8051單片機在線升級軟件的實現方法
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1 基本原理
類似于其他引導裝載升級程序的方法，在系統中必須始終存在一段用于程序裝載的代碼（bootloader），該代碼在啟動時被運行。其基本功能是根據外部條件來判斷是運行現有版本的程序還是從主機下載新程序。8051具有選擇執行片內或者片外程序的功能，而對片內E2PROM編程過程相對比較復雜，因此這里將程序引導裝載代碼燒結在內部程序空間中，并不準備改變；而將系統應用程序存放在片外一編程相對簡單和獨立的E2PROM內，是隨時可以更新的部分。通過外圍電路的支持，單片機上電復位時首先執行片內的裝載程序，如圖1所示。該裝載代碼將應用程序從E2PROM拷貝到外部存儲器（RAM）中以備執行，同時還通過通信接口監系統程序裝載執行過程聽主機命令。當收到主機更新程序的請求后，立即接收新的應用程序內容，并在最終確認后寫入擴展E2PROM內。當片內程序執行完畢后，系統軟件復位并執行片外RAM中的程序，而RAM的內容正是由裝載所決定的。如果CPU再次復位，那么將重復上述裝載執行過程。
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圖1 |
值得注意的是，在對外部程序存儲器訪問時，8051單片機只提供讀指令（MOVC）而并不具備寫指令。但是從單片機對外部程序和數據存儲器的訪問時序上看具有一致性，不同的是讀代碼使用PSEN信號而讀數據使用RD信號。同時，單片機的PSEN﹑RD和WR信號不會同時有效，因此將PSEN和RD邏輯合并后，可以使程序和數據合二為一讀寫成為可能。這樣同一個地址單元RD、WR（MOVX）和PSEN（MOVC）均可以進行訪問。單片機可以使用MOVX寫指令來更改相當于其外部程序空間中的內容。特別要注意的是，當程序和數據共存于一片RAM中時，必須使用編譯器提供的相關連接命令使數據區偏離代碼可能占用的區域，否則會導致系統混亂。
2 硬件電路
硬件參考電路如圖2所示。系統加電后，由于C3兩端電壓不能瞬變，使D觸發器置1端保持一短暫低電平，強制將單片機EA信號置高。在U4看門狗上電復位信號撤銷后，單片機開始從內部程序空間0地址起執行。內部裝載程序先通過P1.4、P1.5模擬I2C總線時序從E2PROMU3中將應用程序代碼拷貝到片外RAM從0地址起的空間中。如果到代碼拷貝結束串行口一直沒有收到預定的程序下載命令，則通過軟件置低P1.6口觸發看門狗芯片對單片機復位，在復位脈沖的上升沿，D觸發器鎖存其輸出的信號使EA電平翻轉為低電平。待復位信號撤銷后，單片機開始執行位于外部程序空間的系統應用程序代碼。在執行外部程序時，如果看門狗再次復位，EA將會恢復高電平并重新執行內部裝載程序。
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圖2 引導裝載電路 |
當上位機欲更改終端設備程序時，可通過串口向其發送特定的握手字符串，無論片外程序還是片內程序最好都能識別該字符串并且復位單片機（如果是正在運行外部程序）執行內部裝載程序。裝載程序就緒后向上位機發送確認回應，并接收來自上位機的程序代碼。單片機通過置低P1.3允許E2PROM寫操作，將新的內容寫入E2PROM中，完成程序的更新。
3 軟件設計
裝載程序主要有兩個功能，其一是要將E2PROM的內容拷貝到片外RAM中；其二是要響應上位機的更新程序命令并接收代碼內容更新E2PROM。
#define uchar unsigned char
#define uintunsigned int
sbit WDI=P1^7;
sbit RESET=P1^6;/*聲明外部I2C讀寫函數*/
extern void I2c_wr(uchar addh,uchar addl,uchar buf[],uchar num,bit wr);
void main(void) {
uchar data addh,addl;
uchar data buf[16];
uchar j;
uint I=0;
XBYTE[0x1fff]=0;/*清除程序拷貝好標志*/
WDI=~WDI; /*喂狗*/
system_init(); /*初始化*/
for(addh=0;addh0x10;addh++) {
for(addl=0;addl0xf0;addl+=16) {/*讀入E2PROM地址addh:addl16字節內容到buf*/
I2c_wr(addh,addl,buf,16,1);
for(j=0;j16;j++)/*將代碼寫入外部絕對地址*/
XBYTE[I++]=buf[j];
}
I2c_wr(addh,0xf0,buf,16,1);
for(j=0;j16;j++)
XBYTE[I++]=buf[j];
WDI=~WDI;
}
if(shake_hand==1) {/*shake_hand由串口中斷收到握手命令后置1*/
rcv_data(); /*該函數負責從上位機獲取程序*/
}
XBYTE[0x1fff]=0xaa;/*置程序拷貝好標志*/
RESET=0;/*復位單片機并執行外部RAM內的程序*/
while(1);
}
為了確保程序在裝載完全正確后才開始執行，裝載程序使用了外部RAM 0x1fff地址內容作為裝載成功的標志。那么相應的應用程序應判斷此標志后再執行。
調試結束的裝載程序燒結在單片機中，而實際的系統應用程序則存儲于外部E2PROM內。應用中，將單片機直接焊裝在電路板上，而編程者只需通過串口或者其他形式的通信鏈路甚至無線的方式來更改升級目標應用程序。
4 幾點討論
在實際應用中，最好使用嚴格的校驗及復查方法來確保程序拷貝無誤。 另外， 在從上位機下載程序時應該制定一個可靠的通信協議， 從而保證獲取的程序完全正確。 單片機在接收到上位機的代碼數據時，不要急于寫入外部E2PROM，而應先全部放在外部RAM區內，待代碼獲取完畢并且通過校驗檢查后再把RAM的內容一次性寫入E2PROM。這樣防止在獲取程序的時候通信異常中斷而E2PROM內將沒有一個可以執行的程序。
從原理上看，如果片外RAM是非易失的，就可以不再使用E2PROM。但是這樣系統成本變高且可靠性降低，因為當單片機程序跑飛時很容易產生MOVX指令而改變RAM區的內容，造成程序永久性不可恢復。而在程序跑飛的情況下，很難產生符合外部E2PROM接口的I2C寫時序，同時E2PROM還有寫保護功能。
雖然上述方法能使8051單片機系統具有遠程升級代碼的能力，但是程序裝載過程將使系統的啟動時間延長數秒，在對啟動時間要求較短的場合不能應用本文中介紹的方法。
參考文獻
1 何立民．ＭＣＳ５１系列單片機應用系統設計．北京：北京航空航天大學出版社，1990
2 Atmel公司器件手冊，2003
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