基于Power PC系列處理器的BootLoader設(shè)計與應(yīng)用

李興國，周 榮，李 旭

(北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

BootLoader 技術(shù)是應(yīng)用在Flash 程序存儲器的一種編程模式。它可以在應(yīng)用程序正常運行的情況下，通過調(diào)用特定IAP 程序?qū)α硗庖欢蜦lash 空間進(jìn)行讀與寫操作，這樣就可以按照傳入數(shù)據(jù)重新配置Flash 空間，從而實現(xiàn)對MCU 程序的更新。相較使用JTAG 工具的傳統(tǒng)燒錄方法，這種技術(shù)為鐵路現(xiàn)場固件升級帶來了更大的靈活性。

在實際應(yīng)用中，需要在編譯器上開發(fā)2 個固件程序：BootLoader 程序和用戶程序。首先必須使用燒錄工具下載BootLoader 代碼，用戶代碼可以使用BootLoader 代碼IAP 功能下載，也可以使用燒錄工具下載，一般在現(xiàn)場應(yīng)用中都使用BootLoader更新用戶程序。這兩部分項目代碼需要同時燒錄在 Flash 中，BootLoader 程序用于更新用戶程序，用戶程序用于實現(xiàn)具體應(yīng)用。單片機(jī)上電進(jìn)入BootLoader 程序區(qū)，如果收到更新程序指令，則對APP 區(qū)的程序進(jìn)行改寫操作。如果未收到更新程序指令，程序指針跳到APP 區(qū)，開始執(zhí)行放在APP 區(qū)的程序，這樣便實現(xiàn)了升級程序的功能。傳統(tǒng)使用BootLoader 更新固件程序，大致流程如下。

1)當(dāng)給芯片上電后，首先執(zhí)行BootLoader 程序。

2)檢查是否需要更新用戶代碼。

3)如果不需要更新，執(zhí)行原用戶程序。

4)如果需要更新，擦除用戶程序區(qū)，寫入新用戶程序，并執(zhí)行新用戶程序。

BootLoader 是以從串口上接收更新標(biāo)志后進(jìn)入燒寫程序狀態(tài)的。進(jìn)入燒寫程序狀態(tài)后，BootLoader 程序做的第一件事情就是擦除原用戶程序的空間。如果在程序升級過程中，發(fā)生掉電或者通信連接斷開的情況，單片機(jī)就會處于新程序未更新完畢，原程序已丟失的情景，導(dǎo)致程序更新失敗。

為解決這個問題， 本文提出一種解決方法，在Flash 空間劃出一個區(qū)域用于備份用戶程序，MCU進(jìn)入BootLoader 引導(dǎo)程序后，在收到更新程序指令時，先將程序?qū)懭雮浞輩^(qū)，寫入完成后置位待更新標(biāo)志Upsig，通知MCU 需要更新程序，然后再將備份區(qū)程序?qū)懭胗脩舫绦騾^(qū)，寫入完成后清零待更新標(biāo)志Upsig。因此在每次進(jìn)入BootLoader 程序，通過讀取Upsig 值用來判斷是否需要更新程序，相較于傳統(tǒng)BootLoader 下載程序的方法，本文提出的方法可以降低風(fēng)險，保障下載程序的完整性。

2 下載系統(tǒng)硬件構(gòu)成

基于在C3+ATO 項目的應(yīng)用中，所述下載系統(tǒng)包括：遠(yuǎn)程控制模塊、通信模塊、程序下載控制模塊、存儲模塊，功能結(jié)構(gòu)框如圖1 所示。遠(yuǎn)程控制模塊用于提供交互式操作入口，通過交互式操作入口控制所述程序下載，控制模塊執(zhí)行下載流程，遠(yuǎn)程控制終端為SecureCRT 終端軟件。通信模塊將系統(tǒng)與所述遠(yuǎn)程控制模塊相連接，本應(yīng)用使用串口通信。程序下載控制模塊包括：下載單元和執(zhí)行單元，下載單元用于下載應(yīng)用程序到所述存儲模塊，執(zhí)行單元用于執(zhí)行或更新應(yīng)用程序。嵌入式系統(tǒng)的處理器是Power PC 系列處理器。

圖1 下載系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of functions of download system

2.1 CPU模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

在本應(yīng)用中使用的硬件環(huán)境如下：MCU 選用Freescale 公司的處理器MPC8323E，閃存采用16 M Flash，內(nèi)存采用2 GB DDR2，設(shè)置串口波特率230 400。硬件結(jié)構(gòu)框如圖2 所示。

圖2 CPU模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of hardware of CPU module

在本應(yīng)用中，MCU采用Freescale公司的MPC8323E 微處理器， 具有強(qiáng)大的功能。MPC8323E 是Freescale 公司PowerQUICC ? II Pro 系列的微處理器，此系列微處理器在Power Architecture 架構(gòu)的e300c2 內(nèi)核基礎(chǔ)上，配置單RISC 版本的QUICC Engine ?通信引擎形成MPC8323E 網(wǎng)絡(luò)功能的核心，最高可達(dá)300 MIPS處理能力。

2.2 Flash存儲區(qū)分割

根據(jù)前面的介紹，需要將Flash 存儲分為4 部分：第1 部分為BootLoader 程序區(qū)，第2 部分為BootLoader 參數(shù)區(qū)，第3 部分為應(yīng)用程序區(qū)，第4 部分分配為應(yīng)用程序備份區(qū)。如圖3 所示，將Flash 分區(qū)劃分為如下4 個部分：BootLoader 程序區(qū)用于存儲引導(dǎo)程序，BootLoader 參數(shù)區(qū)用于存儲程序更新參數(shù)， 應(yīng)用程序備份區(qū)用于備份應(yīng)用程序，應(yīng)用程序區(qū)用于存儲應(yīng)用程序。Flash 空間分布如圖3 所示。

圖3 Flash空間分布圖Fig.3 Distribution of FLASH storage area

首次使用系統(tǒng)時，通過專用JTAG 下載器將BootLoader 程序下載到Flash 存儲的0x00000000～0x000BFFFF 區(qū) 域，BootLoader。BootLoader 程序燒制完成后，系統(tǒng)上電啟動，MCU 從地址0x00000000 開始運行BootLoader程序，通過USB 向遠(yuǎn)程終端secureCRT 發(fā)送交互信息。程序更新完畢后，CPU 直接跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序區(qū)0x00100000 地址，運行應(yīng)用程序。

2.3 YModem協(xié)議簡介

本應(yīng)用通過串口通信使用YModem 協(xié)議進(jìn)行文件傳輸， 通過secureCRT 遠(yuǎn)程控制終端選擇YModem 傳輸文件模式。YModem 協(xié)議是由XModem 協(xié)議演變而來的，具有快速，穩(wěn)定傳輸?shù)膬?yōu)點。每包數(shù)據(jù)可以傳輸1 024 Byte，同時支持多文件傳輸，也就是批文件傳輸，是一個非常高效的文件傳輸協(xié)議。發(fā)送數(shù)據(jù)時使用CRC 校驗，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。它每傳輸一個信息塊數(shù)據(jù)時，就會等待接收端回應(yīng)ACK 信號，接收到回應(yīng)后，才會繼續(xù)傳輸下一個信息塊，保證數(shù)據(jù)已經(jīng)全部正確接收。

3 BootLoader程序設(shè)計

BootLoader 是嵌入式系統(tǒng)在上電后執(zhí)行的第一段代碼，用于完成CPU 和相關(guān)硬件的初始化之后，更新應(yīng)用程序，再將應(yīng)用程序裝到內(nèi)存中運行。本實例中，BootLoader 用于與遠(yuǎn)程控制終端的交互，執(zhí)行應(yīng)用程序下載、應(yīng)用程序備份、應(yīng)用程序更新和應(yīng)用程序啟動執(zhí)行。

預(yù)先使用專用下載器將BootLoader 程序燒錄進(jìn)Flash 指定空間，給系統(tǒng)上電后，MCU 首先進(jìn)入BootLoader 程序，系統(tǒng)啟動后進(jìn)入預(yù)定時間的倒計時；若所述預(yù)定時間的倒計時結(jié)束且系統(tǒng)沒有接收到預(yù)定輸入，獲取參數(shù)區(qū)升級標(biāo)志。若為“1”，則系統(tǒng)進(jìn)入下載模式第二步。若為“0”，則系統(tǒng)進(jìn)入執(zhí)行應(yīng)用程序流程；若所在述預(yù)定時間的倒計時結(jié)束前，系統(tǒng)接收到預(yù)定的第一鍵入信息，則系統(tǒng)進(jìn)入配置模式；在配置模式下，若系統(tǒng)接收到預(yù)定的第二鍵入信息，則系統(tǒng)進(jìn)入執(zhí)行原應(yīng)用程序流程；在配置模式下，若系統(tǒng)接收到預(yù)定的第三鍵入信息，則系統(tǒng)進(jìn)入應(yīng)用程序下載模式；在下載模式下，第一步先擦除備份區(qū)數(shù)據(jù)，再將接收數(shù)據(jù)寫入備份區(qū)，置位參數(shù)區(qū)升級標(biāo)志Upsig；第二步先擦除應(yīng)用區(qū)數(shù)據(jù)，再將備份區(qū)數(shù)據(jù)寫入應(yīng)用區(qū)，清零參數(shù)區(qū)升級標(biāo)志Upsig，升級過程完成，系統(tǒng)進(jìn)入執(zhí)行應(yīng)用流程。升級過程程序流程如圖4 所示。

4 結(jié)論

本文介紹的升級程序方法不需要專用下載器、專用開發(fā)環(huán)境，不需要對下載軟件進(jìn)行下載地址設(shè)置、Flash 擦除，不需要拔出插入板卡等，給程序下載帶來很大便利性，解決了Power PC 系列處理器在線升級不方便的問題，提高了列車自動運行系統(tǒng)的開發(fā)及測試效率。同時，本方法設(shè)置有安全下載控制，避免了下載遇到突發(fā)情況時，系統(tǒng)執(zhí)行錯誤的目標(biāo)應(yīng)用程序，提高系統(tǒng)運行安全性。且下載完成后可以直接執(zhí)行，提高了效率。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flowchart