引言
Bootloader是操作系統(tǒng)在內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序,,其功能主要是完成軟硬件設(shè)備初始化,,建立內(nèi)存空間映射,從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài),,或者加載操作系統(tǒng)映像文件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件升級(jí)。針對PIC18系列單片機(jī),,目前市面上僅存在HI-TECH公司提供的Bootloader程序,并且需要借助串口調(diào)試助手,。本文基于Microchip公司的MPLAB軟件開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了一種新穎的Bootloader,,并配套編寫了PC機(jī)端上位機(jī)界面程序。其特點(diǎn)是控制靈活,,使用便利,,系統(tǒng)升級(jí)安全可靠。
1 Bootloader的實(shí)現(xiàn)
1.1 Bootloader的操作模式
Bootloader在單片機(jī)上電/復(fù)位后,、用戶程序之前先運(yùn)行,,運(yùn)行后判斷當(dāng)前是否需要進(jìn)入升級(jí)狀態(tài)。如果不需要升級(jí),,就直接運(yùn)行原有的程序,;如果需要升級(jí),,首先擦除舊的程序,然后從串口接收用戶程序,,同時(shí)寫入Flash中,。Bootloader有2種操作模式:
①啟動(dòng)加載模式,也稱為“內(nèi)核啟動(dòng)”模式,。即Bootloader從目標(biāo)機(jī)上的某個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運(yùn)行,,整個(gè)過程并沒有用戶的介入。
②下載模式,。在這種模式下,,目標(biāo)機(jī)上的Bootloader將通過串口、網(wǎng)絡(luò)連接或者USB等,,從上位機(jī)下載操作系統(tǒng)文件,,然后保存到目標(biāo)機(jī)上的Flash類固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中。Bootloader的這種模式通常在第一次安裝內(nèi)核與根文件系統(tǒng)時(shí)被使用,,此外,,以后的系統(tǒng)更新也會(huì)使用Bootl-oader的這種工作模式。
本文設(shè)計(jì)的Bootloader同時(shí)支持這兩種工作模式,,一開始啟動(dòng)時(shí)處于正常的啟動(dòng)加載模式,,但并不立即啟動(dòng)進(jìn)入內(nèi)核,而是提示延時(shí)3 s,,上位機(jī)用戶如果發(fā)送某些信息給目標(biāo)機(jī),,則切換到下載模式,否則繼續(xù)啟動(dòng)內(nèi)核,。
1.2 Intel HEX文件
Intel HEX文件是由一行行符合Intel HEX文件格式的文本所構(gòu)成的ASCII文本文件,。在Intel HEX文件中,每一行包含一個(gè)HEX記錄,。這些記錄由對應(yīng)機(jī)器語言碼和/或常量數(shù)據(jù)的十六進(jìn)制編碼數(shù)字組成,。每個(gè)記錄包含5個(gè)域:數(shù)據(jù)長度域,它代表記錄當(dāng)中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量,;地址域,,它代表記錄當(dāng)中數(shù)據(jù)的起始地址;代表HEX記錄類型的域,;數(shù)據(jù)域,,它代表一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),一個(gè)記錄可以有許多數(shù)據(jù)字節(jié),,記錄當(dāng)中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量必須和數(shù)據(jù)長度域中指定的數(shù)字相符,;校驗(yàn)和域,它表示這個(gè)記錄的校驗(yàn)和,,通過將記錄當(dāng)中所有十六進(jìn)制編碼數(shù)字對應(yīng)的值相加,,模除256,,所得余數(shù)的補(bǔ)碼即校驗(yàn)和。
1.3 Bootloader的設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)的Bootloader程序采用的編譯器是MPLAB軟件開發(fā)環(huán)境的mcc18編譯器,,升級(jí)文件格式為Intel HEX格式,。根據(jù)Intel HEX文件的格式,將文件內(nèi)容的每一行封裝成一幀,,加上幀頭和幀尾以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?,并采用半雙工的通信模式,對錯(cuò)誤幀進(jìn)行重傳,。
主程序代碼如下:
主程序流程如圖1所示,。下載系統(tǒng)映像文件并寫入程序存儲(chǔ)器的程序流程如圖2所示。
1.4 PC端操作界面的設(shè)計(jì)
PC端操作界面主要用來實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能:
①串口參數(shù)設(shè)置,。設(shè)置串口通道號(hào),、數(shù)據(jù)位數(shù)、波特率等參數(shù),。
②用戶登錄,。輸入用戶名、密碼,,與下位機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證,。
③選擇系統(tǒng)映像文件。選擇系統(tǒng)映像HEX文件,,逐行讀入并通過串口發(fā)送給下位機(jī),,如有錯(cuò)誤重新選擇。
④提示用戶系統(tǒng)更新完成(或失敗),。顯示系統(tǒng)更新進(jìn)度,,提示用戶系統(tǒng)更新結(jié)果。
2 設(shè)計(jì)中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及注意事項(xiàng)
①如果一次性將HEX文件中全部數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給目標(biāo)芯片,,則在通信過程中發(fā)生一字節(jié)的錯(cuò)誤傳輸,,就將導(dǎo)致全部數(shù)據(jù)需要重新發(fā)送;并且還要考慮到芯片的寫Flash處理速度與串口速率的大小關(guān)系,,否則將導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)的丟失。為加強(qiáng)通信的可靠性與串口速率的可變性,,本文所設(shè)計(jì)的Bootloader采用半雙工的通信模式與上位機(jī)進(jìn)行通信:以HEX文件的一行作為一幀數(shù)據(jù),,每幀數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)束后向上位機(jī)發(fā)送回復(fù)數(shù)據(jù),上位機(jī)根據(jù)回復(fù)數(shù)據(jù)判斷發(fā)送數(shù)據(jù)幀的正誤來選擇重發(fā)或繼續(xù)發(fā)送下一幀,;并且在進(jìn)行升級(jí)之前與上位機(jī)通信進(jìn)行用戶名和密碼的核對,,以確保當(dāng)前的升級(jí)操作不是誤操作。
②對PIC18系列的程序存儲(chǔ)器的寫操作每次寫入8字節(jié)的塊,,并且程序Flash單位寫入只能由1變?yōu)?,。但是HEX文件的內(nèi)容并不是按照需要生成的,,每幀的數(shù)據(jù)長度可以不同,相鄰幀的地址域的內(nèi)容也可以不同,。為此,,在對程序存儲(chǔ)器進(jìn)行寫操作時(shí),需要根據(jù)地址域內(nèi)容將數(shù)據(jù)域內(nèi)容以8字節(jié)為單位合并成數(shù)據(jù)塊,,不足8字節(jié)的要填充0xFF,。本文所設(shè)計(jì)的Bootloader程序采用一個(gè)環(huán)形Buffer的結(jié)構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)這一操作:
③芯片的默認(rèn)中斷向量的起始是0x08和0x18,這是不能改變的,,要想改變中斷向量入口地址就要在這兩個(gè)地址位置添加跳轉(zhuǎn)指令,,以跳轉(zhuǎn)到用戶程序的中斷向量入口地址。PIC18系列的程序存儲(chǔ)器的部分地址區(qū)域具有寫保護(hù)性,,為防止此區(qū)域之外的Bootloader程序被擦除或改寫,,需要對接收數(shù)據(jù)的地址域內(nèi)容進(jìn)行判斷。如果小于用戶程序起始地址,,則需要向上位機(jī)回復(fù)“寫地址錯(cuò)誤”,,并丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù)幀。
結(jié)語
實(shí)驗(yàn)證明,,本文設(shè)計(jì)的Bootloader功能穩(wěn)定,,且控制方便,可根據(jù)用戶的需要靈活改變,。譬如,,在用戶程序中添加系統(tǒng)復(fù)位機(jī)制即可實(shí)現(xiàn)在線升級(jí),為PC端操作界面添加網(wǎng)絡(luò)下載模塊即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)升級(jí),,這對于嵌入式產(chǎn)品的發(fā)布和軟件升級(jí)極其重要,。