入延時，所以不需要延時；當(dāng)通信速率超過9600 bps時，接收8字節(jié)緩衝區(qū)的時間可能會小于寫入時間，需要在通信中延時。實際使用的測試結(jié)果是：使用9600 bps比使用14 400 bps時慢50%，使用57 600 bps比9600 bps快一倍，而使用115 200 bps時與57 600 bps幾乎沒有任何區(qū)別。如果使用超級終端下載，就更沒有必要設(shè)置高波特率了。因為在使用最常用的三線方式通信時（沒有控制信號），超級終端采用了比較保守的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，本身就比較慢。
　
結(jié)語
　　一個良好的BootLoader程序應(yīng)該具有良好的可維護(hù)性并可以正確處理異常情況，不會因為意外情況引起系統(tǒng)的損壞和崩潰。
　　可以在http://shaoziyang.logchina.com/blog/article_156363.936124.html處下載改進(jìn)后的BootLoader程序（這個程序已經(jīng)在實際工程中使用了較長時間，很穩(wěn)定），以及一個替換超級終端的PIC18專用下載程序(這個程序的下載速度比超級終端快很多，可以自行定義波特率和聯(lián)機(jī)的字符串，具有BootLoader區(qū)代碼保護(hù)功能和下載錯誤檢測功能)。


　?。ň幷咦ⅲ罕疚臑槠诳s寫版，全文請見本刊網(wǎng)站www.dpj.com.cn。）

參考文獻(xiàn)


1 Microchip.PIC18F1220/1320/2320/6620/6621數(shù)據(jù)手冊
2 Microchip應(yīng)用說明AN851：A Flash Bootloader for PIC16 and PIC18 Devices
3 HI-TECH的PICC18（ver8.35pl2）軟件的BootLoader程序代碼和程序說明