MC9S12X 系列單片機PE 生成代碼的串口Bootloader設(shè)計

羅 博，仇 傲

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北三河 065201）

一般情況下，MC9S12X 系列單片機進行代碼升級需使用BDM 仿真器，如果電路板在汽車或者其他工業(yè)設(shè)備里，就需要拆卸設(shè)備，拆出電路板，操作繁瑣，耗時較多。在石油隨鉆儀器、航空航天、兵器等電路系統(tǒng)中，電路工作環(huán)境惡劣，震動劇烈，為增強抗震動沖擊及絕緣性能，電路板需要灌封膠[1-5]，如果使用BDM 仿真器更新程序，選擇去除封膠直接下載程序，則很容易損傷電路板，選擇在接口引出程序下載線則會浪費寶貴的接口。如果可以通過原有通信總線完成程序升級，則可節(jié)約時間，簡化操作，降低成本。

Code Warrior 是一款集成開發(fā)平臺，可用于MC9S12X 系列芯片的工程開發(fā)，具有實際應用開發(fā)所需的IDE、編譯器、鏈接器、調(diào)試器等[6]。PE（Processor Expert）是一款革命性的編程工具，可與CW開發(fā)平臺相結(jié)合，作為其內(nèi)部菜單實用，使用時只需要圖形化添加需要的模塊即可生成對應代碼。PE的選項式初始化操作簡單、快捷、方便，對于不同的飛思卡爾單片機，只要是相同的模塊，PE的初始化配置屬性就基本相同。PE 還可以自動生成中斷向量表，自動聲明中斷服務(wù)函數(shù)[7-9]。使用PE 編寫飛思卡爾系列嵌入式芯片程序，開發(fā)時間短，效率高，不易出錯。對于PE 開發(fā)的工程，如果可以用Bootloader在線升級程序，則將大大減少開發(fā)和維護時間。

1 BootLoader 原理簡介及硬件組成

1.1 BootLoader原理簡介

Bootloader 固化在芯片中，是上電后首先運行的程序，其主要功能是在電路系統(tǒng)初始化后，從ROM、Flash 等非易失存儲器上加載用戶應用程序（APP）代碼，然后引導APP 運行[10-13]，使電路系統(tǒng)正常工作。

Bootloader的開發(fā)，首先需要對單片機的存儲空間進行合理的分配。把Flash的程序存儲空間分為Bootloader 區(qū)域以及APP 區(qū)域。APP 區(qū)域是用戶應用程序代碼存放的區(qū)域。Bootloader 固化在相應的Flash 區(qū)域中，不能修改，通過BMD 仿真器下載后可一直使用，但是APP 區(qū)域可以重復由Bootloader 修改更新。Bootloader 區(qū)域存放的代碼控制存放APP 代碼的區(qū)域。上電后，Bootloader 與上位機建立通信成功后，通過串口、CAN 等通信方式接收APP 代碼，將其存放在相應的Flash 區(qū)域，完成修改后可以跳出Bootloader，執(zhí)行APP 區(qū)域的代碼，完成更新程序。

1.2 串口通信

文中方案使用MC9S12X 單片機的SCI 模塊進行串口通信，選擇RS-485 總線作為通信方式，RS-485總線采用半雙工工作方式，可進行多節(jié)點、遠距離通信，抗干擾能力強，在工業(yè)中使用廣泛。SCI 模塊連接到RS485 數(shù)據(jù)收發(fā)芯片來進行串口通信，芯片選擇TI 公司的SN65HVD11Q，最大速率為10 Mbps，最高溫度為125 ℃[14]，可滿足石油、汽車等行業(yè)要求。

1.3 啟動設(shè)置

有多種方式?jīng)Q定上電時先進入Bootloader 還是APP。一般根據(jù)MC9S12X 系列單片機的PP0 引腳狀態(tài)決定，如果PP0引腳接地，則上電后進入Bootloader；若PP0 引腳為高電平，則上電時進入APP[15]。

文中方案選擇PP0 引腳接地，電路圖如圖1 所示。剛上電時進入Bootloader 狀態(tài)，在一定時間內(nèi)，如果收到在線升級命令，則繼續(xù)停留在Bootloader，等待上位機發(fā)送APP 代碼，接收完成后對APP 代碼進行修改，如果超過此時間，未收到在線升級命令，則進入APP，正常工作。

圖1 PP0引腳連接

2 Bootloader總體設(shè)計

2.1 Bootloader工作流程

Bootloader 簡要工作流程如圖2 所示。

圖2 Bootloader簡要工作流程

由于上電后PP0 引腳為0，因此首先進入Bootloader，完成初始化；然后，在較短時間內(nèi)決定繼續(xù)停留在Bootloader 狀態(tài)還是進入用戶應用程序，時間選擇為3 s。判斷依據(jù)為存儲在EEPROM 區(qū)域的數(shù)據(jù)B_flag，如果上電后第三秒時B_flag 為0，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行用戶應用程序；如果B_flag 為1，則停留在Bootloader 狀態(tài)，等待接收其他命令。MCU 收到命令后，判斷命令是否合法，不合法則繼續(xù)等待，合法則執(zhí)行相應命令。在上電后3 s 內(nèi)，上位機可以通過RS-485 總線向MCU 發(fā)送命令，改變B_flag的值。如果收到擦除APP 命令，則擦除存儲App的Flash 區(qū)域，并向上位機發(fā)送擦除成功命令，上位機收到命令后，發(fā)送s19文件，Bootloader 接收s19 文件完畢后，進行校驗，如果正確，則將代碼寫入對應的Flash 區(qū)域，寫入成功后，向上位機發(fā)送更新代碼成功消息，上位機收到消息后，如果發(fā)送進入App 命令，則跳轉(zhuǎn)進入APP，否則繼續(xù)停留在Bootloader 狀態(tài)，等待接收其他命令。

2.2 串口設(shè)置

單片機通過SCI 模塊與上位機通信和下載APP代碼，對傳輸準確率要求高，對速率要求不高，因此，雖然目前RS-485 總線大數(shù)據(jù)量傳輸速率可以達到1 Mbps，但考慮到速率過高會導致電路工作時總線抗干擾能力差，從穩(wěn)定性考慮，波特率不需設(shè)置過高，通過SCIBDH 和SCIBDL 兩個寄存器將波特率最高設(shè)置為115 200 即可。幀格式設(shè)置包括1 個起始位、8 數(shù)據(jù)位、1 停止位。

2.3 擦除APP區(qū)域

Bootloader 擦除APP 代碼如圖3 所示。不同的芯片，其內(nèi)存空間不同，存儲APP的Falsh 區(qū)域也不同。根據(jù)內(nèi)存空間區(qū)別，NXP 公司為每一種MC9S12系列單片機分配對應的Part ID，Part ID 為16 位數(shù)據(jù)，高8 位固化在地址0x001A，低8 位固化在地址0x001B[16]。所以，收到擦除App 命令后，讀取Part ID值，判斷屬于哪種芯片，然后擦除該芯片對應的FLASH 區(qū)域，將存儲的App 代碼擦除，不可擦除用戶重置向量和Bootloader[15]。

圖3 Bootloader擦除APP代碼

2.4 接收s19文件

Bootloader 擦除APP 區(qū)域成功后才可接收新的APP 代碼。Code Warrior 生成工程的Project.abs.s19文件不能直接發(fā)送給Bootloader。Bootloader 接收的s19 文件要求是全局（線性）地址，且數(shù)據(jù)必須對齊為32 字節(jié)，數(shù)據(jù)長度也為32 字節(jié)。轉(zhuǎn)換s19 文件使用NXP官方提供的SRecCvt-GUI.exe即可[15]，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)換s19文件

2.5 寫入Flash

Bootloader 接收完s19 文件后，根據(jù)Part ID 判斷s19 文件中地址是否與芯片匹配，如果地址正確，則向?qū)腇LASH 區(qū)域?qū)懭階PP 代碼，每次寫入32 個字節(jié)。代碼如圖5 所示。

圖5 將APP代碼寫入Flash

3 用戶程序設(shè)計

3.1 修改存儲空間

Bootloader 代碼與APP 代碼存儲區(qū)域不能重疊。Bootloader 代碼存放在地址0xF000～0xFFFF的區(qū)域，APP的重置向量存儲在地址0xEFE0～0xEFFF的區(qū)域，每個中斷向量地址為16 位，因此需要把ROM_C000的地址范圍從原來的0xC000～0xFEFF 改成0xC000～0xEFDF。

在Processor Expert的Build Option 中，點 擊Memery segments，再點擊ROM/RAM segments，選擇ROM_C000 區(qū)域，此處可設(shè)置ROM_C000 區(qū)域的各項參數(shù)，只需要將size 修改為2FE0 即可，這樣結(jié)束地址就變?yōu)?xEFDF，如圖6 所示。

圖6 修改ROM_C000長度

0x7F10～0x7FFF 會被用于重定位中斷向量表，所以需要把ROM_4000的地址從原來的0x4000～0x7FFF 改成0x4000～0x7F0F。

在Processor Expert 中選擇ROM_4000 區(qū)域，將size 修改為0x3F10 即可，這樣結(jié)束地址就變?yōu)?x7F0F，如圖7 所示。

圖7 修改ROM_4000長度

3.2 設(shè)置中斷向量表的基地址

用戶中斷向量原存儲地址范圍為0xFF10～0xFFF8，每個向量為16 位地址，因為地址范圍0xF000～0xFFFF的區(qū)域要存放BootLoader，所以必須改變用戶中斷向量存儲地址范圍，改為0x7F10～0x7FF8。在Processor Expert的Properties 中選擇Internel resource mapping，然后選擇Interrupt/Reset vector table，最后在Interrupt vector table 中將Address修改為0x7F10，長度0xEA，最后一個用戶中斷向量地址變?yōu)?x7FF8，如圖8 所示。

圖8 修改中斷向量地址

Reset vector table 不能修改，其包括3 個地址分別為0xFFFA(COP Watchdog Timeout)，0xFFFC(Clock Monitor Fail)和0xFFFE(Reset)的系統(tǒng)重置向量，其中地址為0xFFFE的Reset 向量包括引腳復位、上電復位、低電壓復位、非法地址復位4 種功能[16]。MC9S12X 系列單片機上電后先從地址0xFFFE 處讀取第一條指令，如果該地址改變，則上電后Bootloader 將無法工作。

在Code Warrior 生成的代碼中，3 個系統(tǒng)重置向量與其他中斷向量地址一起存放在vectors_s12xep.c文件中的tIsrFunc _vect[ ]中，將IVBR 修改為0x7F，中斷向量表起始地址從0xFF10 改為0x7F10，其他中斷向量基地址從0xFF 變?yōu)?x7F，但對這3 個系統(tǒng)重置向量無影響，其地址(0xFFFA～0xFFFE)不會改變，并不影響上電后Bootloader的正常運行[16]。但在Processor Expert 中，修改這3 個系統(tǒng)重置向量的地址時，其地址會改變，使Bootloader 無法正常工作，導致上電后芯片無法正常工作。

3.3 用戶應用程序進入Bootloader狀態(tài)

使用傳統(tǒng)方式進入Bootaloader 狀態(tài)時，必須重新上電，然后根據(jù)PP0 引腳是否為高電平進入Bootaloader。如果系統(tǒng)統(tǒng)一供電，則重新上電會影響系統(tǒng)其他子系統(tǒng)工作，如果單獨控制供電，則增加電路復雜性和成本。因此，可以在用戶程序中添加代碼，增加用戶程序進入Bootloader 功能，不需要重新上電。上位機通過RS-485 總線向單片機發(fā)送進入Bootloader 命令，命令校驗通過后，B_flag 賦值為1，然后重啟單片機。因為PP0 引腳一直接地，所以單片機重啟后進Bootloader 狀態(tài)，如果在3 s 內(nèi)沒有收到上位機命令，則將B_flag 值變?yōu)?，停留在Bootloader狀態(tài)，可以更新用戶程序。

4 上位機軟件開發(fā)

為了給Bootloader 發(fā)送s19 文件，開發(fā)上位機軟件。按照RS-485 通信協(xié)議，使用Visual C++開發(fā)，完成與Bootloader 握手、讀取MCU 狀態(tài)、發(fā)送s19 文件、切換至用戶應用程序等功能。

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)MC9S12X 系列單片機的在線升級均基于Code Warrior 生成代碼，代碼開發(fā)時間較長。文中設(shè)計的BootLoader 實現(xiàn)方式可以使用PE 圖形化方式完成用戶代碼開發(fā)，編程基礎(chǔ)差和沒有系統(tǒng)訓練編程的開發(fā)人員也可編寫應用代碼，開發(fā)和維護效率高，不易出錯，利用系統(tǒng)本身的RS-485 總線更新程序，電路系統(tǒng)不用重新上電也可準確方便地實現(xiàn)代碼的現(xiàn)場更新升級，方便實際應用。通過對中海油服自研隨鉆測井工具和旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具的實際應用表明，該方案至少可節(jié)約50%以上的開發(fā)和維護時間，大大減輕了科研人員負擔。