ATMEGA128單片機(jī)的軟件遠(yuǎn)程升級(jí)

摘要：介紹了ＡＴＭＥＧＡ１２８單片機(jī)應(yīng)用中的在線編程方法。給出了軟件ＩＡＰ升級(jí)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合某市地鐵調(diào)度系統(tǒng)對(duì)ＩＡＰ升級(jí)的可靠 性和保密性等問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)單的論述。 關(guān)鍵詞：IAP F[/b][b]lash bootloader 存儲(chǔ)器 遠(yuǎn)程升級(jí) 在線升級(jí) 閃速程序存儲(chǔ)器的編程方法常見(jiàn)的有以下幾種： (１)傳統(tǒng)的并行編程方法； (２)通過(guò)串行口進(jìn)行在線編程ＩＳＰ?Ｉｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｉｌｉｔｙ：對(duì)器件或電路甚至整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)或功能重構(gòu)； (３)在運(yùn)行中，應(yīng)用程序控制下的應(yīng)用在線編程ＩＡＰ?Ｉｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ；ＩＡＰ模式簡(jiǎn)單地說(shuō)就是在某一個(gè)ｓｅｃｔｉｏｎ中運(yùn)行程序，同時(shí)對(duì)另一個(gè)ｓｅｃｔｉｏｎ進(jìn)行擦除、讀取、寫(xiě)入等操作。 ＩＳＰ方式相對(duì)于傳統(tǒng)方式有了極大的進(jìn)步，它不需要將芯片從電路板上卸下就可對(duì)芯片進(jìn)行編程，減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間，簡(jiǎn)化了產(chǎn)品制造流程，并大大降低了現(xiàn)場(chǎng)升級(jí) 的困難。而ＩＡＰ方式是對(duì)芯片的編程處于應(yīng)用程序控制之下，對(duì)芯片的編程融入在通信系統(tǒng)當(dāng)中，通過(guò)ＩＮＴＥＲＮＥＴ網(wǎng)絡(luò)來(lái)升級(jí)指定目標(biāo)芯片的軟件。 圖1 某城市地鐵調(diào)度指揮系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 隨著芯片技術(shù)的高速發(fā)展，各廠家相繼推出了自己的支持ＩＳＰ／ＩＡＰ編程模式的芯片，如美國(guó)ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴＭＥＧＡ１２８、 ＡＴＭＥＧＡ１６９，Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司的ＳＳＴ８９Ｃ５４／５８ｊ等。其中美國(guó)ＡＴＭＥＬ公司推出的ＡＴＭＥＧＡ１２８是基于ＡＶＲ ＲＩＳＣ的低功耗８位單片機(jī)，最高工作頻率可達(dá)１６ＭＨｚ，具有１２８ＫＢ ＦＬＡＳＨ內(nèi)部存儲(chǔ)應(yīng)用器、４ＫＢ ＥＥＰＲＯＭ和ＳＲＡＭ數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，最大可達(dá)４０９６字節(jié)的獨(dú)立加密位的可選ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序代碼區(qū)，以及相應(yīng)的專門(mén)用來(lái)支持（ＩＡＰ）操作的 操作控制寄存器ＳＰＭＣＲ。近年來(lái)該型單片機(jī)以其優(yōu)良而穩(wěn)定的性能廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中。 １ 利用ＡＴＭＥＧＡ１２８構(gòu)成的遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng) １．１系統(tǒng)組成 圖１給出了某城市地鐵調(diào)度指揮系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信采用輪詢方式。 該系統(tǒng)主要設(shè)備包括若干個(gè)基臺(tái)站、主控單元、基站控制中心、語(yǔ)音交換單元。 各設(shè)備的主要功能為：基站臺(tái)用來(lái)接收車(chē)載臺(tái)的數(shù)字信令和語(yǔ)音信號(hào)；主控單元協(xié)調(diào)各子節(jié)點(diǎn)動(dòng)作并監(jiān)視各子節(jié)點(diǎn)狀態(tài)；基站控制中心既是主控單元的子節(jié)點(diǎn)又是各 基站臺(tái)的主節(jié)點(diǎn)，輔助主控單元完成對(duì)各基站臺(tái)的控制，協(xié)調(diào)各基站臺(tái)動(dòng)作，搜集各基站臺(tái)傳來(lái)的消息和監(jiān)視各基站臺(tái)狀態(tài)；ＰＣＭ交換單元在主控單元控制下完成 語(yǔ)音交換功能。 １．２ 系統(tǒng)軟件ＩＡＰ升級(jí) 在不影響整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，為實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的軟件升級(jí)，可將要升級(jí)的程序代碼通過(guò)寫(xiě)碼軟件轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)信令，以透明傳輸?shù)姆绞絺鬏?下載到目 標(biāo)節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)的信令格式采用表１所示的代碼幀格式。其中幀傳輸控制字節(jié)為５字節(jié)，操作控制字節(jié)為４字節(jié)，代碼數(shù)據(jù)為３２字節(jié)。 表1 代碼幀格式 目的地址 源地址 字節(jié)長(zhǎng)度 Y 下載目標(biāo)地址 控制字 RAMPZ ZH ZL 代碼數(shù)據(jù) 為保證代碼傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，本系統(tǒng)采用反饋比對(duì)的方式，以監(jiān)控終端向基臺(tái)站的代碼傳輸為例，代碼由監(jiān)控終端傳輸?shù)交_(tái)站，基臺(tái)站收到代碼后，再反饋回監(jiān)控終 端。監(jiān)控終端將收到的代碼與發(fā)送的代碼作比較，比較結(jié)果一致時(shí)傳輸下一代碼幀，不一致時(shí)重復(fù)傳輸上一代碼幀。 系統(tǒng)根據(jù)代碼幀的下載目標(biāo)地址，自動(dòng)尋址將代碼幀通過(guò)各級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)下載到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。寫(xiě)入代碼的位置原則上可在系統(tǒng)中的任何一點(diǎn)進(jìn)行，但考慮到實(shí)際情況，本 系統(tǒng)中只有兩個(gè)寫(xiě)入點(diǎn)?顯示終端和監(jiān)控終端，寫(xiě)入代碼時(shí)不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。收到軟件升級(jí)消息的節(jié)點(diǎn)通過(guò)判斷代碼幀的控制字完成相應(yīng)的讀、寫(xiě)、擦除等 操作，并且可根據(jù)不同的需求配置不同的控制字實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的各種資源的監(jiān)控。 例如要通過(guò)監(jiān)控終端升級(jí)基站１中ＡＴＭＥＧＡ１２８的軟件，則要在監(jiān)控終端中啟動(dòng)寫(xiě)碼軟件，將編譯完成的升級(jí)代碼按照表１所示的系統(tǒng)幀格式打包，依照代碼 在程序存儲(chǔ)區(qū)的先后次序依次發(fā)出。從圖１中可看出要通過(guò)監(jiān)控終端升級(jí)基站１中的軟件，還要經(jīng)由兩個(gè)中間節(jié)點(diǎn)：主控單元和基站控制中心，其時(shí)序流程如圖２所 示。 首先，監(jiān)控終端發(fā)出一代碼幀到主控單元，主控單元根據(jù)代碼幀中的下載目標(biāo)地址判斷應(yīng)傳送的下一節(jié)點(diǎn)——基站控制中心。當(dāng)主控單元輪詢到基站控制中心時(shí)，將 收到的代碼幀發(fā)送給基站控制中心。同樣，基站控制中心根據(jù)代碼幀中的下載目標(biāo)地址，將代碼幀下載并傳送到要升級(jí)的基站１的處理器ＡＴＭＥＧＡ１２８單片機(jī) 中。單片機(jī)接收到代碼幀后首先將此代碼幀回傳給基站控制中心，然后將程序跳轉(zhuǎn)，運(yùn)行ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序區(qū)段。此時(shí)應(yīng)用程序區(qū)段處于忙狀態(tài)，運(yùn)行 ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序區(qū)段的程序，根據(jù)代碼載入地址將程序代碼寫(xiě)入應(yīng)用程序存儲(chǔ)區(qū)的正確位置，并在ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序區(qū)段繼續(xù)運(yùn)行，等待后續(xù)到 達(dá)的代碼幀。而回傳的代碼幀同樣經(jīng)過(guò)兩級(jí)節(jié)點(diǎn)返回到監(jiān)控終端。監(jiān)控終端收到后與發(fā)送的代碼幀進(jìn)行比較，準(zhǔn)確無(wú)誤后方可傳送下一幀數(shù)據(jù)，否則重發(fā)。 圖３給出了代碼寫(xiě)入主程序流程圖。當(dāng)代碼幀下載到基站１的控制單片機(jī)ＡＴＭＥＧＡ１２８后，當(dāng)檢測(cè)到幀類型為升級(jí)代碼幀“Ｙ”時(shí)，觸發(fā)代碼升級(jí)程序，程序 由應(yīng)用程序區(qū)段跳轉(zhuǎn)至ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序區(qū)段。在此區(qū)段可以對(duì)應(yīng)用程序區(qū)段進(jìn)行讀、寫(xiě)等操作，同時(shí)接收通過(guò)ＵＳＡＲＴ串口不斷傳來(lái)的代碼幀。 在代碼開(kāi)始寫(xiě)入前，首先將存于ＥＥＰＲＯＭ中的寫(xiě)入操作開(kāi)始標(biāo)志位置位，然后判斷操作控制字以檢測(cè)是要進(jìn)行哪一種操作。若是進(jìn)行寫(xiě)入操作，則調(diào)用寫(xiě)入操作 子程序。圖４給出了代碼寫(xiě)入子程序流程圖。首先將代碼寫(xiě)入緩沖區(qū)，將要寫(xiě)入的程序代碼的頭兩個(gè)字節(jié)讀入專用于ＩＡＰ操作的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器Ｒ０：Ｒ１，同時(shí) Ｚ寄存器指針的低８位指向代碼將要寫(xiě)到的指定緩沖區(qū)的位置。然后將ＳＰＭＣＲ控制寄存器的ＳＰＭＥＮ位置１，這樣這兩個(gè)字節(jié)的代碼就被寫(xiě)入到緩沖區(qū)中指定 位置。寫(xiě)下兩個(gè)字節(jié)時(shí)將Ｚ寄存器指針加２，重復(fù)上述操作；依次進(jìn)行直到將代碼幀中的代碼數(shù)據(jù)全部寫(xiě)入緩沖區(qū)。然后判斷寫(xiě)入緩沖區(qū)的代碼是否寫(xiě)滿?代碼計(jì)數(shù) 器是否為１２８。緩沖區(qū)寫(xiě)滿后要執(zhí)行頁(yè)擦除操作。執(zhí)行頁(yè)擦除每次可擦除１頁(yè)(１２８ｗｏｒｄｓ)，將要擦除的頁(yè)地址存入Ｚ寄存器高８位，將ＳＰＭＣＲ控制 寄存器的ＳＰＭＥＮ和ＰＧＥＲＥＳ位置１，擦除完畢后這兩位會(huì)被硬件清０。 執(zhí)行頁(yè)寫(xiě)操作時(shí)每次只可寫(xiě)入１頁(yè)，將Ｚ寄存器指針指向要寫(xiě)入的應(yīng)用程序區(qū)段代碼頁(yè)，將ＳＰＭＣＲ控制寄存器的ＳＰＭＥＮ和ＰＧＷＲＴ位置１。當(dāng)寫(xiě)完后這兩 位會(huì)被硬件清０同時(shí)頁(yè)緩沖區(qū)中內(nèi)容被清除。 升級(jí)代碼傳送全部完成后，監(jiān)控終端會(huì)發(fā)出一幀操作控制字為ＦＦ的代碼幀，升級(jí)節(jié)點(diǎn)收到后將存于ＥＥＰＲＯＭ中的寫(xiě)入操作開(kāi)始標(biāo)志位置位清０。退出升級(jí)操 作，并由ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ區(qū)段返回應(yīng)用程序區(qū)段，完成對(duì)該節(jié)點(diǎn)軟件的升級(jí)。 ２ ＩＡＰ升級(jí)可靠性和保密性的考慮 系統(tǒng)在進(jìn)行ＩＡＰ升級(jí)過(guò)程中不免受到外界干擾，如系統(tǒng)突然掉電或線路故障等意外事故而導(dǎo)致代碼傳輸失敗的情況，此時(shí)要有一套可靠的軟硬件機(jī)制來(lái)保障ＩＡＰ 升級(jí)的正常運(yùn)作，以下介紹本系統(tǒng)所采取的一些措施。 (１)消除傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的誤碼 下載代碼的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。本系統(tǒng)采用大回路比對(duì)的方式。這種方式雖然使升級(jí)過(guò)程時(shí)間加長(zhǎng)，但可以保證代碼準(zhǔn)確無(wú)誤，并且回傳的代碼幀 同時(shí)可作為ＩＡＰ升級(jí)的握手信號(hào)。當(dāng)然也可以采用ＣＲＣ等其它方式解決。 (２)ＩＡＰ升級(jí)過(guò)程中系統(tǒng)掉電情況分析 系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須要避免系統(tǒng)掉電等類似情況所造成的系統(tǒng)運(yùn)行故障的發(fā)生，即使發(fā)生了也應(yīng)將損失降低到最低限度。在ＩＡＰ升級(jí)過(guò)程中，可通過(guò)軟件方式解決。在應(yīng) 用程序區(qū)段，用第一條語(yǔ)句跳轉(zhuǎn)至ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ區(qū)段，并在ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ區(qū)段的程序中，檢驗(yàn)寫(xiě)碼操作開(kāi)始標(biāo)志位?此標(biāo)志位被寫(xiě)入ＥＥＰＲＯＭ 中。如未被置位，則跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序區(qū)段繼續(xù)運(yùn)行應(yīng)用程序區(qū)段中的程序，否則繼續(xù)守候在ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ區(qū)段直到升級(jí)完成。 (３)下載代碼的保密性 為防止沒(méi)有寫(xiě)碼權(quán)限的用戶對(duì)代碼的操作，實(shí)際運(yùn)用中可對(duì)ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序段加入權(quán)限校驗(yàn)程序。根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)置了不同的加密碼，以及特權(quán)碼(供 系統(tǒng)設(shè)計(jì)或管理人員使用)，并將密碼存入ＥＥＰＲＯＭ中，以便隨時(shí)更改密碼。 該方案已成功應(yīng)用于上海地鐵調(diào)度指揮系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了基于ＡＴＭＥＧＡ１２８ ＩＡＰ軟件的升級(jí)，并通過(guò)上述可靠性和保密性的設(shè)計(jì)，使ＩＡＰ軟件升級(jí)的可靠性得到了保證。通過(guò)該技術(shù)大大提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性，減少了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，簡(jiǎn) 化了產(chǎn)品制造流程，并大大降低了現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)的困難，實(shí)現(xiàn)了在不影響節(jié)點(diǎn)正常工作的情況下對(duì)該節(jié)點(diǎn)的軟件升級(jí)。