C8051F130的遠程在線升級程序設計

　　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。