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本文詳細介紹了在某直放站監控系統中實現的基于C8051F130 的遠程在線程序升級系統的設計思路和方法。并提出了一些實際編程中需要注意的問題如KEIL 中程序的定位和C8051F130 程序切換時的PLL 設置等。 1. 引言 目前，采用FLASH 存儲介質來作為程序存儲器的單片機種類越來越多。和其他類型如OTP、EPROM 型單片機比較起來，FLASH 具有可擦寫方便，次數多，編程無需外加高電壓等特點。絕大多數FLASH 型單片機都可在運行時通過指令來直接擦寫內部FLASH，提供了IAP、ISP 功能，借助這個功能，就可以實現系統底層固件的在線升級功能。 C8051F130 單片機是SILICON LABS推出的完全集成的混合信號片上系統型MCU 芯片，功能十分強大。其采用高速、流水線結構的8051 兼容的CIP-51 內核，內部PLL可倍頻至100MIPS，具有2個串口，128KB 可在系統編程的FLASH 存儲器，8448（8K+256）字節的片內RAM，并包含了片內JTAG 調試電路。其功能完全滿足實現遠程在線程序升級系統的條件。 在專用網絡系統中實現遠程在線程序升級,其優點顯而易見,不僅極大的為系統維護提供了方便，還節省了大量的人力財力。本文詳細介紹了在某直放站監控系統中實現的基于C8051F130的遠程在線程序升級系統的設計思路和方法。 2. 設計思路 系統組網拓撲結構如圖1 所示，正常工作時，網管中心通過有線或無線通道對所屬各站點下位機狀態進行監控。網管中心通過查詢各站點下位機參數得到下位機固件版本號，如果固件版本號和現有最新固件版本號不同，則直接發送第一幀程序升級數據啟動遠程程序升級過程。因為監控系統需要實時工作，所以程序的升級也就必須在站點下位機系統工作過程中完成。在網管中心發送程序升級數據的過程中，站點下位機系統依然正常工作，只有全部接收完程序升級數據并校驗通過后，才跳轉到Bootloader 程序進行程序升級。 
下位機硬件框圖如圖2 所示，CPU 選擇C8051F130，其他部分包括控制輸入輸出部分，人機接口電路，RS232 接口，EEPROM 器件24C16 等。RS232 接口作為系統的通訊接口可以外接電話MODEM或短信MODEM 等標準模塊，和網管中心組成有無線網絡，其所采用的具體形式不影響本文所述的遠程升級系統。EEPOM 器件24C16 由于可擦寫次數比FLASH 多，用來存儲系統的關鍵參數。
由于51 系列單片機外部總線地址為16 位，能直接尋址的最大范圍為64KB，所以C8051F130 將內部的128KB FLASH 程序存儲空間被分成了4 塊，BLOCK0、BLOCK1、BLOCK2、BLOCK3。每塊大小為32KB，0x0000~0x7FFF 地址空間始終為BLOCK0，作為公共段。可以通過設置程序存儲器空間塊選擇寄存器PSBANK 來選擇常量操作和取指操作地址在0x8000 ~0xFFFF 所指向的塊。
COBANK：常量操作存儲塊選擇位。 這兩位選擇常量操作（MOVC 和FLASH MOVX）地址在0x8000 ~0xFFFF 范圍的FLASH 存儲塊。 00：常量操作指向存儲塊0（注意，塊0 也映射到地址0x0000 ~0x7FFF）。 01：常量操作指向存儲塊1。 10：常量操作指向存儲塊2。 11：常量操作指向存儲塊3。 IFBANK：取指操作存儲塊選擇位這兩位選擇取指操作（地址在0x8000 ~0xFFFF 范圍）的FLASH 存儲塊。這兩位只能由位于BLOCK0 的程序改寫。 00：從存儲塊0 取指令（注意，塊0 也映射到地址0x0000 ~0x7FFF）。 01：從存儲塊1 取指令。 10：從存儲塊2 取指令。 11：從存儲塊3 取指令。 FLASH 的設計分配方案如下：
BLOCK0、BLOCK1 作為默認的64KB 程序存儲區空間，存儲正常工作時的固件程序。我們所使用的程序不會超過60KB，0x0000~0xEFFF 地址區60KB 空間用于存儲系統主程序，0xF000~0xFFFF 地址地址區4KB 空間用于存儲Bootloader 程序。 BLOCK2、BLOCK3 作為64KB 常量存儲區，用于存儲系統運行過程中接收到的程序升級數據。 如果要遠程對某指定站點的固件進行升級時，網管中心對該站點分幀發送程序升級數據，升級數據協議格式如下：
網管中心發送程序升級數據幀時，每幀數據大小固定為512 字節，幀序號從1 開始。從功能標志處起到數據部分最后一字節做累加和作為校驗碼。最后一幀不足512 字節部分加0xFF 補足。在發送過程中，由于每幀數據以0x1002 開始，0x1003 結束，中間碰到0x10 時，要再補發0x10。接收時除了幀頭幀尾，在幀中間時如果連續接收到兩個0x10，則需要去掉一個。 指定站點在成功接收完一幀程序升級數據后，如果校驗通過則擦除對應的BLOCK2 或者BLOCK3中的扇區。這里需要注意的是，C8051F130 的FLASH 扇區大小是1024 字節，而我們的數據幀大小定為512 字節，所以應該接收到每兩幀數據才擦除對應的扇區。將程序升級數據寫入FLASH 中，同時對每幀512 字節的程序升級數據做累加，并將其累加和作為校驗碼寫入EEPROM 指定位置，最后給出正確回應。如果校驗錯誤，則回應錯誤。網管中心接收到錯誤回應時應該重發上一幀數據，否則繼續發送下一幀數據。如果幀序號等于總幀數，說明指定站點接收到最后一幀數據，置需要進行程序升級標志，此標志至關重要，因此將其存儲在EEPROM 中，為增加其可靠性，另外還存儲其反碼作為校驗， 然后直接跳轉Bootloader 程序，以升級主程序。
程序跳轉到Bootloader 程序執行后，首先必須要檢查程序升級標志，如果為真，再檢查其校驗碼，只有兩者都符合預設的值，才認為確實需要進行程序升級。否則跳轉到主程序區執行。 程序升級過程如下：首先讀出24C16 中存儲的程序升級數據的總幀數，為防止寫入到BLOCK2/3中的程序升級數據有錯誤，從BLOCK2/3 中讀出每一幀512 字節的數據進行累加，檢查其是否和存儲在24C16 中的對應數據幀的累加校驗碼相等。如果所有的的程序升級數據校驗都通過，則說明數據正確，開始擦除主程序區FLASH，并再次讀出BLOCK2/3 中的程序升級數據寫入主程序區FLASH。完成后擦除程序升級標志，跳轉到主程序區開始執行新版本固件程序。在讀出校驗過程中，只要有一幀數據校驗通不過，則認為寫入到BLOCK2/3 的程序升級數據發生錯誤，為保證系統安全，擦除程序升級標志，跳轉到主程序區執行原版本程序，并等待下一次升級。 3. 需要注意的問題 3.1 項目管理問題 下位機固件程序中實際包含兩個獨立的部分，Bootloader 程序和主程序。我們在KEIL 中分別為這兩部分的建立獨立的項目文件，分別編譯。燒寫編譯后產生的HEX 文件時，應該先擦除FLASH 后，燒寫Bootloader 程序，然后在不擦除之前內容的情況下燒寫主程序。 3.2 Bootloader 的存儲位置 Bootloader 程序必須保證在上電過程后立即運行，而51 單片機的中斷向量存放在低地址處。所以Bootloader 程序不能存儲在低地址處，必須存放到高地址處，本例中，留出0xF000~0xFFFF 4KB 的FLASH 空間作為Bootloader 程序存儲區。在KEIL 開發環境中，默認會為項目文件提供初始化文件STARTUP.A51 來清空RAM 空間，以及調用初始化全局變量代碼段。其默認起始地址安排在0x0000處。為保證上電過程后立即運行Bootloader，我們在起始處還必須要手動修改匯編指令如下：
以上代碼編譯時強制在0x0000 處放置一條跳轉到 0xF000 處的指令，這就保證了保證在上電過程后立即跳轉到Bootloader 程序運行。為了將Bootloader 程序的所有代碼定位在0xF000~0xFFFF 范圍內，要對KEIL 的BL51 定位選項設置如下：
主程序同樣有代碼定位的問題。為保證程序升級后能正常工作，修改主程序的STARTUP.A51 文件如下：
這里保證執行主程序也是先跳轉到Bootloader 程序，而將0x0006 設為了主程序的起始地址，避免了對中斷向量表的占用。 另外還要將主程序的編譯代碼進行定位。設置和圖4 中類似，只是將Code Ranger 設為主程序的代碼空間：0x0000~0xEFFF。 3.3 程序跳轉時的PLL 設置 C8051F130 內部帶有PLL，最高主頻可達100MHz。在本系統設計中，外部晶振頻率為11.0592MHz， 在Bootloader 程序和主程序中都通過使能PLL，倍頻至99.5328MHz 作為系統時鐘。在上電后，C8051F130 默認是以內部時鐘作為系統時鐘的，通過執行初始化程序，系統再切換到以PLL 輸出為系統時鐘的工作環境上來。如果通過Silicon Labs 公司提供的初始化軟件CONFIG2 來配置初始化C8051F130 的代碼的話，在初始化PLL 的過程中，會關閉PLL 模塊。 // 一個由 CONFIG2 生成的系統時鐘初始化程序， // 注意：在調用此函數時，系統時鐘是由內部振蕩器產生。 void Oscillator_Init() { int i = 0; SFRPAGE = CONFIG_PAGE; // 切換到對應的寄存器頁 OSCXCN = 0x67; // 選擇外部晶振，頻率11.0592MHz. for (i = 0; i < 3000; i++); // Wait 1ms for initialization while ((OSCXCN & 0x80) == 0); // 檢測晶振是否已穩定，如果穩定，繼續執行下面的程序。 PLL0CN = 0x04; // 選擇PLL 源時鐘為外部晶振，PLL 保持在復位狀態，偏置發生器被禁止 CCH0CN &= ~0x20; // 禁止預取引擎。 SFRPAGE = LEGACY_PAGE; // 切換到對應的寄存器頁 FLSCL = 0xB0; // FLASH 讀時間,SYSCLK <= 100 MHz SFRPAGE = CONFIG_PAGE; CCH0CN |= 0x20; // 允許預取引擎。 PLL0CN |= 0x01; // PLL 偏置發生器被使能 PLL0DIV = 0x01; // PLL 預分頻值 PLL0FLT = 0x07; // PLL 濾波器參數 PLL0MUL = 0x09; // PLL 時鐘倍頻寄存器 for (i = 0; i < 15; i++); // 等待PLL 初始化。 PLL0CN |= 0x02; // PLL 被使能 while ((PLL0CN & 0x10) == 0); // 等待PLL 輸出頻率已經鎖定。 CLKSEL = 0x02; // 選擇PLL 輸出為系統時鐘 OSCICN &= ~0x80; // 關閉內部振蕩器。 } 如果使用這段代碼初始化PLL 模塊，在主程序跳轉到Bootloader 程序，或者由Bootloader 程序跳轉到主程序時，必須考慮PLL 的設置問題。因為原工作時鐘是PLL 的輸出，而直接切換到另外一個程序中時，執行以上代碼會關閉PLL 系統時鐘，導致系統時鐘丟失，工作不正常。一個更安全的做法是在程序間互相跳轉之前，將系統時鐘切換到上電后默認的內部時鐘上。代碼如下所示： // 跳轉到Bootloader 程序處開始執行， // 因為在此Bootloader 程序中采用PLL 作為系統時鐘， // 所以跳轉之前，應該將時鐘切換到內部振蕩器或外部時鐘。 // 本函數切換到內部時鐘 void GotoBootLoader(void) { #define BOOTLOADER_ADDR 0xF000 SFRPAGE = CONFIG_PAGE; OSCICN = 0xC0; // 使能內部振蕩器,且8 分頻,其起振時間短,無需延時。 CLKSEL = 0x00; // 選擇內部時鐘作為系統時鐘。 PLL0CN = 0x00; // 關閉PLL。 ((void (code *)(void)) BOOTLOADER_ADDR)(); // 程序跳轉到Loaded 的代碼運行,正常情況下永遠不會返回 } 3.4 寄存器頁的切換 C8051F130 內部功能模塊多，其控制寄存器也多，為了合理安排控制寄存器位置，采用了寄存器頁控制寄存器SFRPAGE 來將相同的地址切換到不同的控制寄存器。除了中斷函數自動切換到對應的寄存器頁外，當在程序中對某個寄存器操作前，需要設置SFRPAGE 切換到對應的寄存器頁。因此，在C51 語言編寫的程序中，涉及到寄存器操作的模塊函數中，需要在執行之前保存SFRPAGE 寄存器值，處理完畢后再恢復先前的SFRPAGE 寄存器值。相當于對SFRPAGE 寄存器值做一次出入棧。示例代碼如下： void PutUnchar(uchar ch) //顯示字符 { uchar SFRPAGE_SAVE = SFRPAGE; // 保存 SFRPAGE // 其他局部變量定義 // 函數執行代碼部分,包含對指定寄存器的操作 SFRPAGE = SFRPAGE_SAVE; // 恢復SFRPAGE } 4. 總結 通過在系統工作過程中接收程序升級數據，存入內部FLASH，全部接收完成后再集中升級主程序的方法，充分利用了C8051F130 的內部FLASH 空間，對系統的實時工作影響小，僅在Bootloader 程序運行期間不能正常工作，減小了通訊網絡通訊狀況差時對遠程在線更新程序造成的風險。 基于以上方法，已經成功設計出可遠程在線升級程序的直放站監控系統，使用情況表明，該系統能穩定可靠工作，且為系統的維護節省了大量的工作量。本文介紹的在線程序升級設計方案，雖然是基于C8051F130 單片機的，但對其他類型的在線程序升級設計都有很好的參考作用。 參考文獻： [1] Silicon Laboratories Inc.C8051F12X_13X DataSheet.2003. [2] Keil Software Inc. uVison3 HELP. 作者：泉州鐵通電子設備有限公司 高時兵 馬宏平 陳建福 來源：單片機與嵌入式系統應用 2008 (9) |
