Bootloader是在單片機上電啟動時執(zhí)行的一小段程序。也稱作固件，通過這段程序，可以初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用應用程序準備好正確的環(huán)境。
Boot代碼由MCU啟動時執(zhí)行的指令組成。這里的loader指向MCU的Flash中寫入新的應用程序。因此，Bootloader是依賴于特定的硬件而實現(xiàn)的，因此，在眾多嵌入式產(chǎn)品中目前還不可能實現(xiàn)通用Bootloader。
Bootloader的最大優(yōu)點是：在不需要外部編程器的情況下，對嵌入式產(chǎn)品的應用代碼進行更新升級。它使得通過局域網(wǎng)或者Intemet遠程更新程序成為可能。例如，如果有5 000個基于MCU的電能表應用程序需要更新，電能表制造商的技術(shù)人員就可以避免從事對每一個電能表重新編程的巨大工作量，通過使用Bootloader的功能，由控制中心通過電能表抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡，遠程對5 000個電表重新編程。可見，Bootloader功能對于嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用具有十分重要的意義。
1 78K0/Fx2系列單片機簡介
78K0/Fx2系列是帶CAN控制器的8位單片機，該系列單片機廣泛應用于汽車電子，智能儀表等領域。其內(nèi)置POC（可編程上電清零電路）/LVI（可編程低電壓指示器），單電壓自編程閃存，引導交換功能（閃存安全保護），具有低功耗、寬電壓范圍、超高抗干擾等性能。
78K0系列單片機支持自編程（Self-programming）。所謂自編程，是指用Flash存儲器中的駐留的軟件或程序?qū)lash存儲器進行擦除/編程的方法。通過單片機的自編程功能，可以設計Bootloader程序，通過串口等通信接口實現(xiàn)對產(chǎn)品重新編程、在線升級的功能。
以μPD78F0881為例。μPD78F0881為78KO/Fx2系列中的一款44管腳單片機，內(nèi)置32 KB Flash ROM，2 KB RAM，自帶2個串行通信接口。其內(nèi)部Flash結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了方便實現(xiàn)擦除和編程，人為地將整個Flash分成若干個block，每個block大小為1 KB。block為自編程庫函數(shù)中空白檢測、擦除、校驗的最小單位。blockO從地址0000H開始，程序都從0000H開始執(zhí)行。block0～block3共4 KB存儲空間為Bootloader程序存儲區(qū)域。block4～block31為應用程序存儲區(qū)域。
為了防止Bootloader自身的升級失敗，設計了引導交換功能。該功能定義2個簇，即Boot cluster0和Boot cluster1。Boot clustee0為block0～block3的4 KB存儲空間，Boot cluster1為block4～block7的4 KB存儲空間。因此，實際運用過程中，一般把應用程序的開始定義在2000H，也就是從block8開始。
Flash地址為0000H～FFFFH。7FFFFH～FFFFH存儲空間為保留區(qū)域以及特殊功能寄存器區(qū)域等，用戶無法對其進行編程。
2 自編程
2.1 自編程環(huán)境
2.1.1 硬件環(huán)境
FLMDO引腳是78KO/Fx2系列單片機為Flash編程模式設置的，用于控制MCU進入編程模式。在通常操作情況下，F(xiàn)LMDO引腳下拉到地。要進入自編程模式，必須使FLMDO引腳置成高電平。因此，通過一個普通I/O接口控制FLMD0引腳的電平。如圖2所示。
2.1.2 軟件環(huán)境
1）使用通用寄存器bank3，自編程庫函數(shù)，需要調(diào)用通用寄存器bank3。因此，在自編程時，不能對通用寄存器bank3操作。
2）使用100 B RAM（入口RAM）作為隱藏ROM中函數(shù)的工作區(qū)，入口RAM，是Flash存儲器自編程樣例庫所使用的RAM區(qū)域。用戶程序需要保留著塊區(qū)域，當調(diào)用庫時，需要指定這片區(qū)域的起始地址。入口RAM地址可以指定在FB00h～FE20h之間。
3）4～256 B RAM作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，必須是FE20H～FE83H以外的內(nèi)部高速RAM區(qū)域。
4）最大39 B RAM作為隱藏ROM函數(shù)的堆棧。
5）隱藏ROM中的函數(shù)被0000H～7FFFH中的應用程序調(diào)用。
2.2 自編程流程
自編程功能利用自編程軟件庫完成用戶程序?qū)lash內(nèi)容的重新編程。如果在自編程的過程中有中斷發(fā)生，那么自編程將暫停來響應中斷。中斷結(jié)束，自編程模式恢復后，自編程過程將繼續(xù)進行。采用匯編語言編寫78K0/Fx2自編程軟件庫，如表1所示。
自編程操作流程如圖3所示，當單片機收到自編程執(zhí)行信號時，開始進入自編程模式。將FLMDO引腳設置成高電平，初始化入口RAM，為自編程庫函數(shù)開辟空間。當確認FLMD0為自編程狀態(tài)時，開始檢查需要編程區(qū)域是否為空白區(qū)域。當被編程區(qū)域不是空白區(qū)域時，先將其擦除，然后在此區(qū)域進行編程。編程結(jié)束后進行校驗。若校驗無誤，則將FLMDO引腳設置成低電平，退出自編程模式。
3 引導交換（boot swap）
產(chǎn)品程序的升級包括應用程序的升級和引導程序（Bootloader自身）的升級。為了防止引導程序在升級的過程中發(fā)生錯誤，從而導致MCU無法啟動，設計了引導交換功能。以圖4說明引導交換的實現(xiàn)過程。
1）舊的Boot程序首先將新的Boot程序編程到交換引導簇1（Boot cluster 1），然后設置啟動交換標志位，并強迫看門狗復位。
2）復位啟動后，MCU看到交換標志位，便從交換引導簇1處開始啟動。交換引導簇1處的新Boot程序?qū)z查交換標志位。如果交換標志位被置1，則新的Boot程序?qū)⒉脸粨Q引導簇0（Boot cluster 0）區(qū)域，并將自身復制到交換引導簇O，然后將交換標志位清零，強迫看門狗復位。
3）復位啟動后，MCU看到交換標志位被清零。又從交換引導簇0處開始執(zhí)行。這樣就完成了boot程序自身的升級。即使在升級過程中遇到斷電等異常情況，在重新上電后也能重新完成Boot程序升級。有效地防止在升級過程中出現(xiàn)斷電等等異常情況而導致升級失敗，MCU無法啟動的問題，使Boot程序的升級變得安全可靠。
Bootloader是在單片機上電啟動時執(zhí)行的一小段程序。也稱作固件，通過這段程序，可以初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用應用程序準備好正確的環(huán)境。
Boot代碼由MCU啟動時執(zhí)行的指令組成。這里的loader指向MCU的Flash中寫入新的應用程序。因此，Bootloader是依賴于特定的硬件而實現(xiàn)的，因此，在眾多嵌入式產(chǎn)品中目前還不可能實現(xiàn)通用Bootloader。
Bootloader的最大優(yōu)點是：在不需要外部編程器的情況下，對嵌入式產(chǎn)品的應用代碼進行更新升級。它使得通過局域網(wǎng)或者Intemet遠程更新程序成為可能。例如，如果有5 000個基于MCU的電能表應用程序需要更新，電能表制造商的技術(shù)人員就可以避免從事對每一個電能表重新編程的巨大工作量，通過使用Bootloader的功能，由控制中心通過電能表抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡，遠程對5 000個電表重新編程。可見，Bootloader功能對于嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用具有十分重要的意義。
1 78K0/Fx2系列單片機簡介
78K0/Fx2系列是帶CAN控制器的8位單片機，該系列單片機廣泛應用于汽車電子，智能儀表等領域。其內(nèi)置POC（可編程上電清零電路）/LVI（可編程低電壓指示器），單電壓自編程閃存，引導交換功能（閃存安全保護），具有低功耗、寬電壓范圍、超高抗干擾等性能。
78K0系列單片機支持自編程（Self-programming）。所謂自編程，是指用Flash存儲器中的駐留的軟件或程序?qū)lash存儲器進行擦除/編程的方法。通過單片機的自編程功能，可以設計Bootloader程序，通過串口等通信接口實現(xiàn)對產(chǎn)品重新編程、在線升級的功能。
以μPD78F0881為例。μPD78F0881為78KO/Fx2系列中的一款44管腳單片機，內(nèi)置32 KB Flash ROM，2 KB RAM，自帶2個串行通信接口。其內(nèi)部Flash結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了方便實現(xiàn)擦除和編程，人為地將整個Flash分成若干個block，每個block大小為1 KB。block為自編程庫函數(shù)中空白檢測、擦除、校驗的最小單位。blockO從地址0000H開始，程序都從0000H開始執(zhí)行。block0～block3共4 KB存儲空間為Bootloader程序存儲區(qū)域。block4～block31為應用程序存儲區(qū)域。
為了防止Bootloader自身的升級失敗，設計了引導交換功能。該功能定義2個簇，即Boot cluster0和Boot cluster1。Boot clustee0為block0～block3的4 KB存儲空間，Boot cluster1為block4～block7的4 KB存儲空間。因此，實際運用過程中，一般把應用程序的開始定義在2000H，也就是從block8開始。
Flash地址為0000H～FFFFH。7FFFFH～FFFFH存儲空間為保留區(qū)域以及特殊功能寄存器區(qū)域等，用戶無法對其進行編程。
2 自編程
2.1 自編程環(huán)境
2.1.1 硬件環(huán)境
FLMDO引腳是78KO/Fx2系列單片機為Flash編程模式設置的，用于控制MCU進入編程模式。在通常操作情況下，F(xiàn)LMDO引腳下拉到地。要進入自編程模式，必須使FLMDO引腳置成高電平。因此，通過一個普通I/O接口控制FLMD0引腳的電平。如圖2所示。
2.1.2 軟件環(huán)境
1）使用通用寄存器bank3，自編程庫函數(shù)，需要調(diào)用通用寄存器bank3。因此，在自編程時，不能對通用寄存器bank3操作。
2）使用100 B RAM（入口RAM）作為隱藏ROM中函數(shù)的工作區(qū)，入口RAM，是Flash存儲器自編程樣例庫所使用的RAM區(qū)域。用戶程序需要保留著塊區(qū)域，當調(diào)用庫時，需要指定這片區(qū)域的起始地址。入口RAM地址可以指定在FB00h～FE20h之間。
3）4～256 B RAM作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，必須是FE20H～FE83H以外的內(nèi)部高速RAM區(qū)域。
4）最大39 B RAM作為隱藏ROM函數(shù)的堆棧。
5）隱藏ROM中的函數(shù)被0000H～7FFFH中的應用程序調(diào)用。
2.2 自編程流程
自編程功能利用自編程軟件庫完成用戶程序?qū)lash內(nèi)容的重新編程。如果在自編程的過程中有中斷發(fā)生，那么自編程將暫停來響應中斷。中斷結(jié)束，自編程模式恢復后，自編程過程將繼續(xù)進行。采用匯編語言編寫78K0/Fx2自編程軟件庫，如表1所示。
自編程操作流程如圖3所示，當單片機收到自編程執(zhí)行信號時，開始進入自編程模式。將FLMDO引腳設置成高電平，初始化入口RAM，為自編程庫函數(shù)開辟空間。當確認FLMD0為自編程狀態(tài)時，開始檢查需要編程區(qū)域是否為空白區(qū)域。當被編程區(qū)域不是空白區(qū)域時，先將其擦除，然后在此區(qū)域進行編程。編程結(jié)束后進行校驗。若校驗無誤，則將FLMDO引腳設置成低電平，退出自編程模式。
3 引導交換（boot swap）
產(chǎn)品程序的升級包括應用程序的升級和引導程序（Bootloader自身）的升級。為了防止引導程序在升級的過程中發(fā)生錯誤，從而導致MCU無法啟動，設計了引導交換功能。以圖4說明引導交換的實現(xiàn)過程。
1）舊的Boot程序首先將新的Boot程序編程到交換引導簇1（Boot cluster 1），然后設置啟動交換標志位，并強迫看門狗復位。
2）復位啟動后，MCU看到交換標志位，便從交換引導簇1處開始啟動。交換引導簇1處的新Boot程序?qū)z查交換標志位。如果交換標志位被置1，則新的Boot程序?qū)⒉脸粨Q引導簇0（Boot cluster 0）區(qū)域，并將自身復制到交換引導簇O，然后將交換標志位清零，強迫看門狗復位。
3）復位啟動后，MCU看到交換標志位被清零。又從交換引導簇0處開始執(zhí)行。這樣就完成了boot程序自身的升級。即使在升級過程中遇到斷電等異常情況，在重新上電后也能重新完成Boot程序升級。有效地防止在升級過程中出現(xiàn)斷電等等異常情況而導致升級失敗，MCU無法啟動的問題，使Boot程序的升級變得安全可靠。
4 Bootloadler設計
4.1 簡單的Bootloader
一個簡單的Bootload包括5個元素。
1）啟動 Bootloader的信號 Bootloader程序是在執(zhí)行應用程序之前所執(zhí)行的一小段程序，當Bootloader程序把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給應用程序后，在MCU復位前，Bootloader程序?qū)⒉辉賵?zhí)行。因此，需要產(chǎn)生一個信號觸發(fā)MCU開始Bootloader程序。該信號可以是中斷，也可以通過串口傳送的一條指令，或者是別的程序觸發(fā)的信號。
2）執(zhí)行 Bootloader的信號 單片機程序啟動時，MCU是裝載新的應用程序還是執(zhí)行已經(jīng)存在的程序取決于外部信號。該信號可以是上電時的一個端口信號，用來控制MCU裝載新程序還是執(zhí)行舊程序，也可以是從串口接收到的指令等。
3）將新的代碼傳送給MCU 通過RS485、I2C、CAN或者USB傳送新的應用程序數(shù)據(jù)。因為要傳送的代碼一般會超過MCU的RAM容量，因此需要一些控制數(shù)據(jù)流量的措施。一般使用XON/XOFF軟件握手協(xié)議，傳送代碼的格式一般選擇Intel hex格式。
4）Flash新代碼的自動編程 每次MCU接收到一批新的數(shù)據(jù)，就要將其編程到正確的Flash地址。如果該地址非空白，MCU在編程前必須先擦除。一般在編程中或者編程后還需要檢查存儲器的內(nèi)容。
5）將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給有效的應用程序 在接收和編程了新的代碼后，Bootloader寫一個校驗和或者其他唯一字節(jié)序列到一個固定的存儲單元。Bootloader檢測該值，如果該值存在，Bootloader就將控制權(quán)傳給應用程序。
4.2 Intelhex格式
在線升級的程序代碼采用編譯器輸出的Intel hex格式文件。Intel hex文件常用來保存單片機或其他微處理器的程序代碼。它保存物理程序存儲區(qū)中的目標代碼映象。一般的編程器都支持這種格式。Intel hex文件記錄中的數(shù)字都是十六進制格式。在InteI hex文件中，每一行包含一個HEX記錄。Intel hex文件通常用于傳輸將被存于Flash或者EEPROM中的程序和數(shù)據(jù)。Intel hex由任意數(shù)量的十六進制記錄組成。每個記錄包含5個域，它們按照圖5所示格式排列。
每一個部分至少由2個十六進制編碼字符組成。它們構(gòu)成1個字節(jié)。每一個部分的意義如下所述：
1）每個Intel hex記錄都由冒號開頭，自編程的過程中以此判斷一個Intel hex記錄的開始。
2）數(shù)據(jù)長度代表當前記錄中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量。
3）地址代表當前記錄中數(shù)據(jù)在存儲區(qū)域中的起始地址。
4）HEX記錄類型有如下4種：00-數(shù)據(jù)記錄;01-文件結(jié)束記錄;02-擴展段地址記錄;03-轉(zhuǎn)移地址記錄。NEC編譯器輸出的Intel hex文件中。只包含數(shù)據(jù)類型00和01。其中O1作為自編程過程中數(shù)據(jù)結(jié)束的判定標志。
5）數(shù)據(jù)域分用于存儲需要寫入Flash中的內(nèi)容，一個記錄可以有許多數(shù)據(jù)字節(jié)。記錄中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量必須與數(shù)據(jù)長度中的值相符。
6）校驗和是取記錄中從數(shù)據(jù)長度到數(shù)據(jù)域最后一個字節(jié)的所有字節(jié)總和的2的補碼。
根據(jù)以上說明，必須在程序中對接收到的Inter hex文件進行解碼，獲取數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)地址，并對收到的數(shù)據(jù)進行校驗，然后將接收正確的數(shù)據(jù)編程到Flash相應的地址上。
4.3 Bootloader設計思路
單片機收到啟動信號后，重新啟動程序。啟動的時候首先執(zhí)行Boot代碼，Boot代碼檢查是否收到執(zhí)行升級信號。如果需要升級程序，則通過串口或者其他通信接口接收新的應用程序，loader程序向單片機Flash中寫入新的應用程序代碼。最后通過檢查校驗位檢測程序是否有效。如果有效，則Bootloader將CPUMCU控制權(quán)交給應用程序。整個升級過程完成。Bootloader執(zhí)行過程如圖6所示。
需要注意的是Bootloader自身的更新和應用程序的更新還需區(qū)別處理。通過辨別接收到數(shù)據(jù)的編程地址來判斷是Bootloader更新還是應用程序更新。若編程地址從0000H開始，則為Bootloader更新。Bootloader更新則需要執(zhí)行引導交換（boot swap）功能;若為應用程序更新，自編程結(jié)束后，直接將CPU交給應用程序。
5 結(jié)束語
本文探討了78KO/FC2系列μPD78F0881單片機的自編程功能以及Bootloader的設計方法。具體描述了通過單片機串口對相應的應用程序通過Bootloader進行升級。此版本的Bootloader使用晶振20 MHz，通過串口Uart60，設置波特率為115 200，在μPD78F0881單片機上成功實現(xiàn)了用戶應用程序的升級更新。在接下來的工作中，Bootloader的設計應當面向更多的通信接口。例如，通過CAN總線接口升級，通過USB接口升級等等。