P89C51RD2的BootROM与ISP功能的实现

    摘要：简单论述P89C51RD2的ISP和IAP功能，给出实现读取其Boot ROM源代码的硬件电路和程序；初步探讨ISP功能中的波特率的自动跟踪技术、命令字的接收格式和执行方式，给出部分源代码。

    关键词：P89C51RD2 Boot ROM ISP(IAP)功能

1 概述

P89C51RD2是PHILIPS公司内核基于8位80C51单片机的派生产品，在完全保留80C51指令系统和硬件结构的大框架下，进行了多方面的加强、扩展和创新，最大限度地利用了原有结构的方方面面。P89C51RD2将原有的对外数据和程序存储器的16位寻址机制加以利用，把片上的RAM扩展到1KB、片上的FLASH EPROM扩展到64KB，满足当今用嵌入式高级语言对片上大存储容量的需要。

P89C51RD2最显著的特点莫过于其ISP（In-System Programming，在系统可编程）功能和IAP（InAPPlication Programming，在应用可编程）功能。ISP指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。IAP指MCU可以在系统中获取新代码并对自己重新编程，即可用程序来改变程序。ISP和IAP技术是未来仪器仪表的发展方向。PHILIPS公司为了使ISP技术和IAP技术得以推广，在芯片上免费提供了Boot ROM固件，并且巧妙地解决了固件和FLASH的地址覆盖问题及一些具体实现细节问题，使它们的实现变得简单而现成。

对于Boot ROM中的内容，PHILIPS公司是不公开的。但很多技术人员对于Boot ROM固件中ISP（IAP）功能的实现非常感兴趣。就ISP状态而言，上位机直接跟Boot ROM固件中的程序打交道，因此，必须根据PHILIPS公司提供的流程和协议来编制上位机程序，至于Boot ROM内部是如何实现ISP功能的，则不得而知。如果能够搞明白ISP功能实现的具体方法，则对于上位机软件的编制是大有好处的。以下是对Boot ROM中有关ISP功能实现所作的一些初步探讨。

2 Boot ROM固件代码的读出方法

要对其ISP功能进行分析，必须读出Boot ROM中的源代码。为此，必须型清楚Boot Rom空间和FLASH空间的关系。P89C51RD2采用了最选进的FLASH（快闪）EPROM，其容量为64KB，并且分成8KB和16KB的存储块。我们知道，80C51系列8位单片机的最大寻址能力就是64KB，FLASH EPROM已经将全部寻址空间占据。同时，PHILIPS公司为P89C51RD2在片内提供了一个名叫引导ROM（Boot ROM）的1KB的固件。固件上有引导装载程序，可以接收主机经串口传来的命令和数据（如经PC机的RS-232C口），这个固件是放在64KB程序存储器的最高端的，与片内FLASH地址0FC00H～0FFFFH相覆盖。两者之间的切换是通过特殊功能寄存器AUXR1的ENBOOT位来进行的。

ENBOOT=1 地址在0FC00H～0FFFFH范围，寻址到固件

ENBOOT=0 地址在0FC00H～0FFFFH范围，寻址到FLASH

既然当ENBOOT=1时，能够寻址到固件，则利用程序就可以将固件代码读出。下面是实现代码读出时的硬件部分和软件部分。

（1）硬件部分

为了读出Boot ROM中的内容，必须给P89C51RD2搭一个包括复位、晶振和串口通信功能的基本硬件系统，如图1所示。ICL232为单电源串口转换芯片，可以完成TTL电平与RS-232C电平之间的转换。

（2）软件编制

编制软件的目的，是为了从Boot ROM中读出源代码，并送往上位机显示。为了使用现成的软件（如超级终端），程序中将读出的二进制代码转换成ASCII码，并组成HEX文件格式直接传给上位机，这样，将显示的内容存盘并反汇编，就可以对Boot ROM中的内容进行分析。由于程序中涉及到二进制转换成HEX文件格式，故将有关HEX文件格式的有关内容表述如下：

HEX文件的INTEL格式，是INTEL公司提出的按地址排列的数据信息，数据宽度为字节，所有数据使用十六进制数字表示，如Boot ROM从地址FC00H开始的前16个数据为（已经转换成ASCII码）：

75 89 02 75 C8 30 E4 F5 CD F5 CC 30 B0 FD 20 B0（十六进制）

则转换成HEX文件格式为：

；10FC000075890275C830E4F5CDF5CC30B0FD20B073

"："符号表示记录的开始：后面的2个字符表明记录的长度，这里是10H，即16个十六进制数字；后面的4个字符给出调入的地址，这里是FC00H；再后面的2个字符表明记录的类型，00表示数据记录，01表示记录文件结束；再后面的16个数据即为真正的数据记录；最后的2位73是校验和，它加上前面所有的数据和为0。

所有HEX格式文件的最后一行为结尾行，它比较特殊，总是如下所示：

：00000001FF

读Boot ROM代码的主程序编制如下：

AUXR1 EQU 0A2H ；特殊功能寄存器

BOOT_ROM EQU 0FC00H ；Boot ROM的起始地址

DAT_BUFFER EQU 30H ；数据暂存器

DAT_SUM EQU 31H ；校验和

ORG 0000H

AJMP START

ORG 0030H

START：

MOV SP，#50H

MOV SCON，#50H

MOV T2CON，#30H ；以T2作为波特率发生器

MOV TL2，#0E0H ；波特率为2400bps

MOV TH2，#0FEH

MOV RCAP2L，#0E0H

MOV RCAP2H，#0FEH

SETB TR2 ；启动T2

MAIN：LCALL READ_ROM；Boot ROM内容读出子程序

LCALL SEND_END ；结尾行送出子程序

AJMP $

主程序中用到了两个子程序：READ_ROM和SEND_END。

READ_ROM子程序功能：从FC00H开始将代码读出，将其转变成ASCII码并拼凑成HEX文件记录的形式传给上位机。

读Boot ROM代码所调用的子程序见本刊网站发表的全文。网站地址：www.dpj.com.cn。

3 Boot ROM固件的功能分析

通过对Boot ROM中的程序进行分析，可以对ISP的有关指令进行更深入的理解，在一些编程方法上也可以向国外学习。下面对ISP的有关知识点进行阐述。

3.1 关于自动确定波特率

PHILIPS给出的ISP功能第一个步骤为：上位机向下位机发送一个大写的英文字符“U”，供下位机确定波特率。

3.1.1 工作原理

大写的英文字符“U”有它的特殊性，它的ASCII码为55H，转换成二进制为“01010101B”，也就是说它是一个“0”、“1”相间的数据，如图2所示。如果能够算出其一个位的传输时间tp，则对应的波特率就可以计算出来。

3.1.2 tp对应的计数值

首先看一下在Boot ROM中是如何计算一个位所对应的计数值的。以下为Boot ROM从地址FC00H～FC17H之间的源代码及反汇编程序：

源代码 反汇编程序

FC0075 89 02 MOV TMOD，#02H；T1工作模式2，定时器

FC03 75 C8 30 MOV T2CON，#30H ；T2工作为串行口波特率发生器

FC06 E4 CLR A

FC07 F5 CD MOV TH2，A

FC09 F5 CC MOV TL2，A ；T2=0000H

FC0B 30 B0 FD JNB P3.0，$ ；若P3.0=0，则等待直到其变为1

FC0E 20 B0 FD JB P3.0，$ ；若P3.0=1，则等待，直到下降沿到来

FC11 D2 CA SETB TR2 ；启动T2定时器

PC13 30 B0 FD JNB P3.0，$ ；若P3.0=0，则等待，直到上升沿到来

FC16 C2 CA CLR TR2 ；关闭T2定时器，此时T2中的数值为tp

首先将T2清0，然后测下降沿，测到下降沿后，开始置TR2=1，T2开始计数，等测到上升沿后，置TR2=0，停止计数，则此时T2中为传送1bit(低电平)的计数值。以波特率2400 bps为例，则传送1bit所用的时间为1/2400s，即416.67μs。P89C51RD2主频为11.0592MHz，再由PHILIPS公司的数据手册可知，当T2工作于波特率发生器模式时，OSC未经分频直接进入T2计数器，由此可得在tp时间内T2的理论计数值为：（T2）=0.000 416 67×110 592 00=4608（十进制）=1200H。在这里，特别要强调的是：该数只是一个理论值。对波特率为2400 bps时的实际值进行测试，发现实测值为11FAH左右。不管怎样测，实测值总是大于理论值6个数左右。这个数据为下面的波特率计算提供了重要依据。

3.1.3 波特率的计算

程序中对波特率的计算颇有特色，下面是地址FC18H～FC36H之间的源代码和反汇编程序：

源代码 反汇编程序

FC18 E5 CC MOV A，TL2

FC1A C4 SWAP A

FC1B 54 0F ANL A，#0FH ；取TL2高4位

FC1D F8 MOV R0，A

FC1E E5 CD MOV A，TH2

FC20 C4 SWAP A

FC21 54F0 ANL A，#0F0H ；取TH2低4位

FC23 48 ORL A，R0

FC24 F8 MOV R0，A ；组合后送入R0

FC25 CD MOV A，TH2

FC27 C4 SWAP A

FC28 54 0F ANL A,#0FH ;取TH2高4位

FC2A F9 MOV R1，A

FC2B E8 MOV A，R0 ；以上程序实现T2中数据除以16，送R1和R0保存

FC2C F4 CPL A ；低位取反

FC2D F5 CC MOV TL2，A

FC2F F5 CA MOV RCAP2L，A

FC31 E9 MOV A，R1

FC32 F4 CPL A ；高位取反

FC33 F5 CD MOV TH2，A

FC35 F5 CB MOV RCAP2H，A

上述程序就是将tp对应值转换成波特率的程序，先来看一下波特率是怎样定义的。定时器2工作在波特率发生器模式，外部时钟信号由T2脚入，波特率为

波特率=定时器2溢出率/16 （1）

所以程序中首先将T2中的计数值进行处理，相当于右移4位，将低4位去掉，11FAH变为011FH，对应式（1）中除以16，送R1和R0保存，然后将R1和R0中的值取反，其值为FEE0H。该值恰恰与根据式（1）计算出的数值相同。将该数值送T2和RCAP2，即行2400bps对应的赋值。

3.1.4 波特率的校验

在波特率确定以后，首先设定TR2=1以启动波特率，并对串口控制字进行设定。然后，程序对其进行校验。方法是接收上位机的数据并以设定波特率回送该值，一方面通知上位机送出和接收的数据是否相同，如果相同，则上位机认为下位机的波特率设置正确，通信成功；另一方面程序也将接收的数据与“U”的ASCII码相对照，如果相等，则往下执行，如果不等，则继续重复上述过程，直到成功为止，否则进入死循环，只有程序复位才能退出。下面是其源程序与反汇编程序（FC37H至FC40H）：

源代码 反汇编程序

FC37 D2 CA SETB TR2

FC39 75 98 52 MOV SCON，#52H ；方式1，TI=1

FC3C 91 A0 RREV0：ACALL REV_SEND0

FC3E B4 55 FB CJNE A，#55H，RREV0 ；判断A="U"？

其中，REV_SEND0子程序的功能是接收一个数据并回传给上位机。由上述程序可以看出，实际上要通信成功，上位机至少要向下位机发送两个"U"：第一个用于确定波特率，另一个用于校验波特率，并且这两个字符之间必须隔一段时间，以便于波特率计算完毕并有效。所以，有关手册中关于ISP第一步要发送一个“U”来确定波特率的说法本身没有错，但如果在编制上位机程序时，仅仅发送一个“U”是不能够通信成功的，特提醒读者注意。

3.2 命令字的接收

在通信成功后，就可以接收ISP的命令字了。

3.2.1 ISP命令格式说明

ISP编程由Boot ROM中的一系列引导子程序完成。这些子程序采用Intel-Hex记录格式接收PC主机的命令和数据。Intel-Hex记录格式上面已经有所介绍，其命令格式为

：NNAAAARRDD···DDCC

其中，：NNAAAA以及DDCC的含义皆与上面的论述的相同，只需对“RR”作以下说明：

“RR”表示记录类型，其中

00——数据记录，即传编程数据并完成编程；

01——文件结束标志；

02——指定振荡器频率；

03——杂项编程功能，和后面的数据相配合完成擦除、加密等功能；

04——显示指定地址端FLASH的数据或做空白检查；

05——各种读功能。

3.2.2 命令字的处理

为了更容易看懂，将使用的通用寄存器和部分地址进行代换如下：

DATA_ADDRL EQU 30H

DATA_ADDRH EQU 31H

DATA_SUM EQU 32H

DATA_LEN EQU 33H

DATA_FOSC EQU 34H

DATA_MODE EQU 35H

DATA_BUFFER EQU 36H

REV_DAT_ADDR EQU 80H

下面来看一下Boot ROM中的源代码与反汇编程序。

源程序 反汇编程序

FC41 75 32 00 MAIN：MOV DATA_SUM，#00H；校验和

FC44 91 A0 ACALL REV_SEND0

FC46 B4 3A F8 CJNE A，#3AH，MAIN；判断A=“：”？

FC49 91 79 ACALL REV_DATA1_SUM

FC4B 85 36 33 MOV DATA_LEN，DATA_BUFFER

；33H字节数

FC4E 91 79 ACALL REV_DATA1_SUM

FC50 85 36 31 MOV DATA_ADDRH，DATA_

BUFFER ；31H数据首地址高8位

FC53 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM

FC55 85 36 30 MOVDATA_ADDRL，DATA_

BUFFER ；30H数据首地址低8位

FC58 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM

FC5A 85 36 35 MOVDATA_MODE，DATA_

BUFFER ；35H数据操作类型

FC5D E5 33 MOVA，DATA_LEN

FC5F FA MOV R2，A ；循环接收数据指针

FC60 60 09 JZ RREV3 ；字节数=0转RREV3

FC62 79 80 MOV R1，#REV_DAT_ADDR

FC64 91 79 RREV2：ACALL REV_DAT1_SUM

FC66 A7 36 MOV @R1，DATA_MODE

FC68 09 INC R1

FC69 DA F9 DJNZ R2，RREV2

FC6B AC 32 RREV3：MOV R4，DATA_SUM ；校验和

FC6D 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM

FC6F EC MOV A，R4

FC70 B5 36 02 CJNE A，DATA_BUFFER，RREV4

；校验和不等转

FC73 81 BF AJMP RUN_MODE

FC75 74 58 RREV4：MOV A，#58H ；A=“X”

FC77 81 FA AJMP SEND_DT

首选，对程序中用到的子程序作如下的说明。

REV_SEND0子程序：接收1个数据并回传给上位机；

REV_DAT1_SUM子程序：接收2个ASCII字符并回传，将2个ASCII码合成1字节二进制数并计算校验和；

SEND_DT：该地址执行送字符“X”给上位机；

RUN_MODE：该地址解释并执行命令字。

对上段程序分析如下：首先，将校验和单元清零，开始接收第1个ASCII码，开判断是否为“：”。如果是，则说明是一个命令字的开始，下同便依次接收字节数DATA_LEN、数据首地址高8位DATA_ADDRH、数据首地址低8位DATA_ADDRL和数据操作类型DATA_MODE。这跟其命令格式是完全对应的。然后，程序根据接收数据字节数DATA_LEN来决定下面的数据接收，并将接收的数据存储在从80H开始的内部数据存储器中，以备下一步的处理。最后，进入校验和的接收，将程序计算所得的校验和与上位机传输的校验和作比较，如果不等，回传“X”字符，通知上位机进行异常处理；如果相等，则转入相应的命令执行。

3.3 命令的执行

命令解释和执行的源代码和反汇编程序如下：

源程序 反汇编程序

FCBF E5 35 RUN_MODE：MOV A，DATA_MODE；35H数据操作类型

FCC1 23 RL A ；A=A*2

FCC2 90 FC C6 MOV DPTR，#BASE_ADDR ；程序散转

FCC5 73 JMP @A+DPTR

FCC6 81 D4 BASE_ADDR：AJMP PRO_DATA

；00=传送编程数据并完成编程

FCC8 81 F8 AJMP SEND_CHAR_OK ；01=传文件结束符

FCCA 81 FE AJMP SETUP_FOSC ；02=指定振荡器频率

FCCC A1 70 AJMP MPRO_DAT ；03=杂项编程功能

FCCE A1 04 AJMP READ_CHECK ；04=显示指定地址段FLASH数据或查空

FCD0 A1 9F AJMP READ_DATA ；05=各种读功能

FCD2 A1 B3 AJMP SETUP_BPS ；06=直接装载波特率

在正确地接收命令后，通过DATA_MODE项（即命令格式中的RR）来判断功能并转入相应的程序。程序中对每一个跳转地址都作出了相应的注释。

4 几种说明

①上述带源代码的程序均是Boot ROM中反汇编得来的，并且大部分是连续的。这一点可以从地址分布上看出来，读者可以将其合并在一起看，相信可以加强理解。有兴趣的读者也可以参照以上给出的方法将全部代码读出，电路图和源程序几乎都不必重编了。

②Boot ROM中既包括了ISP的程序，也包括了IAP的程序。限于篇幅，只给出了ISP的部分源程序，部分子程序只作了说明而未列出源程序。