基于自編程功能的MCU Bootloader設計

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程序將檢查交換標志位。如果交換標志位被置1，則新的Boot程序將擦除交換引導簇0(Boot cluster 0)區域，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程序是在執行應用程序之前所執行的一小段程序，當Bootloader程序把控制權轉交給應用程序后，在MCU復位前，Bootloader程序將不再執行。因此，需要產生一個信號觸發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的信號。
2)執行 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行已經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據。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據流量的措施。一般使用XON／XOFF軟件握手協議，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接收到一批新的數據，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容。
5)將控制權轉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中的程序和數據。Intel hex由任意數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。它們構成1個字節。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)數據長度代表當前記錄中數據字節的數量。
3)地址代表當前記錄中數據在存儲區域中的起始地址。
4)HEX記錄類型有如下4種：00-數據記錄；01-文件結束記錄；02-擴展段地址記錄；03-轉移地址記錄。NEC編譯器輸出的Intel hex文件中。只包含數據類型00和01。其中O1作為自編程過程中數據結束的判定標志。
5)數據域分用于存儲需要寫入Flash中的內容，一個記錄可以有許多數據字節。記錄中的數據字節數量必須與數據長度中的值相符。
6)校驗和是取記錄中從數據長度到數據域最后一個字節的所有字節總和的2的補碼。
根據以上說明，必須在程序中對接收到的Inter hex文件進行解碼，獲取數據以及數據地址，并對收到的數據進行校驗，然后將接收正確的數據編程到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。啟動的時候首先執行Boot代碼，Boot代碼檢查是否收到執行升級信號。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控制權交給應用程序。整個升級過程完成。Bootloader執行過程如圖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別處理。通過辨別接收到數據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更新則需要執行引導交換(boot swap)功能；若為應用程序更新，自編程結束后，直接將CPU交給應用程序。

5 結束語
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。Bootloader技術的開發和廣泛應用，必將成為嵌入式產品開發的重要部分，為網絡化產品的應用和開發，特別是后期維護、升級帶來極大的便利。