C8051F130的远程在线升级程序设计

　　1. 引言

　　目前，采用FLASH 存储介质来作为程序存储器的单片机种类越来越多。和其他类型如OTP、EPROM 型单片机比较起来，FLASH 具有可擦写方便，次数多，编程无需外加高电压等特点。绝大多数FLASH 型单片机都可在运行时通过指令来直接擦写内部FLASH，提供了IAP、ISP 功能，借助这个功能，就可以实现系统底层固件的在线升级功能。

　　C8051F130 单片机是SILICON LABS推出的完全集成的混合信号片上系统型MCU 芯片，功能十分强大。其采用高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核，内部PLL可倍频至100MIPS，具有2个串口，128KB 可在系统编程的FLASH 存储器，8448（8K+256）字节的片内RAM，并包含了片内JTAG 调试电路。其功能完全满足实现远程在线程序升级系统的条件。

　　在专用网络系统中实现远程在线程序升级,其优点显而易见,不仅极大的为系统维护提供了方便，还节省了大量的人力财力。本文详细介绍了在某直放站监控系统中实现的基于C8051F130的远程在线程序升级系统的设计思路和方法。

　　2. 设计思路

　　系统组网拓扑结构如图1 所示，正常工作时，网管中心通过有线或无线通道对所属各站点下位机状态进行监控。网管中心通过查询各站点下位机参数得到下位机固件版本号，如果固件版本号和现有最新固件版本号不同，则直接发送第一帧程序升级数据启动远程程序升级过程。因为监控系统需要实时工作，所以程序的升级也就必须在站点下位机系统工作过程中完成。在网管中心发送程序升级数据的过程中，站点下位机系统依然正常工作，只有全部接收完程序升级数据并校验通过后，才跳转到Bootloader 程序进行程序升级。

　　下位机硬件框图如图2 所示，CPU 选择C8051F130，其他部分包括控制输入输出部分，人机接口电路，RS232 接口，EEPROM 器件24C16 等。RS232 接口作为系统的通讯接口可以外接电话MODEM或短信MODEM 等标准模块，和网管中心组成有无线网络，其所采用的具体形式不影响本文所述的远程升级系统。EEPOM 器件24C16 由于可擦写次数比FLASH 多，用来存储系统的关键参数。

　　由于51 系列单片机外部总线地址为16 位，能直接寻址的最大范围为64KB，所以C8051F130 将内部的128KB FLASH 程序存储空间被分成了4 块，BLOCK0、BLOCK1、BLOCK2、BLOCK3。每块大小为32KB，0x0000~0x7FFF 地址空间始终为BLOCK0，作为公共段。可以通过设置程序存储器空间块选择寄存器PSBANK 来选择常量操作和取指操作地址在0x8000 ~0xFFFF 所指向的块。

　　COBANK：常量操作存储块选择位。

　　这两位选择常量操作（MOVC 和FLASH MOVX）地址在0x8000 ~0xFFFF 范围的FLASH 存储块。

• 　　00：常量操作指向存储块0（注意，块0 也映射到地址0x0000 ~0x7FFF）。
• 　　01：常量操作指向存储块1。
• 　　10：常量操作指向存储块2。
• 　　11：常量操作指向存储块3。

　　IFBANK：取指操作存储块选择位这两位选择取指操作（地址在0x8000 ~0xFFFF 范围）的FLASH 存储块。这两位只能由位于BLOCK0 的程序改写。

• 　　00：从存储块0 取指令（注意，块0 也映射到地址0x0000 ~0x7FFF）。
• 　　01：从存储块1 取指令。
• 　　10：从存储块2 取指令。
• 　　11：从存储块3 取指令。

　　FLASH 的设计分配方案如下：

　　BLOCK0、BLOCK1 作为默认的64KB 程序存储区空间，存储正常工作时的固件程序。我们所使用的程序不会超过60KB，0x0000~0xEFFF 地址区60KB 空间用于存储系统主程序，0xF000~0xFFFF 地址地址区4KB 空间用于存储Bootloader 程序。

　　BLOCK2、BLOCK3 作为64KB 常量存储区，用于存储系统运行过程中接收到的程序升级数据。

　　如果要远程对某指定站点的固件进行升级时，网管中心对该站点分帧发送程序升级数据，升级数据协议格式如下：

　　网管中心发送程序升级数据帧时，每帧数据大小固定为512 字节，帧序号从1 开始。从功能标志处起到数据部分最后一字节做累加和作为校验码。最后一帧不足512 字节部分加0xFF 补足。在发送过程中，由于每帧数据以0x1002 开始，0x1003 结束，中间碰到0x10 时，要再补发0x10。接收时除了帧头帧尾，在帧中间时如果连续接收到两个0x10，则需要去掉一个。

　　指定站点在成功接收完一帧程序升级数据后，如果校验通过则擦除对应的BLOCK2 或者BLOCK3中的扇区。这里需要注意的是，C8051F130 的FLASH 扇区大小是1024 字节，而我们的数据帧大小定为512 字节，所以应该接收到每两帧数据才擦除对应的扇区。将程序升级数据写入FLASH 中，同时对每帧512 字节的程序升级数据做累加，并将其累加和作为校验码写入EEPROM 指定位置，最后给出正确回应。如果校验错误，则回应错误。网管中心接收到错误回应时应该重发上一帧数据，否则继续发送下一帧数据。如果帧序号等于总帧数，说明指定站点接收到最后一帧数据，置需要进行程序升级标志，此标志至关重要，因此将其存储在EEPROM 中，为增加其可靠性，另外还存储其反码作为校验，然后直接跳转Bootloader 程序，以升级主程序。

　　程序跳转到Bootloader 程序执行后，首先必须要检查程序升级标志，如果为真，再检查其校验码，只有两者都符合预设的值，才认为确实需要进行程序升级。否则跳转到主程序区执行。

　　程序升级过程如下：首先读出24C16 中存储的程序升级数据的总帧数，为防止写入到BLOCK2/3中的程序升级数据有错误，从BLOCK2/3 中读出每一帧512 字节的数据进行累加，检查其是否和存储在24C16 中的对应数据帧的累加校验码相等。如果所有的的程序升级数据校验都通过，则说明数据正确，开始擦除主程序区FLASH，并再次读出BLOCK2/3 中的程序升级数据写入主程序区FLASH。完成后擦除程序升级标志，跳转到主程序区开始执行新版本固件程序。在读出校验过程中，只要有一帧数据校验通不过，则认为写入到BLOCK2/3 的程序升级数据发生错误，为保证系统安全，擦除程序升级标志，跳转到主程序区执行原版本程序，并等待下一次升级。

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　　3. 需要注意的问题

　　3.1 项目管理问题

　　下位机固件程序中实际包含两个独立的部分，Bootloader 程序和主程序。我们在KEIL 中分别为这两部分的建立独立的项目文件，分别编译。烧写编译后产生的HEX 文件时，应该先擦除FLASH 后，烧写Bootloader 程序，然后在不擦除之前内容的情况下烧写主程序。

　　3.2 Bootloader 的存储位置

　　Bootloader 程序必须保证在上电过程后立即运行，而51 单片机的中断向量存放在低地址处。所以Bootloader 程序不能存储在低地址处，必须存放到高地址处，本例中，留出0xF000~0xFFFF 4KB 的FLASH 空间作为Bootloader 程序存储区。在KEIL 开发环境中，默认会为项目文件提供初始化文件STARTUP.A51 来清空RAM 空间，以及调用初始化全局变量代码段。其默认起始地址安排在0x0000处。为保证上电过程后立即运行Bootloader，我们在起始处还必须要手动修改汇编指令如下：

　　以上代码编译时强制在0x0000 处放置一条跳转到 0xF000 处的指令，这就保证了保证在上电过程后立即跳转到Bootloader 程序运行。为了将Bootloader 程序的所有代码定位在0xF000~0xFFFF 范围内，要对KEIL 的BL51 定位选项设置如下：

　　主程序同样有代码定位的问题。为保证程序升级后能正常工作，修改主程序的STARTUP.A51 文件如下：

　　这里保证执行主程序也是先跳转到Bootloader 程序，而将0x0006 设为了主程序的起始地址，避免了对中断向量表的占用。

　　另外还要将主程序的编译代码进行定位。设置和图4 中类似，只是将Code Ranger 设为主程序的代码空间：0x0000~0xEFFF。

　　3.3 程序跳转时的PLL 设置

　　C8051F130 内部带有PLL，最高主频可达100MHz。在本系统设计中，外部晶振频率为11.0592MHz，在Bootloader 程序和主程序中都通过使能PLL，倍频至99.5328MHz 作为系统时钟。在上电后，C8051F130 默认是以内部时钟作为系统时钟的，通过执行初始化程序，系统再切换到以PLL 输出为系统时钟的工作环境上来。如果通过Silicon Labs 公司提供的初始化软件CONFIG2 来配置初始化C8051F130 的代码的话，在初始化PLL 的过程中，会关闭PLL 模块。

　　// 一个由 CONFIG2 生成的系统时钟初始化程序，

　　// 注意：在调用此函数时，系统时钟是由内部振荡器产生。

　　如果使用这段代码初始化PLL 模块，在主程序跳转到Bootloader 程序，或者由Bootloader 程序跳转到主程序时，必须考虑PLL 的设置问题。因为原工作时钟是PLL 的输出，而直接切换到另外一个程序中时，执行以上代码会关闭PLL 系统时钟，导致系统时钟丢失，工作不正常。一个更安全的做法是在程序间互相跳转之前，将系统时钟切换到上电后默认的内部时钟上。代码如下所示：

　　3.4 寄存器页的切换

　　C8051F130 内部功能模块多，其控制寄存器也多，为了合理安排控制寄存器位置，采用了寄存器页控制寄存器SFRPAGE 来将相同的地址切换到不同的控制寄存器。除了中断函数自动切换到对应的寄存器页外，当在程序中对某个寄存器操作前，需要设置SFRPAGE 切换到对应的寄存器页。因此，在C51 语言编写的程序中，涉及到寄存器操作的模块函数中，需要在执行之前保存SFRPAGE 寄存器值，处理完毕后再恢复先前的SFRPAGE 寄存器值。相当于对SFRPAGE 寄存器值做一次出入栈。示例代码如下：

　　4. 总结

　　通过在系统工作过程中接收程序升级数据，存入内部FLASH，全部接收完成后再集中升级主程序的方法，充分利用了C8051F130 的内部FLASH 空间，对系统的实时工作影响小，仅在Bootloader 程序运行期间不能正常工作，减小了通讯网络通讯状况差时对远程在线更新程序造成的风险。

　　基于以上方法，已经成功设计出可远程在线升级程序的直放站监控系统，使用情况表明，该系统能稳定可靠工作，且为系统的维护节省了大量的工作量。本文介绍的在线程序升级设计方案，虽然是基于C8051F130 单片机的，但对其他类型的在线程序升级设计都有很好的参考作用。