摘? 要: 介紹了ATMEGA128單片機應用中的在線編程方法。給出了軟件IAP升級設計中應注意的一些關鍵技術,結合某市地鐵調度系統對IAP升級的可靠性和保密性等問題進行了簡單的論述。
關鍵詞: IAP? Flash存儲器? bootloader? 遠程升級? 在線升級
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閃速程序存儲器的編程方法常見的有以下幾種:
(1)傳統的并行編程方法;
(2)通過串行口進行在線編程ISP(In System Programmability):對器件或電路甚至整個系統進行現場升級或功能重構;
(3)在運行中,應用程序" title="應用程序">應用程序控制下的應用在線編程IAP(In Application Programming);IAP模式簡單地說就是在某一個section中運行程序,同時對另一個section進行擦除、讀取、寫入等操作。
ISP方式相對于傳統方式有了極大的進步,它不需要將芯片從電路板上卸下就可對芯片進行編程,減少了開發時間,簡化了產品制造流程,并大大降低了現場升級的困難。而IAP方式是對芯片的編程處于應用程序控制之下,對芯片的編程融入在通信系統當中,通過INTERNET網絡來升級指定目標芯片的軟件。
隨著芯片技術的高速發展,各廠家相繼推出了自己的支持ISP/IAP編程模式的芯片,如美國ATMEL公司的ATMEGA128、ATMEGA169,Silicon Storage Technology公司的SST89C54/58j等。其中美國ATMEL公司推出的ATMEGA128是基于AVR RISC的低功耗8位單片機,最高工作頻率可達16MHz,具有128KB FLASH內部存儲應用器、4KB EEPROM和SRAM數據存儲空間,最大可達4096字節的獨立加密位的可選bootloader程序代碼區,以及相應的專門用來支持(IAP)操作的操作控制寄存器" title="控制寄存器">控制寄存器SPMCR。近年來該型單片機以其優良而穩定的性能廣泛應用于各種電子產品中。
1 利用ATMEGA128構成的遠程升級系統
1.1系統組成
圖1給出了某城市地鐵調度指揮系統的網絡結構。該系統的網絡通信采用輪詢方式。
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該系統主要設備包括若干個基臺站、主控單元、基站控制中心、語音交換單元。
各設備的主要功能為:基站臺用來接收車載臺的數字信令和語音信號;主控單元協調各子節點動作并監視各子節點狀態;基站控制中心既是主控單元的子節點又是各基站臺的主節點,輔助主控單元完成對各基站臺的控制,協調各基站臺動作,搜集各基站臺傳來的消息和監視各基站臺狀態;PCM交換單元在主控單元控制下完成語音交換功能。
1.2 系統軟件IAP升級
在不影響整個系統正常運行情況下,為實現對系統某個節點的軟件升級" title="軟件升級">軟件升級,可將要升級的程序代碼通過寫碼軟件轉換為系統信令,以透明傳輸的方式傳輸(下載)到目標節點。本系統的信令格式采用表1所示的代碼幀格式。其中幀傳輸控制字" title="控制字">控制字節為5字節,操作控制字節為4字節,代碼數據為32字節。
為保證代碼傳輸的準確性,本系統采用反饋比對的方式,以監控終端" title="監控終端">監控終端向基臺站的代碼傳輸為例,代碼由監控終端傳輸到基臺站,基臺站收到代碼后,再反饋回監控終端。監控終端將收到的代碼與發送的代碼作比較,比較結果一致時傳輸下一代碼幀,不一致時重復傳輸上一代碼幀。
系統根據代碼幀的下載目標地址,自動尋址將代碼幀通過各級網絡節點下載到目標節點。寫入代碼的位置原則上可在系統中的任何一點進行,但考慮到實際情況,本系統中只有兩個寫入點(顯示終端和監控終端),寫入代碼時不影響系統的正常運行。收到軟件升級消息的節點通過判斷代碼幀的控制字完成相應的讀、寫、擦除等操作,并且可 根據不同的需求配置不同的控制字實現遠程終端對目標節點的各種資源的監控。
例如要通過監控終端升級基站1中ATMEGA128的軟件,則要在監控終端中啟動寫碼軟件,將編譯完成的升級代碼按照表1所示的系統幀格式打包,依照代碼在程序存儲區的先后次序依次發出。從圖1中可看出要通過監控終端升級基站1中的軟件,還要經由兩個中間節點:主控單元和基站控制中心,其時序流程如圖2所示。
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首先,監控終端發出一代碼幀到主控單元,主控單元根據代碼幀中的下載目標地址判斷應傳送的下一節點——基站控制中心。當主控單元輪詢到基站控制中心時,將收到的代碼幀發送給基站控制中心。同樣,基站控制中心根據代碼幀中的下載目標地址,將代碼幀下載并傳送到要升級的基站1的處理器ATMEGA128單片機中。單片機接收到代碼幀后首先將此代碼幀回傳給基站控制中心,然后將程序跳轉,運行bootloader程序區段。此時應用程序區段處于忙狀態,運行bootloader程序區段的程序,根據代碼載入地址將程序代碼寫入應用程序存儲區的正確位置,并在bootloader程序區段繼續運行,等待后續到達的代碼幀。而回傳的代碼幀同樣經過兩級節點返回到監控終端。監控終端收到后與發送的代碼幀進行比較,準確無誤后方可傳送下一幀數據,否則重發。
圖3給出了代碼寫入主程序流程圖。當代碼幀下載到基站1的控制單片機ATMEGA128后,當檢測到幀類型為升級代碼幀“Y”時,觸發代碼升級程序,程序由應用程序區段跳轉至bootloader程序區段。在此區段可以對應用程序區段進行讀、寫等操作,同時接收通過USART串口不斷傳來的代碼幀。
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在代碼開始寫入前,首先將存于EEPROM中的寫入操作開始標志位置位,然后判斷操作控制字以檢測是要進行哪一種操作。若是進行寫入操作,則調用寫入操作子程序。圖4給出了代碼寫入子程序流程圖。首先將代碼寫入緩沖區,將要寫入的程序代碼的頭兩個字節讀入專用于IAP操作的數據存儲寄存器R0:R1,同時Z寄存器指針的低8位指向代碼將要寫到的指定緩沖區的位置。然后將SPMCR控制寄存器的SPMEN位置1,這樣這兩個字節的代碼就被寫入到緩沖區中指定位置。寫下兩個字節時將Z寄存器指針加2,重復上述操作;依次進行直到將代碼幀中的代碼數據全部寫入緩沖區。然后判斷寫入緩沖區的代碼是否寫滿(代碼計數器是否為128)。緩沖區寫滿后要執行頁擦除操作。執行頁擦除每次可擦除1頁(128words),將要擦除的頁地址存入Z寄存器高8位,將SPMCR控制寄存器的SPMEN和PGERES位置1,擦除完畢后這兩位會被硬件清0。
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執行頁寫操作時每次只可寫入1頁,將Z寄存器指針指向要寫入的應用程序區段代碼頁,將SPMCR控制寄存器的SPMEN和PGWRT位置1。當寫完后這兩位會被硬件清0同時頁緩沖區中內容被清除。
升級代碼傳送全部完成后,監控終端會發出一幀操作控制字為FF的代碼幀,升級節點收到后將存于EEPROM中的寫入操作開始標志位置位清0。退出升級操作,并由bootloader區段返回應用程序區段,完成對該節點軟件的升級。
2 IAP升級可靠性和保密性的考慮
系統在進行IAP升級過程中不免受到外界干擾,如系統突然掉電或線路故障等意外事故而導致代碼傳輸失敗的情況,此時要有一套可靠的軟硬件機制來保障IAP升級的正常運作,以下介紹本系統所采取的一些措施。
(1)消除傳輸過程中產生的誤碼
下載代碼的準確性直接關系到系統能否正常運行。本系統采用大回路比對的方式。這種方式雖然使升級過程時間加長,但可以保證代碼準確無誤,并且回傳的代碼幀同時可作為IAP升級的握手信號。當然也可以采用CRC等其它方式解決。
(2)IAP升級過程中系統掉電情況分析
系統設計必須要避免系統掉電等類似情況所造成的系統運行故障的發生,即使發生了也應將損失降低到最低限度。在IAP升級過程中,可通過軟件方式解決。在應用程序區段,用第一條語句跳轉至bootloader區段,并在bootloader區段的程序中,檢驗寫碼操作開始標志位(此標志位被寫入EEPROM中)。如未被置位,則跳轉至應用程序區段繼續運行應用程序區段中的程序,否則繼續守候在bootloader區段直到升級完成。
(3)下載代碼的保密性
為防止沒有寫碼權限的用戶對代碼的操作,實際運用中可對bootloader程序段加入權限校驗程序。根據不同的節點設置了不同的加密碼,以及特權碼(供系統設計或管理人員使用),并將密碼存入EEPROM中,以便隨時更改密碼。
該方案已成功應用于上海地鐵調度指揮系統中,實現了基于ATMEGA128 IAP軟件的升級,并通過上述可靠性和保密性的設計,使IAP軟件升級的可靠性得到了保證。通過該技術大大提高了系統的可維護性,減少了產品開發時間,簡化了產品制造流程,并大大降低了現場升級的困難,實現了在不影響節點正常工作的情況下對該節點的軟件升級。
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參考文獻
1 栗大超,宋光德. 智能儀器儀表的ISP技術與Internet接入.中國儀器儀表,2000;(4):10～14
2 杜建光.SST89C54/58系列單片機的IAP應用技術.單片機與嵌入式系統應用,2002:(7)