C8051F单片机Flash程序得自动升级

liyf · 发表于 2011-8-16 05:50:40

用纯C语言实现C8051F单片机的在线程序更新
1  概述
C8051F单片机是由Silicon Laboratories 公司出品的混合信号系统级芯片（SOC），具有与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51内核；峰值速率可达100MIPS；在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件；具有大容量的可在系统（ISP）和在应用（IAP）编程的FLASH存储器。
Keil C51作为当今最通用的C51编程IDE。。。。。
C8051F每个MCU 都有一个片内符合IEEE 1149.1 规范的JTAG 接口和逻辑，提供生产和在系统测试所需要的边界扫描功能，支持闪存的读和写操作以及非侵入式在系统调试。对于MCU的程序更新，最方便的办法是使用JTAG进行程序下载，但是这需要使用专用的编程器，这在产品售出后进行更新几乎是不可能的。
2       整体思路
在线更新程序采用串口进行程序更新，分为主程序部分和bootloader部分，整体思路为：
1)       在MCU复位时由主程序部分向上层PC发送握手信号，并等待回复；
2)       如果上层PC收到握手信号则发送握手确认信号；
3)       如果MCU在一段时间内（一般为200ms）没有收到握手确认信号则进入主程序。
4)       如果MCU收到握手确认信号，则发送确认信号用以告诉PC可以进行程序更新。同时MCU进入BootLoader程序准备接收更新数据
5)       PC发送准备更新信号；
6)       MCU清除FLASH，发送确认信号，准备接收数据。
7)       PC发送一帧数据，然后等待确认；
8)       MCU将收到的数据写入FLASH，然后发送确认帧；
9)       PC在收到确认帧后回到第七步直到数据全部发送完毕；
10)    MCU收完全部数据并写入FLASH并发送确认帧后，将写入FLASH的全部数据分帧一次性发送给PC；
11)    PC对收到的数据进行校验；
12)    如果校验失败则回到第五步重新进行程序更新；
13)    如果校验正确则更新完成；
3       程序定位与绝对地址调用
在BootLoader程序中需要删除主程序部分的Flash，而BootLoader程序则必须在整个程序运行过程中都存在，因此必须将两部分程序进行分别定位。由于主程序中需要用到中断，而中断向量表必须放在程序空间的低地址，所以一般将主程序放在由0地址起始的位置（预设情况也是如此），将BootLoader程序放在高地址。本人程序中，主程序大概为20K Byte，在给其一定余量后决定将BootLoader程序放在40K起始的位置，即0xA000开始的地方。
程序的分块有两种方法：
1.       使用连接程序（link）命令将BootLoader程序中的所有函数进行绝对定位。但是这种办法存在很大弊端，Keil C51在对程序进行优化过程中会对程序中的公用模块进行调用，比如BootLoader程序中只是简单的一个对数组变量的赋值，就有可能调用主程序中相类似的模块，如果这时候主程序已经被删除，则会使程序跑飞。如果采用降低优化等级的办法禁止公用模块，则会使程序体积大大提高，因此此方法不可取。
2.       建立两个项目，分别是主程序和BootLoader程序，分别进行编译。对BootLoader程序中的函数进行绝对定位使其定位于0xA000之后。这样可以彻底解决上面的问题。这样在生成Hex文件后需要将两个Hex文件进行合并（具体方法见下文），虽然会增加一些麻烦但却可以解决很多问题，何乐而不为呢？
Link命令中的函数绝对定位方法较为简单，如图1所示：
图1： Link命令的程序绝对定位在采用LX51进行链接的情况下，打开项目设定对话框，在LX51页的User Segments框中对你所需要绝对定位的程序进行设定。Keil C51中对于不同的程序类型有着不同名称前缀，比如对于用户函数采用“?PR?”前缀，而对于库函数采用“?C?”前缀，对于用户使用code定义的常量则使用“?CO?”前缀。对于函数，一般格式为?PR?FUN?FILE，其中FUN为用户函数名大写，FILE是函数所在文件。具体可参考Keil C51帮助文件。如图所示，第一句“?PR?MAIN?BOOTLOADER (C:0XA000),”将BootLoader中的main函数定位于0XA000地址。第二句“?PR?*?BOOTLOADER,”将除main函数之外的所有其他函数定位于main函数之后。第三句“?C?*,”将所有库函数定位于用户函数之后。第四句“?CO?BOOTLOADER”将所有BootLoader中用到的常量定位于库函数之后。注意最后一句不需要逗号结尾。这儿可以自由设定其先后次序但是必须注意的是main函数必须绝对定位于0xA000，以便于主程序进行绝对地址调用。主程序在握手成功后需要调用BootLoader程序中的main函数，但是因为它们是不同的两个项目进行编译的，所以不能直接进行调用，必须采用绝对调用的方法，可以采用函数指针的方法，具体如下：
void (*update)()=0xA000;    //定义函数指针指向0XA000
      Init_Device();                                  //初始化芯片
      EA=0;                                  //关中断
      if (HandShake())                      //主程序的握手程序
               update();                   //调用BootLoader
               EA=1;                                  //开中断
4       程序优化对于主程序来说，它是一个完整的程序，所以它能够进行完全的优化方法，即可以设定为最高优化等级（9级）。然而BootLoader程序在运行过程中不能调用除本身程序外的其他任何程序，但是如果采用9级优化则Keil C51会在0地址起始的地方放置一些公用程序模块，因此BootLoader程序的最高优化等级为8级。
5       全局变量的初始化BootLoader中全局变量如果采用定义时初始化的办法，如“int a＝0”；，则会在0地址处存放全局变量初始化代码，这肯定也是不允许的。所以对于全局变量的初始化可以在main函数内进行。
6       堆栈指针（SP）的初始化BootLoader程序中在低地址处会进行堆栈指针的初始化，因为BootLoader程序是由主程序进行调用的，所以并不会真正调用的SP指针初始化的程序，因此我们需要在BootLoader的main函数中对SP指针进行初始化。具体的对SP值设多少合适我们可以先看看程序的编译结果。如图2所示，BootLoader程序编译后使用28个字节的data变量，因此我们只要设定的SP比28大即可，在本项目中设定为64。图2：程序编译结果7       串口的使用一般在MCU中使用串口都是中断方式，但在BootLoader中，因为不能到低地址的中断向量表，因此只可以采用查询方式。8       Hex文件的处理与Bin文件的生成在正确生成两个Hex文件后，需要对它们进行合并，再使用编程器下载到芯片内部，以后就可以用串口进行在线编程了。Hex文件为标准文本文件，每一行都具有固定的格式：”:AABBBBCCDDDDDDD….ZZ”。冒号是行起始符号；AA是本行的数据长度；BBBB为数据存放地址；CC为数据类型，对于Keil C51来说只有00和01两种，分别为“数据”和“结束”类型；DDDDD…..为具体的数据；ZZ为校验。具体请参考《Hex文件格式说明》。在用文本编辑工具打开主程序和BootLoader的Hex文件后，将BootLoader中BBBB为A000后的所有数据（不包括结束行）都拷贝到主程序的Hex文件的结束行之前即可。Bin文件是Hex文件的二进制格式，用它进行程序更新则PC端程序可以较为简单。生成Bin文件可以用HexBin.exe工具。在对主程序Hex文件生成Bin文件后就可以由PC程序发送给MCU进行程序更新了。
9       源程序范例9.1
   主程序部分的握手程序
//--------------------------------------------------------------------------
bool HandShake(){
      uint8 i,j,ft;
      uint16 k;
      uint8 code shakeA[]={0xfe,0x23,0x54,0x78,0x93,0xab};
      uint8 code shakeB[]={0x34,0x26,0xcd,0xfc,0x9d,0x77};
      uint8 xdata shakebuf[6];
      SFRPAGE=1;
      TI1=0;
      SBUF1=shakeA[0];
      SFRPAGE=0;
      for (i=1;i<6;i++)
      {
                  SFRPAGE=1;
                  while(TI1==0);
                  TI1=0;
                  SBUF1=shakeA;
                  SFRPAGE=0;
      }
      SFRPAGE=1;
      RI1=0;
      SFRPAGE=0;
      for (j=0;j<100;j++)
      {
                  for (k=0;k<10000;k++)
                  {
                           SFRPAGE=1;
                           ft=RI1;
                           SFRPAGE=0;
                           if (ft)  break;
                           Delay_u(5);
                  };
                  if (k==10000)return false;
                  memmove(shakebuf,shakebuf+1,5);
               SFRPAGE=1;
                  RI1=0;
                  shakebuf[5]=SBUF1;
               SFRPAGE=0;
                  if (memcmp(shakebuf,shakeB,6)) return true;
      }
      return false;}
//--------------------------------------------------------------------------
9.2    BootLoader程序中的主函数
/*       13 7E:文件头       13 13:数据13       13 81:文件尾       13 3C：帧头       13 C3：帧尾*/
void main(){
      uint16 buflen=0,flashpos=0;
      uint8 temp;
      uint8 xdata buf[1024];
      bool Had13=false;

      SP=0x40;
      SendBuf("ACK",3);
      while(1)
      {
                  SFRPAGE=1;
                  do
                  {
                           temp=RI1;
                  }while(temp==0);
                  RI1=0;
                  temp=SBUF1;
                  SFRPAGE=0;

                  if (Had13)
                  {
                           switch (temp)
                           {
                                       case 0x13:       //数据13
                                                buf[buflen++]=0x13;
                                                break;
                                       case 0x7E:       //文件头
                                                EraseFlash();
                                                buflen=0;
                                                flashpos=0;
                                                SendBuf("ACK",3);
                                                break;
                                       case 0x3C:       //帧头
                                                buflen=0;
                                                break;
                                       case 0xC3:       //帧尾
                                                ProgramFlash
(buf,buflen,flashpos);
                                                flashpos+=buflen;
                                                SendBuf("ACK",3);
                                                break;
                                       case 0x81:       //文件尾
                                                Had13=false;
                                                SendBuf("ACK",3);
                                                SendCheckData(flashpos);
                                                flashpos=0;
                                                buflen=0;
                                                break;
                                       default:
                                                BEEP_ON();
                           }
                           Had13=false;
                  }
                  else
                  {
                           if (temp==0x13)
                                       Had13=true;
                           else
                                       buf[buflen++]=temp;
                  }
      }
}
//--------------------------------------------------------------------------
9.3    串口发送函数
void SendBuf(uint8 * pbuf,uint16 length)
{
      uint16 i;

      SFRPAGE=1;
      for (i=0;i<length;i++)
      {
                  while(TI1==0);
                  TI1=0;
                  SBUF1=pbuf;
      }
      SFRPAGE=0;
}

//--------------------------------------------------------------------------
9.4    Flash擦除函数
void EraseFlash()
{
      uint16 data page;
char xdata * data pwrite; // FLASH write pointer
SFRPAGE = LEGACY_PAGE;

FLSCL |= 0x01; // enable FLASH writes/erases
PSCTL |= 0x03; // PSWE = 1; PSEE = 1;

RSTSRC = 0x02; // enable VDDMON as reset source
for (page=0;page<1024*40;page+=1024)
      {
                  pwrite=(char xdata *)page;
            *pwrite = 0; // 擦除一个扇区
      }
PSCTL &= ~0x03; // PSWE = 0; PSEE = 0;
FLSCL &= ~0x01; // disable FLASH writes/erases
}
//--------------------------------------------------------------------------
9.5    Flash编程函数
void ProgramFlash(uint8 * buf,uint16 length,uint16 StartAddress)
{
      uint16 i;
      uint8 xdata * data pwrite; // FLASH write pointer
      uint8 data temp;
      for (i=0;i<length;i++)
      {
                  pwrite=(uint8 xdata *) (StartAddress+i); //存储新数据
                  temp=buf;
                  FLSCL |= 0x01;
                  PSCTL |= 0x01;                //允许写,MOVX指向FLASH
                  *pwrite=temp;
                  PSCTL &= ~0x01;             //禁止写,MOVX指向外部RAM
                  FLSCL &= ~0x01;
      }
}
//--------------------------------------------------------------------------
9.6    校验数据发送函数
void SendCheckData(uint16 length)
{
      uint8 code * data pread=0;
      uint16 i,j;
      uint8 xdata buf[1024];

      buf[0]=0x13;
      buf[1]=0x7E;
      SendBuf(buf,2);
      for (i=0;i<length;)
      {
                  buf[0]=0x13;
                  buf[1]=0x3C;
                  for (j=2;j<1000 && i<length;)
                  {
                           if (*pread==0x13)
                           {
                                       buf[j]=0x13;
                                       buf[j+1]=0x13;
                                       j+=2;
                           }
                           else
                           {
                                       buf[j]=*pread;
                                       j++;
                           }
                           i++;
                           pread++;
                  }
                  buf[j]=0x13;
                  buf[j+1]=0xC3;
                  SendBuf(buf,j+2);
      }
      buf[0]=0x13;
      buf[1]=0x81;
      SendBuf(buf,2);
}
//--------------------------------------------------------------------------
10       结论
以上程序在Keil C51 8.08上编译通过，并经过长时间的运行证明其稳定可靠。