W78E516及其在系統(tǒng)編程的實現(xiàn)

　　摘要：近年來，在系統(tǒng)編程（ISP）技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，使得硬件設(shè)計逐步軟件化，硬件結(jié)構(gòu)的通用性日益增強(qiáng)，系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)、維護(hù)、升級等環(huán)節(jié)都發(fā)生著深刻的變革。本文以WINBOND公司的W78E516為例介紹ISP器件的結(jié)構(gòu)及其在系統(tǒng)編程原理。

    關(guān)鍵詞：W78E516在系統(tǒng)編程微控制器

    使用傳統(tǒng)方法對CPU重新編程存在諸多不便，在系統(tǒng)編程技術(shù)（以下簡稱ISP技術(shù)）的出現(xiàn)是對傳統(tǒng)編程方法的突破。ISP(In System Programming)技術(shù)是指，在用戶設(shè)計的目標(biāo)系統(tǒng)中或印刷電路板上，為重新配置邏輯或?qū)崿F(xiàn)新的功能，而對器件進(jìn)行編程或反復(fù)編程的能力。ISP技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展開創(chuàng)了數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)新的一頁。ISP技術(shù)無需編程器和較高的編程電壓，打破了先編程后裝配的慣例，形成產(chǎn)品后還可以在系統(tǒng)內(nèi)反復(fù)編程，使具有MTP-ROM可多次編程或反復(fù)編程的微控制器的優(yōu)越性得以更充分的發(fā)揮。尤其是在互聯(lián)網(wǎng)時代，依據(jù)系統(tǒng)環(huán)境和需要，經(jīng)調(diào)制解調(diào)裝置（MODEM）、串行口或?qū)Ｓ玫木幊探涌诰湍軌蛲ㄟ^軟件控制，實現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級和調(diào)試，提高產(chǎn)品的適應(yīng)性，延長產(chǎn)品生存周期，經(jīng)濟(jì)效益顯著。真正的可編程系統(tǒng)的時代即將到來。

一、W78E516的結(jié)構(gòu)

　　W78E516是一種8位微控制器，內(nèi)部含有在系統(tǒng)可編程的MTP-ROM，用于系統(tǒng)更新。W78E516與標(biāo)準(zhǔn)的8052完全兼容。

　　1. 特征

　　(1) 全靜態(tài)設(shè)計，最高工作頻率為40MHz。

　　(2) 64KB APROM存儲應(yīng)用程序和4KB LDROM存儲控制ISP操作的程序。2塊存儲器均為MTP-ROM。

　　(3) 512字節(jié)的片內(nèi)RAM（包括256字節(jié)AUX-RAM，可由軟件選擇）內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM有512字節(jié)。它分成2個存儲單元：256字節(jié)高速暫存和256字節(jié)輔存。這些地址有不同的確定方式：

　?、?RAM 0H~127H：同8052一樣直接或間接尋址，地址指針是被選中的寄存器單元中的R0和R1。

　　② RAM 128H~255H：同8052一樣只能間接尋址，地址指針是被選中的寄存器單元中的R0和R1。

　?、?AUX-RAM 0H~255H：采用外部數(shù)據(jù)存儲器的方式間接尋址，用MOVX指令，地址指針是選中寄存器單元的R0和R1以及DPTR寄存器。在CHCON寄存器中的第4位置位后，AUX-RAM有效，訪問AUX-RAM使用“MOVX@Ri”指令。當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令時，訪問AUX-RAM不會影響P0，P2，WR和RD。AUX-RAM在復(fù)位后失效。

　　(4) 程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器可尋址空間范圍為64KB。

　　(5) 4個8位雙向口：P0~P3，1個4位雙向多用途編程口P4。

　　(6) 3個16位的定時器/計數(shù)器：T0，T1，T2。T0和T1功能與8051相同。T2是一個16位定時器/計數(shù)器，它由T2CON配置和控制。T2能作為外部時鐘計數(shù)器，也能作為內(nèi)部定時器，這取決于T2CON的C/T2位的配置情況。T2有3種操作方式：清零、自動重寫、波特率發(fā)生器。在清零和自動重寫方式時，時鐘頻率與T0和T1相同。

　?。?） 具有一個全雙工串行口。

　?。?） 具有6個中斷源和2級中斷能力。

　?。?） 內(nèi)部電源管理：空閑方式和掉電方式，這兩種方式可由軟件選擇。

　?。?0） 具有編程后的編碼保護(hù)功能。

　　2. 與ISP操作相關(guān)的特殊功能寄存器

　?。?） 在系統(tǒng)編程控制寄存器CHPCON（BFH）功能如表1所列。

表1

　?。?） 編程狀態(tài)下MTP-ROM的控制字節(jié)寄存器SFRCN（C7H）功能如表2所列。

表2

　　(3) SFRAH，SFRAL：在系統(tǒng)編程狀態(tài)下的目標(biāo)地址。SFRAH包含地址的高位字節(jié)；SFRAL包含地址的低位字節(jié)。

　?。?） SFRFD：編程狀態(tài)下MTP-ROM的編程數(shù)據(jù)。

二、W78E516的在系統(tǒng)編程方法

　　1. ISP操作實現(xiàn)過程

　　微控制器通常執(zhí)行APROM中的程序。如果APROM中的程序需要修改，用戶需要通過設(shè)置CHPCON寄存器來激活在系統(tǒng)編程模式。在默認(rèn)情況下，CHPCON是只讀的，必須依次向寄存器中寫入#87H和#59H，才能使CHPCON的寫特性有效。激活CHPCON的寫特性后，在其0位置位，進(jìn)入在系統(tǒng)編程模式。ISP操作包括進(jìn)入/退出在系統(tǒng)編程模式、編程、擦除、讀等，它們是在CPU處于空閑模式時完成的，因此，設(shè)置CHPCON寄存器后使CPU進(jìn)入空閑模式，并由定時器中斷的發(fā)生來控制執(zhí)行每一種ISP操作的時間。定時器中斷到來時，轉(zhuǎn)入LDROM中執(zhí)行相關(guān)的中斷服務(wù)程序。第一次執(zhí)行RETI指令后， PC指針清零，指向LDROM中的00H。當(dāng)APROM中的內(nèi)容被完全更新后，將CHPCON的第0，1，7位設(shè)置為邏輯1，通過軟件復(fù)位的方式返回APROM執(zhí)行其中的新程序。在應(yīng)用程序需要頻繁更新的情況下，這種在系統(tǒng)編程方式使工作簡單而高效。

　　在默認(rèn)情況下，上電復(fù)位后W78E516從程序中啟動。在某些情況下，可以使W78E516從LDROM中啟動。當(dāng)APROM中的程序不能正常運(yùn)行，W78E516無法跳到LDROM中執(zhí)行ISP操作時，CPU進(jìn)入F04KBOOT模式。在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中一定要注意P2，P3，ALE，EA和PSEN引腳在復(fù)位時的值，以避免意外激活編程模式或F04KBOOT模式。復(fù)位時進(jìn)入F04KBOOT MODE時P43，P2.7，P2.6引腳電平及時序如圖1及圖2所示。

　　W78E516處于在系統(tǒng)編程模式時，MTP-ROM可以被反復(fù)編程和檢驗。向MTP-ROM中完整、正確地寫入新代碼后，新代碼即被保護(hù)起來。W78E516有專用設(shè)置寄存器組（special setting re-gisters），其中包括安全性寄存器（security register）和公司/器件識別寄存器（company/device ID registers），處于編程模式時不能訪問這些寄存器。安全性寄存器在LDROM空間的地址是0FFFFH，當(dāng)它的各個位被從1編程為0后就不能再被改變，將它們重新置位的惟一方式是執(zhí)行全部擦除操作，這樣就能保證其安全性。

　　一般情況下，具有ISP功能的微控制器一般都具備2塊程序存儲區(qū)（暫時稱為A-ROM和B-ROM），其中A-ROM用于存儲通常狀況下的應(yīng)用程序，B-ROM用于存儲控制ISP操作的程序，向A-ROM中寫入新代碼。有些微控制器，A-ROM和B-ROM中的程序代碼均能控制ISP操作，由特殊功能寄存器來選擇其一，為設(shè)計人員提供了靈活的設(shè)計應(yīng)用空間。針對不同類型的ISP器件，對CPU進(jìn)行在系統(tǒng)編程的方法具有共同之處。

　　執(zhí)行ISP操作時，2塊程序存儲器中的程序流程圖分別如圖3、圖4所示。

　　2.W78E516的 ISP功能特點(diǎn)

　　在MTP產(chǎn)品中，W78E516頗具特色。它在ISP功能方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)：

　?。?） 開發(fā)靈活性?？捎稍O(shè)計者自定任何編程通信協(xié)議，經(jīng)計算機(jī)或簡單工具，將要修改的程序通過任何I/O口或UART口送入單片機(jī)內(nèi)，不能像其他具有ISP功能的芯片那樣，而必須針對其特定引腳及特殊的TIMMING協(xié)議來實現(xiàn)。

　　（2） 操作連續(xù)性。市場上目前具有ISP功能的單片機(jī)在執(zhí)行ISP操作時（在未帶配件的情況下）必須停止其他操作；而有些應(yīng)用希望此時UART或TIMER/COUNTER等功能仍然能夠運(yùn)作。W78E516可以滿足這種要求。因為在執(zhí)行ISP操作時只是控制權(quán)從64KB APROM變換到4KB LDROM，故仍可由4KB中的程序來繼續(xù)操作控制。

　?。?） 斷電時具有存儲數(shù)據(jù)能力。因W78E516擁有2塊大小不同的閃速存儲器，其中1塊可用于存儲斷電后仍必須被單片機(jī)保留的數(shù)據(jù)，因此，設(shè)計者可減少外接EE2PROM芯片的線路與成本。 除具有上述特點(diǎn)外， W78E516在執(zhí)行ISP操作時不需輔以任何配件，受到用戶的歡迎。

三、應(yīng)用實例

　　此實例是在機(jī)車故障檢測記錄儀系統(tǒng)內(nèi)對W78E516進(jìn)行ISP操作的實驗。這是一個由PC機(jī)和微控制器組成的主從式系統(tǒng)。 PC機(jī)經(jīng)串行通信將新程序的二進(jìn)制代碼以數(shù)據(jù)形式下載，微控制器接收數(shù)據(jù)，由軟件控制更新64KB APROM中的程序代碼。實驗中微控制器經(jīng)RS-232接口接收數(shù)據(jù)并暫存于內(nèi)部AUX-RAM中，不需擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器，節(jié)省了板上空間。檢測記錄儀與PC機(jī)的通信采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)，為簡化硬件，只使用了該標(biāo)準(zhǔn)中的TXD、RXD以及地線3根連線，電平轉(zhuǎn)換由MAXIM232專用芯片完成。實驗電路原理圖如圖5所示。

　　實現(xiàn)ISP操作的軟件由兩部分組成：一是微控制器部分（包括APROM和LDROM中的程序），用MCS-51匯編語言編寫；二是PC機(jī)部分，由Microsoft Visual Basic開發(fā)而來，主要應(yīng)用MSCOMM控件與W78E516通信，完成數(shù)據(jù)下載。

　　微控制器上電后一般從64KB APROM中啟動。64KB APROM中，包括了在系統(tǒng)編程子程序，還有其他檢測記錄系統(tǒng)的子程序。微控制器必須讀取撥碼盤的輸入，決定進(jìn)入哪一種工作狀態(tài)，是否進(jìn)行在系統(tǒng)編程。值得注意的是,在寫CHPCON寄存器時，應(yīng)將其第4位置1，使AUX-RAM有效；64KB APROM中的程序應(yīng)該始終包含圖3流程所示的程序段,以使系統(tǒng)具有進(jìn)入下一次在系統(tǒng)編程的能力。4KB LDROM中的程序主要作用是接收來自PC機(jī)的下載數(shù)據(jù)，并控制各項ISP操作。執(zhí)行在系統(tǒng)編程時，利用SFRAL、SFRAH、SFRFD、SFRCN這幾個特殊功能寄存器，選擇在系統(tǒng)編程的地址單元，準(zhǔn)備待寫入的數(shù)據(jù)，選擇待執(zhí)行的操作類型。當(dāng)從F04BOOT模式啟動時，軟件復(fù)位失效，必須硬件復(fù)位。在系統(tǒng)編程的數(shù)據(jù)由在此期間仍能正常工作的串行通信口進(jìn)入。這部分流程如圖6所示。

　　PC機(jī)通過 RS-232串口發(fā)送數(shù)據(jù)。每一幀的前3個字節(jié)都為7EH，作為幀同步信號。隨后2個字節(jié)內(nèi)容均為幀指針，表明本幀數(shù)據(jù)的幀號。PC機(jī)在發(fā)送1幀數(shù)據(jù)后，等待單片機(jī)發(fā)回確認(rèn)數(shù)據(jù)幀，該幀數(shù)據(jù)應(yīng)包括數(shù)據(jù)接收正確與否的標(biāo)志及接收到的數(shù)據(jù)的幀號。數(shù)據(jù)幀格式及PC機(jī)通信軟件流程分別如圖7、圖8所示。

結(jié)束語

　　根據(jù)本文介紹的方法，在機(jī)車故障檢測記錄儀系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)了對W78E516的在系統(tǒng)編程。

　　ISP技術(shù)高度的靈活性使同一種硬件結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)多種系統(tǒng)功能，成為多功能硬件,減少了系統(tǒng)所需電路板的品種，簡化了生產(chǎn)流程；多功能硬件還能夠減少板上元件數(shù)目和系統(tǒng)電路板數(shù)目，使系統(tǒng)成本顯著降低。在機(jī)車系統(tǒng)中要對各部分進(jìn)行多種不同的測試，比如軸溫、軸速以及車門的開關(guān)狀態(tài)等等，以便了解機(jī)車的運(yùn)行狀況。在現(xiàn)階段，處理這些模擬量或數(shù)字量需要設(shè)計生產(chǎn)多種不同的模塊。應(yīng)用ISP技術(shù)以后這一現(xiàn)狀會得以改變：設(shè)計人員設(shè)計出包括微控制器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片、I/O口等在內(nèi)的通用模塊，將其安裝到需要進(jìn)行檢測的各個部分，然后利用ISP技術(shù)把不同的應(yīng)用程序下載到微控制器中，就可以完成各種不同的測試功能，其綜合經(jīng)濟(jì)效益不可低估。此外，

    ISP技術(shù)也為其他許多領(lǐng)域帶來了變革?？傊谙到y(tǒng)編程技術(shù)具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。