在PIC18单片机中使用BootLoader

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:介绍在PIC18系列单片机中使用BootLoader的原理、方法及优点;介绍HI-TECH公司使用C语言实现BootLoader的程序,给出详细的使用方法和参数配置方法;针对程序中存在的问题进行探讨和修改,使修改后的程序实用、可靠。另外,探讨对程序数据进行加密、加快下载速度、在RS485/RS422中使用BootLoader的方法和思路。根据此方法,读者可以编写出适合自己使用的BootLoader程序。 关键词:BootLoader PIC18 IAP 在线升级 引 言   PIC单片机的BootLoader属于需要自己写程序的那种,可以根据自己的需要写出各种功能的BootLoader程序来。目前,比较常见的BootLoader程序有Microchip公司的C18版本和著名的PICC编译器厂商HI-TECH公司(以下简称HI-TECH)的PICC18版本。它们的相似之处在于都占用了系统的0x00~0x1FF的程序空间。Microchip的版本是用纯汇编写的,而HI-TECH的版本是用C语言编写的。   在PIC系列单片机中,只有PIC18系列和PIC16F87X系列的单片机才有IAP功能,才能够使用BootLoader功能。下面只介绍PIC18的BootLoader,PIC16F87X的BootLoader与它类似。 1 BootLoader程序的工作原理   BootLoader是一段引导程序,在单片机上电/复位后在用户程序之前先运行。运行后判断当前是否需要进入升级状态。如果不需要升级,就直接运行Flash中原有的程序;如果需要升级,首先擦除旧的程序,然后从串口接收用户程序,同时写入Flash中。接收数据时,需要进行校验,保证接收到的数据是正确的,避免将错误的程序写入到芯片中。   PIC18单片机只有一块Flash,可以在Flash的任何位置擦写(甚至可以将BootLoader自身擦除);而51单片机一般都是两块Flash,只能够从一块Flash上擦写另一块Flash,而不能擦写自身。   BootLoader程序原则上是可以放在整个程序空间中的任何位置的,但是为了简单方便、具有通用性和尽量减少对用户程序的影响,使用了从0x00开始的一段程序空间。   BootLoader程序可以多种方式获取数据,包括串口、并口、I2C、SPI、USB等;但是从实际使用来看,使用串口无疑是最方便的。   为了使得用户程序可以获得最大的程序空间,就需要BootLoader程序尽可能的简短。在这里,Microchip和HI-TECH都将BootLoader程序设计为小于200H个字节(100H个字)。使用0x00~0x1FF这个区域还有一个重要原因是,这个地址的空间有特殊的写保护特性。   PIC18单片机虽然有多个中断源,但只支持两级中断,有两个中断向量,分别位于0x08和0x18;而BootLoader程序占用了0x00~0x1FF的空间,这意味着需要重新定位中断向量,使新的中断向量指向用户的中断程序,这样才能保证正常运行用户程序的中断程序。 2 程序的使用方法   (1) HI-TECH的BootLoader程序   在HI-TECH的PICC18编译器的examples文件夹下,有一个Bootldr子文件夹,里面就是HI-TECH的BootLoader程序。这是一个完整的程序,可以直接进行编译,编译后的HEX可以用编程器下载到芯片中。   (2) 用户系统的要求   如果需要使用BootLoader,要求用户系统中有一个RS232串口可以和计算机进行通信。   (3) 程序的配置   下面是程序的主要参数,如果它们设置得不正确,会影响程序的使用。   VERB0:冗余模式,有更多的提示,但是会占用更多的程序空间,建议不用。   BOOT_TIMEOUT:等待超时的时间,0~9s(再长了也没有意义),默认为5s。   BAUD:串口通信的波特率,默认是9 600。   FOSC:用户系统的时钟频率,默认是4 MHz。   NINE:通信是否使用第9位数据位,默认不使用。   FILL_BYTE:程序空间擦除时使用的填充数据,默认值是0xFF。   PROG_START:用户程序的起始位置,默认是0x200。   其他的参数可以先不用管,在需要时再修改,它们不影响通信和下载。   (4) 程序的编译   有两种方法对BootLoader程序进行编译:   ① 命令行方式。使用命令行时,典型的用法是:   picc18 -8f452 bootldr.c -o -zg -noerrata   上面的最后一个参数 -noerrata是PIC18Fxx2系列单片机需要的,若是其他型号,就不用加入;而参数 -18f452是指定单片机的型号,如果是其他型号,就修改为实际使用的型号。   ② 使用MPLAB IDE。使用MPLAB IDE时,首先按照正常方式建立一个新的工程文件,选择工程文件目录,然后加入HI-TECH的SamplesBootldr目录下文件bootldr.c和bootldr.h。建立工程文件时,选择MCU的型号为实际使用的型号,选择C编译器为HI-TECH的PICC18编译器。   (5) 用户程序的配置   使用HI-TECH版本的BootLoader,对用户程序的修改是非常少和简单的,只需要修改用户程序的偏移量就可以了,而不需要修改任何程序代码或进行任何特殊的配置。因为BootLoader程序需要占用0~1FFH的空间,所以用户程序需要从200H处开始运行,即设置程序的偏移量为200H。方法是在MPLAB IDE中,从菜单中选择Project→Build Options...→Project,在PICC-18 Linker页标下的Specify offset for ROM(ROM代码偏移量)中输入偏移量200(注意这里输入的已经是十六进制了,不用再转换),如图1所示。                           图 1   (6) 程序配置字   对于每个PIC单片机的芯片,都需要设置正确的程序配置字后才能正常运行。虽然在BootLoader中是可以修改配置字的,但是这样并不安全,也不方便。一般情况下,程序配置字设定后是不需要修改的,所以配置字在烧写BootLoader程序时就一起写入单片机芯片,以后就只使用BootLoader来升级(烧写)程序,这样不会破坏芯片的配置字。   (7) 调试用户程序   平时,在编写和调试用户程序时,还是和正常方式一样,单片机中不包含BootLoader程序,也不设置偏移量(或者设置为0),以方便使用ICD2等仿真器进行程序仿真。等程序调试好后,再修改程序的偏移量为200H,并重新编译程序,产生最终的用户HEX代码。这样编译好的程序才可以使用BootLoader进行下载。   (8) 下载用户程序        使用HI-TECH的BootLoader程序,在下载用户程序到单片机中时,可以不需要特殊的下载程序,只需要使用Windows自带的超级终端程序就可以了。超级终端的通信参数需要设置成和BootLoader程序的一样,包括波特率、校验、数据位、停止位等。   首先连接好串口线,再启动超级终端程序,然后复位单片机(单片机中应当已经写入了BootLoader程序)。这时,在超级终端的窗口中会显示出一个倒计时的计数器,计数器的初始值就是上面的BOOT_TIMEOUT参数。计数器每秒钟刷新一次。当计数器为0时,就会运行以前的程序。如果这期间从超级终端输入任意数据(就是随便按一个键,或者说单片机从串口上接收任意数据),计数器就会停止计数,进入升级状态。这时BootLoader程序会首先擦除旧的程序空间,然后屏幕上会显示出一个冒号“:”,提示等待下载用户程序。这时就可以从超级终端的菜单中选取传送→发送文本文件,选择编译好的HEX文件即可。如果下载成功,超级终端的窗口中会显示出一个小括号“)”,提示下载已经完成,同时用户程序会自动开始运行。使用BootLoader下载时,因为串口的速度相对比较慢(与编程器相比),所以需要等待一会儿。具体时间与用户程序的大小有关。如果下载中出现错误,单片机会自动复位,进入倒计数状态,重复上面的过程。使用超级终端比较简单,不需要特殊的下载软件;但是缺乏交互性,没有进程指示,如果下载过程中出现错误也不能停止下来。 3 BootLoader程序的改进   (1) HI-TECH的BootLoader程序中存在的缺陷   虽然HI-TECH版本的BootLoader程序已经很方便了,具备了所有必需的基本要素;但是程序中存在着一些缺陷,甚至是很重大的隐患,不太适合于直接使用在实际工程中。下面是主要存在的几个问题   ①BootLoader是以从串口上接收任何数据为标志进入BootLoader状态的。进入BootLoader状态后,BootLoader程序做的第一件事情就是擦除以前程序的空间。如果在实际使用中,单片机因为某种意外原因被复位,而且复位后运行BootLoader时在串口上有任何数据(如干扰信号或者系统正处于串口通信状态),就会造成用户程序的丢失。   ② BootLoader程序中没有使用看门狗。如果升级失败或者升级过程中程序死机,将不能恢复到初始的升级状态。这对于直接串口连接的方式问题不大,但是需要使用远程升级时是一个致命的问题。   ③ 在写入用户程序过程中如果出现数据错误,就会复位,而这时用户程序已经被部分写入了。如果复位后运行BootLoader程序没有收到信号时,会启动用户程序。这样残缺的用户程序就可能会造成运行故障和不可预料的结果。如果看门狗是在用户程序中打开的,这时就有可能出现看门狗没有被启动而死机的现象,这是远程升级中一个严重的问题。       ④ BootLoader程序中允许写EEPROM和芯片配置字。虽然这样增加了灵活性,但是这样是不安全的。如果配置字不小心设置错了,下载后会使整个芯片不能正常运行。这时需要重新用编程器修改配置字才行。   只有设法克服上面提到的缺陷,才能将BootLoader程序应用到实际系统中。   (2) 对HI-TECH的BootLoader程序的改进   针对上面提到的问题,对HI-TECH的BootLoader作了一些修改,删除了部分很少用到的功能和不安全的功能,同时修改了进入BootLoader状态的判断条件。除了使用增强的串口数据识别方式外,还增加了电平检测的方式,用来判断是否进入BootLoader状态。    ① 针对上面第一项中的问题,修改为识别特定字符串才可以进入BootLoader的升级状态。特定字符串的内容和长度可以由用户自己定义(长度不能超过12字节。在一般情况下,12字节的识别字符串应当足够长了)。可以使用任何数据(包括0)。    ② 增加了特定引脚电平判断方式,在BootLoader程序运行后,判断某个特定的引脚上的电压是否是预定的电压,由此决定是否需要进入BootLoader升级状态。引脚和预定电压(高/低)可以自由设置。这种方式比较安全,但是不太适合于远程升级。    ③ 增加了看门狗选项,可以设置使用/不使用看门狗。一般设置看门狗的溢出时间在0.5~2s比较合适。    ④ 增加了编程响应。在每成功接收到一行HEX数据后,发出一个回应字节,用于编程时的错误检测。PC端的下载程序可以根据这个字节来判断下载过程中是否出错。    ⑤ 针对上面3(1)中③的问题,可以这样解决。将编译后的HEX文件手工稍作修改,将0x200~0x220(假设用户程序是从0x200开始的)地址段的数据从文件的开头移动到文件的结尾。这样0x200处的代码会在最后才写入单片机中。如果写入过程中出现故障,复位后即使BootLoader启动了用户程序,也会因为这段区域没有代码而重新复位,而不会去运行部分被写入的用户程序。不过这种方法需要对HEX文件的结构有一定的了解才行。一个简单判断HEX数据地址的方法是,HEX文件的每一行第一个字符是冒号“:”,冒号后的第3、4、5、6这四个数字就表示这一行数据的地址,是以十六进制表示的。如:“:100200...”就表示地址是0x200。在正常情况下,编译后的HEX文件数据是地址从低到高的顺序排列的。   改进后的程序增加了一部分参数,它们是:   BOOT_SIGNAL——使用单片机引脚电平触发方式进入BootLoader;   BOOT_SIGNAL_PORT——定义电平触发启动方式检测用的引脚;   BOOT_SIGNAL_LEVEL——定义检测电平1=高电平触发,0=低电平触发;   BOOT_TIME_DELAY——使用超时方式进入BootLoader,这个参数和上面的BOOT_SIGNAL不能同时使用;   USE_EXTEND_HEX——是否接收扩展的HEX代码,不使用可以节省代码,建议不用;   USEWDT——是否在BootLoader中使用看门狗,建议使用;   CONFIRM_TIME——联机同步字节数,在超时方式中使用多字节进行同步;   CONFIRM_DATA——用户可定义的联机数据;   USE_ECHOBACK——编程时是否回应,使用可以增加下载时的安全性,建议使用。   使用了BOOT_SIGNAL方式后,与超时方式相关的部分都不再起作用。这时可以定义使用任意引脚来判定是否需要进入BootLoader。在使用BOOT_TIME_DELAY(超时方式)时,增加了一些与之相关的内容,如CONFIRM_DATA,可以使用任何特定的字符串来确认是否需要进入BootLoader状态,增加了BootLoader程序的安全性,避免受到干扰而误进入程序升级状态。   (3) 其他改进的建议和方法    ① HI-TECH的BootLoader程序接收的是标准的HEX文件。这在很多时候是不够安全的,不利于程序的加密,容易被反汇编和破解。可以对HEX进行加密处理,变成不能直接查看的数据。    ② 使用超级终端进行程序下载速度比较慢,同时,如果下载中出现错误,超级终端程序不能及时发现停止下来,而是一直把文件发送完才能停下来。这时BootLoader程序会反复进入BootLoader状态,对单片机有一定的损伤。最好是自行编写一个计算机端的专用下载程序,不但可以提高下载的速度,也可以提高下载的成功率。    ③ 使用RS422/485方式。有些时候,使用的并不是RS232串口,而是RS422/RS485串口。它们实际是类似的,只是在接口方式上有些区别。RS422/RS485需要控制发送,所以在BootLoader程序中增加一个发送控制就可以了。    ④ 在BootLoader中,将波特率设置得很高并没有太大的用处,它并不能够提高下载整体的速度,而只能加快数据传输的速度。因为整个下载分为数据通信(数据传输)和Flash写入/擦除(数据等待)两个部分。程序代码Flash空间的擦除和写入速度是比较慢的(典型值是3~4 ms),太快了反而容易丢失数据,造成下载失败。使用9600 bps的波特率时,传输1字节的数据大约是1 ms,接收一个缓冲区8字节大约需要8 ms,大于写入延时,所以不需要延时;当通信速率超过9600 bps时,接收8字节缓冲区的时间可能会小于写入时间,需要在通信中延时。实际使用的测试结果是:使用9600 bps比使用14 400 bps时慢50%,使用57 600 bps比9600 bps快一倍,而使用115 200 bps时与57 600 bps几乎没有任何区别。如果使用超级终端下载,就更没有必要设置高波特率了。因为在使用最常用的三线方式通信时(没有控制信号),超级终端采用了比较保守的方式发送数据,本身就比较慢。   结语   一个良好的BootLoader程序应该具有良好的可维护性并可以正确处理异常情况,不会因为意外情况引起系统的损坏和崩溃。   可以在http://shaoziyang.logchina.com/blog/article_156363.936124.html处下载改进后的BootLoader程序(这个程序已经在实际工程中使用了较长时间,很稳定),以及一个替换超级终端的PIC18专用下载程序(这个程序的下载速度比超级终端快很多,可以自行定义波特率和联机的字符串,具有BootLoader区代码保护功能和下载错误检测功能)。   (编者注:本文为期刊缩写版,全文请见本刊网站www.dpj.com.cn。)                  参考文献 1 Microchip.PIC18F1220/1320/2320/6620/6621数据手册 2 Microchip应用说明AN851:A Flash Bootloader for PIC16 and PIC18 Devices 3 HI-TECH的PICC18(ver8.35pl2)软件的BootLoader程序代码和程序说明
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/mcu/200703/10640.html
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