ATMega48的Bootloader的软件实用方法

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ATMega48的Bootloader的软件实用方法

AVR是Atmel公司推出的第一款真正意义上的RISC结构8位单片机，具有先进的指令集及单时钟周期指令执行时间，数据吞吐率可高达1MIPS，其性能明显优于其他类型8位单片机。
   
    作为AVR主流产品，Mega系列的很多产品(Mega8／Megal6／Mega32／Mega8535等)在硬件上都支持Boot-loader功能。这样MCU可灵活运行BOOT区程序，实现在应用编程(IAP)及一些高级应用，如系统智能升级，密码校验自保护，远程系统更新等。但有很高性价比的Mega48在硬件上却不支持Bootloader功能。因此，本文针对Mega48首次提出两种软件实现Bootloader的方法：跳转保存法和倒置法。
1 ATMega48 Bootloader的软件实现方法
    Mega48在硬件上不支持Bootloader功能，不能像其他产品那样通过编程来设置相应的熔丝位以实现Bootloader，只能通过软件来实现。在Mega48上实现Bootloader的关键在于通过软件实现程序存储器空间划分。复位后，BOOT区获得MCU控制权，自编程结束后MCU控制权返还给APP区.以下将详细介绍本文提出的两种新方法。

1.1 跳转保存法
    本方法的核心在于跳转和保存，因此命名为跳转保存法。跳转指上电后MCU跳转至BOOT区，MCU控制权被BOOT区获得。保存指对APP区程序复位地址的保存，只有保存了该地址才能保证MCU控制权正常返还给APP区。

    跳转保存法采用一般分区方式，即APP区位于程序存储器空间的低地址处，BOOT区在高地址处。因本文使用的上位机软件为AVROSP，BOOT区需占用1 KB。此外，由于ATMega48不支持通过熔丝位修改程序的复位向量，故需多划分给BOOT区4个页面大小的空间。

    为提高程序的可移植性，可使用预定义语句来划分BOOT区大小，具体实现如下：
    #define PAGESIZE 64
    ／／每个页面由64个字节组成
    #define APP_PAGES ((4*1024／PAGESIZE) - ((1*1024+256)／PAGESIZE))
    ／／APP区的页面数
    #define APP_END APP_PAGES*PAGESIZE
    ／／APP区共占用的字节数
    在编译过程中，由于ICCAVR编译器只支持标准的BOO了区大小设置，即256／512／1024／2048 KB。故使用下面方法定义BOOT区大小；
    #pragma text：mytext   
    voidboot()．．．
    #pragma text；text
    编译过程中，在ProjectOptions→Target的Other Options中，添加“-bmytext；0x????”，其中0x????为BOOT区开始的地址。这样就可以根据实际需要设定BOO了区大小。这对于整个程序空间只有4 KB的ATMcga48来说，是非常适合的。程序具体流程如图1所示。

    如图1所示，BOOT区程序块的第一步就是读取EEPROM中的APP区原复位地址，以便单片机在执行BOOT区程序条件不成立时，跳转到APP区执行程序。
    EEPROM_READ(0xfe，AppReset)；

    当执行BOOT区程序条件成立时，单片机将执行BOOT区程序来更新APP区中的内容。这里特别要注意对即将更新到APP区内程序复位地址的处理：保存该程序中复位地址到RAM中，并修改该地址为BOOT区人口地址。这个工作必须在页面填充前完成，否则在更新后，单片机复位运行不会首先跳转到BOOT区。
    if(address==o){
    AppReset=data；
    data=BootReset； ／／BOOT区的入口
    BootReset=0x1300
    }

    BOOT区程序块最后一步是对APP区程序复位地址的保存。只有通过上电复位才能移交MCU控制权给APP区，这将导致RAM被清零。为了保存RAM中的原APP区程序复位地址，需上电复位前，将这个地址保存到EEPROM中。
    EEPROM_WRITE(Oxfe，APPReset)；

    值得一提的是，在第一次运行时，程序并不能直接跳转到BOOT区首地址，所以第一次运行时，APP区内容应为空。这样，当单片机上电运行时，程序指针(PC)会自增向下运行到第一句可执行代码，即BOOT区中的首行代码。同样，第一次运行时也不可能读取出正确的返回APP区的入口地址(取出值为0xFF)，所以第一次运行时必须保证执行BOOT区程序条件成立，否则将无法正确跳回到APP区。只有执行了BOOT区程序，才能写入正确的APP返回地址到EEPROM中，从而为以后的运行做好准备。

    跳转保存法遵循了Bootloader的常规实现流程，但它的MCU控制权交接处理比较复杂，下文将提到的倒置法就很好地解决了这个问题。

1.2 倒置法
    一般来说，程序存储区的上部为NPP区，下部为BOOT区，这也是常规方法所采取的分区方法。这种分区方法由支持Bootloader功能的芯片程序存储区中RWW和NRWW的划分方式所决定的。针对Mega48，它的程序存储区没有RWW区和NRWW区之分，SPM指令可以在整个Flash区中执行，所以大可不必拘泥于一般规律，完全可以把APP区和BOOT区倒置，即把程序存储区的上部划分为BOOT区，下部划分为APP区。本文中将这种分区方法称为倒置分区方法。

    倒置法背弃了常规分区形式，创新地采用倒置分区法对程序存储区进行分区。这样，在每次上电后，BOOT区自动获得MCU控制权，而不需修改和保存用户程序复位向量，这比跳转保存法简便。BOOT区大小划分仍使用预定义语句，具体实现如下：
    #define PAGESIZE 64
    #define APP_PAGES((4096／PAGESIZE)-(1024／PAGESIZE))
    #define APP_END APP_PAGES*PAGESIZE

    在对APP区程序编译时，编译器的配置方法类似于常规方法中对BOOT区程序编译时的配置．倒置法流程如图2所示。

    如图2所示，当执行BOOT区程序条件不成立时，程序跳转至APP区入口处，该地址是固定的(4096~1024)。
    具体实现如下：
    Asm(“jmp 0x0C00＼n”)；
    ／／跳转到APP区开始执行

    需要注意的是，中断向量空间在程序存储器的低地址上，这正好位于BOOT区中，故为了增加APP区和B00T区两部分程序的独立性，可在APP区中人为构建除复位向量以外的其他中断向量空间。在自编程过程中，实施页写入时，不是按常规方法的顺序从第一个页开始更新，因为需更新的是APP区所在的页面，而不是BOOT区所在的，所以要从APP区所在的页面处开始更新。

    倒置法打破了常规的分区模式，大大简化了对MCU控制权的处理，但其页面更新处理较为繁琐。跳转保存法则因沿袭了常规处理方式，所以页面更新无需做特别处理，并能很好地兼容硬件实现Bootloader的程序。用户可以根据实际需要来选择方法。
2 硬件测试原理图及结果
    调试硬件原理图如图3所示。图3中的ISP接口是用来完成第一次非Bootloadcr的编程方式，从而建立Bootloader的应用环境。这以后的每次编程均可以通过串口直接完成，不需要任何其他设备。

    在本文中使用的编译环境为ICCAVR DEMO版，通过使用AVR单片机的井口下载线完成BOOT区程序的首次写入。 自编程过程中使用的上位机软件为AVROSP。经测试两种方法均能可靠运行。

结 语
    综上所述，本文研究并实现了Mega48的Bootloader功能，提出了两种软件实现方法，并分别在硬件上成功实现，为基于Mcga48编写高效，专用的Bootloader程序奠定了基础。

李小路

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