劉雪蘭1, 田宏偉2
(1.江蘇農牧科技職業學院 信息工程系,江蘇 泰州 225300;2.蘇州大學 應用技術學院,江蘇 蘇州 215325)
摘要：目前MCU的下載器以在線下載器為主，在室外環境下攜帶不便，便攜式的脫機下載器比較缺乏且價格昂貴，因此根據多回路無線照明控制器實際需求設計了針對AW系列MCU的便攜式脫機下載器。通過對HCS08內核CPU及背景調試控制器的深入理解，設計了使用SD卡和EEPROM雙重存儲器的下載器硬件和軟件，精心設計了能保證程序下載可靠性的軟件。該下載器已在實際項目中應用，運行穩定，效果較好。
中圖分類號：TP393文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.24.028
引用格式：劉雪蘭, 田宏偉. 多回路無線照明控制器MCU脫機下載器的設計與實現［J］.微型機與應用，2016,35（24）：98-100.
0引言
嵌入式產品中MCU的程序下載是指將固件程序下載到目標芯片中，同時提供對目標芯片Flash的擦除和校驗等功能的過程。目前針對飛思卡爾MCU的程序下載器一般以在線編程為主，常用的有P&E公司、飛思卡爾公司等生產的調試器，這些調試器功能復雜、價格昂貴，就脫機下載器而言目前僅P&E公司提供一款Cyclone脫機下載器，價格更高。
AW系列MCU是飛思卡爾半導體公司推出的針對電機控制、自動化控制以及汽車應用等場合的工業級MCU，外圍模塊豐富，存儲器容量大，且抗干擾能力強，因此選擇其中的MC9S08AW60作為多回路無線照明控制器的核心MCU。實際運行中，由于用戶功能需求的變化，需要到現場對MCU進行程序升級，但現場下載程序必須攜帶筆記本電腦和在線下載器才能進行，攜帶不便。
本文在分析了HCS08系列CPU內核基礎上，設計了BDM調試器硬件電路，設計了多回路無線照明控制器MCU便攜式脫機下載器，同時給出在下載器軟件方面保證整個下載過程可靠性所采取的措施。
1設計思路
便攜式下載器使用SD卡作為待燒寫的十六進制目標文件的存儲載體，帶有液晶顯示功能，通過按鍵選擇MCU的型號及目標文件，選定后對目標MCU執行程序燒寫操作，下載器使用9 V鎳氫充電電池作為供電電源，外部的EEPROM用來存儲配置參數，同時為了可靠起見，EEPROM還用來存儲待燒寫的目標文件，下載器的模塊構成如圖1所示。
便攜式下載器的設計需要深入理解HCS08內核、背景調試控制器模塊以及目標文件格式的解析等。
1.1S19記錄文件
S19記錄文件［1］是飛思卡爾HC08、HCS08、HCS12系列微控制器的機器碼文件，是使用字符記錄的具有固定格式的目標代碼文件，S19文件中每條記錄占用1行，每行由5部分數據段組成，其數據段定義如表1所示。
1.2背景調試模式BDM
背景調試模式［2］BDM（Background Debug Mode）是由飛思卡爾半導體公司推出的單線調試方式，是S08、S12及Coldfire系列MCU支持的調試方式。這些芯片內部都具有背景調試控制器（Background Debug Controller，BDC）［3］，負責接收和解析下載器發送的命令，通過操作該控制器，開發人員可以實現底層調試、Flash擦除和編程、加密處理等功能。
BDM接口為單線接口，使用的通信引腳為BKGD，其他的為2個供電引腳以及復位引腳RESET，下載器為雙排6芯接口，占用空間小，方便制作。
2 載器硬件設計
便攜式下載器以AW60為主控MCU，下載器硬件設計圍繞功能需求進行，包括BDM接口模塊、液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊、使用SPI接口通信的SD卡模塊和EEPROM模塊等，此處主要介紹BDM接口電路，電路示意如圖2所示。
主控芯片輸出信號與目標MCU之間接入三態緩沖器74HC125，在保證信號的驅動能力的同時可以適應目標芯片3.3 V或者5 V的信號電壓［4］。從圖2中可以看出，需要向目標MCU發送BKGD數據時，下載器BKGD_DRV首先輸出低電平信號，75HC125-3由高阻態轉換為工作狀態，此時即可通過BKGD_OUT引腳輸出0或1的信號，目標MCU的BKGD引腳即接收該信號，其他引腳的工作方式類似。
需要注意的是，圖2中BKGD_IN引腳對應的是MCU的兩個引腳PTC6和PTF0，而且在軟件中將PTF0配置為定時器1通道2的輸入捕捉引腳，這么做并不是為了增加驅動能力，而是為了配合BDM指令集提供的一條用于解決下載器與目標MCU速率不匹配的指令——SYNC指令。在實現SYNC指令功能時，PTF0處于輸入捕捉的工作模式，用于捕捉目標MCU發送的電平跳變信號，通過測量目標MCU發送的128個低電平周期從而計算出該芯片BDM控制器的運行頻率，實現自適應的通信。
3下載器軟件設計要點
BDM通信是單線通信，其最基本的底層操作是讀/寫一個數據位的操作，而對應的指令集的基本單位為1 B，因此軟件設計的要點就是深入了解BDM指令以及編寫穩定可靠的讀/寫字節數據函數，同時為提高下載器下載的可靠性給出了三種措施。
3.1BDM指令介紹
HCS08內核的BDM指令分為兩類［5］：一類是在任何運行模式下都可以執行的指令，用于對存儲器的讀寫訪問及設置斷點等功能，稱為硬指令，硬指令不影響CPU運行。另一類指令稱為軟指令，需要在BDM模式下由CPU執行（用戶程序無法運行），固件指令主要提供對CPU內部寄存器的讀取和修改操作。
3.2讀寫匯編子程序
下載器主控芯片第一步操作是測量目標MCU的頻率，該操作是通過發送長度足夠的低電平來同步請求SYNC指令，主控芯片通過測量目標MCU發送的128個低電平周期所使用的時間，從而換算出目標MCU的BDM控制器的工作頻率，此處用到的便是PTF0作為輸入捕捉用來計算兩次跳變間用時的功能［6］。
在此基礎上，接下來就是比較關鍵的讀/寫字節子程序的實現，為了保證通信的時序完全按照BDM的要求，該子程序必須使用匯編語言編寫，限于篇幅不再列出具體匯編程序，程序設計時需要仔細計算出每個語句及循環操作所占用的周期，發送數據的過程及占用周期如下：
（1）主控芯片寫位0到目標芯片BKGD引腳的操作：拉低目標芯片的BKGD引腳不少于12個時鐘周期，目標芯片在檢測到低電平后的第10個周期對BKGD進行采樣，讀入該位。
（2）主控芯片寫位1的操作：拉低目標芯片BKGD引腳2～４個時鐘周期后釋放BKGD端，使之為高電平，目標MCU在探測到低電平以后的第10個周期對BKGD進行采樣，讀入該位。
3.3程序下載的可靠性
對于下載器而言，下載的完整性和可靠性是第一位的，脫機下載器在軟件方面做了以下幾個方面的工作：
（1）程序下載回滾功能：為防止用戶下載程序后發現下載的代碼文件有誤，但目標MCU已被擦除無法恢復原有程序，在下載器的軟件中加入了一個操作，即在燒寫目標芯片前首先將目標MCU中的程序讀出，程序讀出后，存儲在下載器外置的EEPROM中，若用戶選擇程序回滾，則下載器軟件重新讀入之前讀出的目標文件，并進行回滾編程。
EEPROM選用容量為128 KB的25LC1024，內部劃分為三個區域，分別用來存儲配置參數、目標MCU內部原有固件程序以及待燒寫的目標文件。
（2）防SD卡故障功能：為防止在下載過程中出現SD卡被拔出等誤操作引起的無法讀取目標文件下載的錯誤，下載器軟件首先把待燒寫的目標文件S19存入EEPROM中，在對拷貝到EEPROM的目標文件進行重新校驗后才對目標MCU進行擦除和編程操作。
（3）程序下載校驗功能：目標芯片燒寫成功后，偶爾也會遇到運行不正常的情況，而且可能很難被發現，因此程序下載完畢后必須進行程序校驗操作。具體過程是讀出下載后芯片的程序，并按字節與存儲在EEPROM中的S19文件進行對比，若出現不一致則提示用戶校驗錯誤，需要重新下載。
4結論
本文針對飛思卡爾下載器以在線編程為主，市場中缺乏MCU脫機下載器的問題，在深入理解HCS08型CPU內核中BDC模塊的功能、指令的基礎上，設計了針對多回路無線照明控制器MCU的脫機下載器，并成功用于實際產品的程序下載中。通過進一步的改進，可以適應更多型號的HCS08系列MCU的芯片編程。
參考文獻
［1］ 王超藝,王宜懷.飛思卡爾S08系列機器碼文件下載軟件的開發［J］.計算機應用與軟件,2011，28(12):256258.
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［3］ Freescale. Introduction to HCS08 Background Debug Mode［Z］. 2006.
［4］ 徐清,王宜懷.嵌入式微控制器MC68HC912B32背景調試模式設計與實現［J］.電子技術應用,2006，32(6):6164.
［5］ 王宜懷,張書奎,王林.嵌入式技術基礎與實踐(第2版)［M］.北京:清華大學出版社，2011.
［6］ 邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發方法［M］.北京:清華大學出版社，2004.