S12系列MCU通用編程系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

摘要 在分析了S12系列MCU編程調(diào)試器MC68HC908JB8的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于MC9S08JM60的新型編程調(diào)試器；著重闡述了在提高編程系統(tǒng)通信速度上，JM60相對于JB8所做的改進(jìn)，并給出了整個(gè)編程系統(tǒng)在通用性上的設(shè)計(jì)方案。本編程系統(tǒng)可以適應(yīng)當(dāng)前S12系列全部 MCU，加快了對S12系列MCU的開發(fā)速度，為S12系列MCU的應(yīng)用開發(fā)帶來了極大的方便。
關(guān)鍵詞 S12 編程調(diào)試器 JM60 SYNC

引 言
    目前市場上影響力較大的針對S12的集成開發(fā)環(huán)境CodeWarrior HCS12，功能完善、性能穩(wěn)定，但是價(jià)格昂貴，不利于嵌入式領(lǐng)域的教學(xué)和開發(fā)。在國內(nèi)由清華大學(xué)開發(fā)的S12BDM調(diào)試頭，目前可支持的目標(biāo)CPU外部晶振頻率不高于19 MHz，它的軟件部分由飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供。蘇州大學(xué)2005年研制了針對S12系列MCU的編程調(diào)試器，采用MC68HC908JB8(以下簡稱 JB8)作為編程調(diào)試器芯片；但是隨著芯片制造技術(shù)的更新，S12系列MCU的品種越來越多，性能越來越好，典型的S12系列MCU總線頻率為25 MHz，而JB8的總線頻率只有3 MHz，可適用目標(biāo)芯片的型號有限，且JB8只有256字節(jié)的RAM空間，可用于接收數(shù)據(jù)的緩存太小，影響通信速度。因此更加迫切地需要一款功能更加強(qiáng)大并且具有通用性的編程調(diào)試器來滿足S12系列MCU的需求。
    本文在分析了S12系列MCU編程調(diào)試器MC68HC908JB8的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于MC9S08JM60(以下簡稱JM60)的新型編程調(diào)式器，主要解決JB8在通信速率上存在的不足和在通用性方面存在的問題。

1 總體概述
    本文所說的編程系統(tǒng)包括編程調(diào)試器和PC方的通信，以及編程調(diào)試器和目標(biāo)芯片的通信。圖1是編程系統(tǒng)的基本架構(gòu)。在編程系統(tǒng)中，JM60通過USB2．O和PC方進(jìn)行交互，接收來自PC方的命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作，然后通過BDM接口將命令和數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)芯片，完成對目標(biāo)芯片的操作。

    BDM是飛思卡爾半導(dǎo)體公司推出的一種單線調(diào)試方式。圖2是BDM接口引腳圖，所有命令和參數(shù)均通過BKGD專用引腳進(jìn)行傳輸，不占用其他任何資源；而且 BDM子模塊獨(dú)立于CPU，有獨(dú)立的狀態(tài)機(jī)來處理單線接口。與通常的開發(fā)手段相比，BDM子模塊能利用CPU的空閑周期與CPU打交道，不需要停止處理器即可訪問存儲器資源。

    本編程系統(tǒng)中，作為編程調(diào)試器芯片的JM60所擁有的USB2．O全速設(shè)備較之串口和USBl．1，它和PC方通信速率非?？?。JM60可達(dá)24 MHz的總線頻率以及充足的RAM空間使得通信流程可以得到進(jìn)一步改進(jìn)；同時(shí)，JM60的高總線頻率也解決了以往采用JB8作為編程調(diào)試器芯片但由于 JB8自身總線頻率低而限制目標(biāo)芯片通信頻率的瓶頸，使得編程系統(tǒng)的通用性得到提高。

2 通信系統(tǒng)的改進(jìn)
2．1 通信流程的改進(jìn)
    編程系統(tǒng)的通信由PC機(jī)、編程調(diào)試器和目標(biāo)芯片的交互來完成，因而編程系統(tǒng)通信流程的高效與否直接影響著整個(gè)編程系統(tǒng)的通信速率。編程系統(tǒng)的通信過程如下：[!--empirenews.page--]
    ①PC發(fā)送進(jìn)入BDM命令，目標(biāo)芯片進(jìn)入BDM模式；
    ②PC發(fā)送完全擦除命令，擦除目標(biāo)芯片F(xiàn)lash并進(jìn)行空白校驗(yàn)，返回校驗(yàn)碼；
    ③PC發(fā)送命令將寫入子程序的目標(biāo)代碼發(fā)送到目標(biāo)芯片內(nèi)存中，寫入子程序的功能是將存放在目標(biāo)芯片內(nèi)存上的用戶目標(biāo)代碼寫入Flash中；
    ④PC分析S19文件，提取需要發(fā)送的目標(biāo)代碼，以512字節(jié)組合成一頁，分頁發(fā)送到目標(biāo)芯片內(nèi)存中，然后運(yùn)行已發(fā)送目標(biāo)芯片中的寫入子程序，將用戶目標(biāo)代碼寫入目標(biāo)芯片F(xiàn)lash中；
    ⑤PC判斷是否需要發(fā)送下一頁，并接收校驗(yàn)碼判斷一頁數(shù)據(jù)發(fā)送是否正確。
    PC發(fā)送一頁數(shù)據(jù)到目標(biāo)芯片內(nèi)存之前，先將數(shù)據(jù)發(fā)送到編程調(diào)試器內(nèi)存，和一次向S12系列芯片F(xiàn)lash寫入512字節(jié)相比較。JB8的RAM只有有限的 256字節(jié)，并且堆棧也在RAM區(qū)域，可用于接收一頁數(shù)據(jù)的RAM緩存太小，因而每次寫入的數(shù)據(jù)量就會受到限制，要分多次寫入。這就增加了PC和編程調(diào)試器之間的通信次數(shù)以及編程調(diào)試器和目標(biāo)芯片的通信次數(shù)，從而影響了編程的速度。圖3中，JB8以串行的方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，先從PC方接收一頁128字節(jié)用戶目標(biāo)代碼(1，3，5，7過程)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)芯片內(nèi)存(2，4，6，8過程)。經(jīng)過4次的接收之后，目標(biāo)芯片將RAM空間的512字節(jié)數(shù)據(jù)一次寫入Flash空間，返回校驗(yàn)碼。

    而JM60作為編程調(diào)試器則擁有4 KB的RAM，可以直接開辟512字節(jié)作為緩沖。在整個(gè)編程系統(tǒng)通信流程的設(shè)計(jì)上，就可以借鑒指令流水線操作的思想，充分考慮可作預(yù)取的操作，利用編程調(diào)試器和目標(biāo)芯片之間通信的時(shí)間完成PC方單獨(dú)的操作，以及利用目標(biāo)芯片自身進(jìn)行操作的時(shí)間來完成PC方和編程調(diào)試器之間的操作，提高編程系統(tǒng)的運(yùn)行速率，盡量減少空等待操作。
    在圖4所示的以JM60作為編程調(diào)試器的編程系統(tǒng)通信流程中，首先PC發(fā)送第1頁用戶目標(biāo)代碼到JM60內(nèi)存(過程1)，然后發(fā)送到目標(biāo)芯片內(nèi)存(過程 2)，目標(biāo)芯片執(zhí)行寫入子程序?qū)?shù)據(jù)寫入Flash。寫入子程序執(zhí)行過程中，字寫入命令時(shí)間t=9×(1÷fNMVOP)+25×(1÷fbus)。 fNMVOP指Flash操作頻率，fbus指總線頻率。S12系列芯片F(xiàn)lash的操作頻率范圍限制在150～200 kHz，取fNMVOP=200 kHz，fbus=40 MHz，計(jì)算得1個(gè)字寫入時(shí)間在最小情況下為t=0．045 625 ms，寫入512字節(jié)需要時(shí)間為11．68 ms，而PC發(fā)送1頁數(shù)據(jù)的時(shí)間為512×8÷12Mbps=0．341 ms。因此PC和JM60可以利用目標(biāo)芯片寫入1頁數(shù)據(jù)的時(shí)間進(jìn)行交互，將下一頁數(shù)據(jù)提前發(fā)送到JM60，完成從PC→JM60內(nèi)存，如圖5所示。 JM60和目標(biāo)芯片也可以在PC對前一頁數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)的同時(shí)，將1頁數(shù)據(jù)從JM60發(fā)送到目標(biāo)芯片，如圖6所示。

    在實(shí)現(xiàn)以上思想的同時(shí)也充分考慮了寫入過程出錯(cuò)的情況，如圖4在JM60內(nèi)存區(qū)域開辟了可存放2頁數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)用于接收用戶目標(biāo)代碼。若前一頁數(shù)據(jù)寫入錯(cuò)誤，則將這頁數(shù)據(jù)在Flash的塊寫入首地址傳遞給塊擦除程序，重新進(jìn)行擦除，等待當(dāng)前頁發(fā)送完畢，作為下一頁數(shù)據(jù)參與整個(gè)流程進(jìn)行寫入。[!--empirenews.page--]
2．2 通信子程序的改進(jìn)
2．2．1 優(yōu)化通信子程序代碼
    通信流程的改進(jìn)提高了整個(gè)編程系統(tǒng)的通信速率。進(jìn)一步分析編程系統(tǒng)，從JM60發(fā)送數(shù)據(jù)到目標(biāo)芯片，內(nèi)存需要的時(shí)間在整個(gè)程序下載過程中占用比例比較大；而在1位發(fā)送過程中，如圖7所示，從位開始時(shí)刻到目標(biāo)芯片讀取時(shí)刻的周期間隔是固定的10～13個(gè)目標(biāo)周期，但位與位之間的發(fā)送存在時(shí)隙。
    在原有編程系統(tǒng)的字節(jié)發(fā)送代碼中，發(fā)送位1和位0是兩個(gè)單獨(dú)的子程序，需要通過判斷來分別調(diào)用兩個(gè)子程序。所使用的BCC、JSR、BRA都是周期較長的指令，且每發(fā)送1位就調(diào)用1次JSR指令，就有一次RTS指令返回，需要周期較多。在改進(jìn)編程系統(tǒng)的字節(jié)發(fā)送代碼中，將位1和位0的發(fā)送代碼很好地結(jié)合在 1個(gè)子程序之內(nèi)，縮短了位與位之間發(fā)送的時(shí)隙。

    編程系統(tǒng)通過BDM硬件命令WRITE_WORD發(fā)送1個(gè)字，需要調(diào)用5次字節(jié)發(fā)送程序。發(fā)送的5字節(jié)分別是1字節(jié)的命令操作碼、2字節(jié)的內(nèi)存地址、2字節(jié)的數(shù)據(jù)，同時(shí)硬件命令WRTE_WORD的完成還需要延遲150個(gè)編程調(diào)試器時(shí)鐘周期。所以假如從編程調(diào)試器發(fā)送100 KB的數(shù)據(jù)到目標(biāo)芯片內(nèi)存，其所需要花費(fèi)的時(shí)間計(jì)算如下：
    在JB8的編程系統(tǒng)中，發(fā)送1個(gè)字節(jié)的周期為：2+(1+3+5+4+4+4+3+3+4+7)×8+4=310，100 KB的數(shù)據(jù)需要(100×1024÷2)個(gè)字×(5×310+150)個(gè)周期÷(3×106)=29．01 s。
    在改進(jìn)的編程系統(tǒng)中，發(fā)送1個(gè)字節(jié)的周期為：2+2+4+3+1+1+2+4+(1+3+6+88)×8+2+4=809，100 KB的數(shù)據(jù)需要(100×1024÷2)個(gè)字×(5×809+150)個(gè)周期÷(24×105)=8．95 s。
    而JM60緩存中的數(shù)據(jù)是以連續(xù)存放的形式寫入目標(biāo)芯片內(nèi)存的，因此可以選用BDM固件命令WRITE_NEXT，每次執(zhí)行命令時(shí)寄存器X的值會先自動(dòng)加 2，然后將1個(gè)字寫入到X所指向的地址。所以只需要在寫入開始時(shí)，對寄存器X進(jìn)行一次地址賦值操作，將目標(biāo)芯片內(nèi)存地址減2處的地址值賦給X即可，后續(xù)數(shù)據(jù)可以直接調(diào)用WRITE_NEXT命令寫入，不需要再發(fā)送地址信息。采用WRITE_NEXT寫1個(gè)字需要發(fā)送3個(gè)字節(jié)(1個(gè)字節(jié)的命令操作碼、2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù))，它的完成需要延遲32個(gè)編程調(diào)試器時(shí)鐘周期。因而從編程調(diào)試器發(fā)送100 KB的數(shù)據(jù)到目標(biāo)芯片內(nèi)存需要花費(fèi)的時(shí)間計(jì)算如下：
    (100×1024÷2)個(gè)字×(3×809+32)個(gè)周期÷(24×106)=5．25 s
    改進(jìn)后的編程系統(tǒng)在編程調(diào)試器內(nèi)存與目標(biāo)芯片內(nèi)存的數(shù)據(jù)通信速度上提高了5．5倍，大大提高了編程調(diào)試器的工作效率。
2．2．2 編寫目標(biāo)芯片接收程序
    優(yōu)化通信子程序代碼之后，從編程調(diào)試器內(nèi)存向目標(biāo)芯片內(nèi)存發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間大大減少，但是使用BDM命令，除了發(fā)送2個(gè)字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)之外，還需要發(fā)送額外的字節(jié)，并且命令的完成都需要較長的延遲時(shí)間。由于BDM采用單線引腳串行通信，因此可以自己編寫一段模擬BDM串行通信的程序，目標(biāo)芯片只從編程調(diào)試器接收用戶目標(biāo)代碼，提高通信速度。
    另外將JM60的引腳PTBD．O與目標(biāo)芯片PTA．0引腳相連來傳送數(shù)據(jù)，以便數(shù)據(jù)通信過程不影響B(tài)KGD引腳。過程如下：
    ①按照編程調(diào)試器發(fā)送1位時(shí)序，在編程調(diào)試器方編寫以PTBD．0為發(fā)送引腳的字節(jié)發(fā)送代碼；
    ②按照目標(biāo)芯片接收1位的過程，編寫目標(biāo)芯片以PTA．0為接收引腳的字節(jié)接收代碼，進(jìn)而編寫好目標(biāo)芯片接收程序；
    ③將自定義的目標(biāo)芯片接收程序編譯成目標(biāo)代碼，通過基本的BDM命令發(fā)送到目標(biāo)芯片內(nèi)存；
    ④執(zhí)行目標(biāo)芯片中自定義的接收程序，將接收到的字節(jié)寫入目標(biāo)芯片指定的內(nèi)存空間。
    由于目標(biāo)芯片的接收程序是自己定義的，因此編程調(diào)試器不需要發(fā)送操作碼與地址信息，也無需等待命令完成延遲時(shí)間。自定義的目標(biāo)芯片接收程序代碼量少于50字節(jié)，這部分時(shí)間很短。因而假如從編程調(diào)試器發(fā)送100KB的數(shù)據(jù)到目標(biāo)芯片內(nèi)存，需要花費(fèi)的時(shí)間計(jì)算如下：
    (100×1024)個(gè)字節(jié)×809個(gè)周期÷(24×106)=3.45 s
    使用自定義目標(biāo)芯片接收程序，在原有系統(tǒng)編程調(diào)試器內(nèi)存與目標(biāo)芯片內(nèi)存的數(shù)據(jù)通信速度上提高了8倍多。

3 編程系統(tǒng)的通用性設(shè)計(jì)
    編程系統(tǒng)的通用性在于兩點(diǎn)：一是可以根據(jù)不同型號的目標(biāo)芯片獲取相應(yīng)的MCU參數(shù)進(jìn)行操作；二是可以根據(jù)不同型號MCU的總線頻率調(diào)用相應(yīng)的發(fā)送接收代碼。
3．1 MCU信息的存儲
    S12系列MCU有很多型號，而且未來還會推出更多新型號。表1給出了數(shù)據(jù)庫中MCU的信息。不同型號MCU屬性參數(shù)不同，包括內(nèi)部RAM及Flash的大小和起始地址。這些參數(shù)在對目標(biāo)芯片進(jìn)行擦除、寫入及調(diào)試操作時(shí)極為重要。為了便于通用性方面的設(shè)計(jì)，在PC方數(shù)據(jù)庫中保存了每款MCU的相關(guān)信息，在用戶建立工程的時(shí)候就可以獲取這些字段信息，對目標(biāo)芯片進(jìn)行正確的操作。

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3．2 目標(biāo)芯片總線頻率的測定
    不同型號的MCU總線頻率不一樣，因此編程系統(tǒng)的通用性還在于能使編程調(diào)試器自動(dòng)獲取目標(biāo)MCU的通信頻率，使之適應(yīng)不同型號的MCU。
    在HCS12中有一條比較特殊的BDM指令SYNC，它用于探測目標(biāo)MCU的BDM接口的通信頻率。該指令沒有具體的操作碼，因此不要求知道具體的目標(biāo)芯片BDM通信頻率。表2給出了使用SYNC指令探測目標(biāo)芯片BDM通信頻率的過程。
    編程調(diào)試器是通過拉低至少128個(gè)目標(biāo)芯片時(shí)鐘周期來請求SYNC指令的，為了能夠測量所有的S12系列芯片BDM通信頻率，需要設(shè)置一個(gè)缺省計(jì)時(shí)參數(shù)。當(dāng)目標(biāo)芯片總線頻率低于1 MHz的時(shí)候，F(xiàn)lash的擦除寫入操作不能正常運(yùn)行，因此可以設(shè)置目標(biāo)芯片的最低BDM接口頻率為1 MHz。128個(gè)周期時(shí)長為128÷1 MHz=128μs。在這個(gè)延時(shí)時(shí)間內(nèi)，可以向S12系列芯片成功請求SYNC指令。下面給出了測試目標(biāo)芯片通信頻率的代碼。

    陰影部分是JM60在目標(biāo)芯片發(fā)送128個(gè)周期低電平的時(shí)間所做的操作，花費(fèi)的指令周期為count=5+1+6×A(寄存器A的計(jì)數(shù)次數(shù))，目標(biāo)芯片的通信頻率就可以通過公式fBDM=128×fbus÷count計(jì)算得到。編程調(diào)試器只需要根據(jù)計(jì)算得到的目標(biāo)芯片的通信頻率，調(diào)用在編程調(diào)試器方編寫的針對不同通信頻率段的收發(fā)子程序，就可以實(shí)現(xiàn)和不同型號目標(biāo)芯片的正確通信。

結(jié) 語
    編程系統(tǒng)的通信速率和通用性是衡量編程調(diào)試器性能的重要指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶需要不斷地修改、調(diào)試程序，程序的下載操作會頻繁發(fā)生，因此減少數(shù)據(jù)的通信時(shí)間，提高用戶目標(biāo)代碼的寫入速度顯得尤為重要。本文針對S12新型編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想已經(jīng)應(yīng)用于SD-Pro-grammer For S12 V2中，通信速度提高了5倍多，能適應(yīng)當(dāng)前S12系列所有的MCU，對于新款MCU可以實(shí)現(xiàn)快速支持。文中給出的編程系統(tǒng)中提高通信速度的設(shè)計(jì)方法對類似于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)也有著很好的借鑒作用。