PIC18单片机的一种新颖的Bootloader设计

引言
    Bootloader是操作系统在内核运行之前运行的一段小程序，其功能主要是完成软硬件设备初始化，建立内存空间映射，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，或者加载操作系统映像文件实现系统软件升级。针对PIC18系列单片机，目前市面上仅存在HI-TECH公司提供的Bootloader程序，并且需要借助串口调试助手。本文基于Microchip公司的MPLAB软件开发环境设计了一种新颖的Bootloader，并配套编写了PC机端上位机界面程序。其特点是控制灵活，使用便利，系统升级安全可靠。

1 Bootloader的实现
1．1 Bootloader的操作模式
    Bootloader在单片机上电／复位后、用户程序之前先运行，运行后判断当前是否需要进入升级状态。如果不需要升级，就直接运行原有的程序；如果需要升级，首先擦除旧的程序，然后从串口接收用户程序，同时写入Flash中。Bootloader有2种操作模式：
    ①启动加载模式，也称为“内核启动”模式。即Bootloader从目标机上的某个固态存储设备上将操作系统加载到RAM中运行，整个过程并没有用户的介入。
    ②下载模式。在这种模式下，目标机上的Bootloader将通过串口、网络连接或者USB等，从上位机下载操作系统文件，然后保存到目标机上的Flash类固态存储设备中。Bootloader的这种模式通常在第一次安装内核与根文件系统时被使用，此外，以后的系统更新也会使用Bootl-oader的这种工作模式。
    本文设计的Bootloader同时支持这两种工作模式，一开始启动时处于正常的启动加载模式，但并不立即启动进入内核，而是提示延时3 s，上位机用户如果发送某些信息给目标机，则切换到下载模式，否则继续启动内核。
1．2 Intel HEX文件
    Intel HEX文件是由一行行符合Intel HEX文件格式的文本所构成的ASCII文本文件。在Intel HEX文件中，每一行包含一个HEX记录。这些记录由对应机器语言码和／或常量数据的十六进制编码数字组成。每个记录包含5个域：数据长度域，它代表记录当中数据字节的数量；地址域，它代表记录当中数据的起始地址；代表HEX记录类型的域；数据域，它代表一个字节的数据，一个记录可以有许多数据字节，记录当中数据字节的数量必须和数据长度域中指定的数字相符；校验和域，它表示这个记录的校验和，通过将记录当中所有十六进制编码数字对应的值相加，模除256，所得余数的补码即校验和。
1．3 Bootloader的设计
    本文所设计的Bootloader程序采用的编译器是MPLAB软件开发环境的mcc18编译器，升级文件格式为Intel HEX格式。根据Intel HEX文件的格式，将文件内容的每一行封装成一帧，加上帧头和帧尾以确保数据传输的可靠性，并采用半双工的通信模式，对错误帧进行重传。
    主程序代码如下：

    主程序流程如图1所示。下载系统映像文件并写入程序存储器的程序流程如图2所示。

1．4 PC端操作界面的设计
    PC端操作界面主要用来实现以下几个功能：
    ①串口参数设置。设置串口通道号、数据位数、波特率等参数。
    ②用户登录。输入用户名、密码，与下位机进行验证。
    ③选择系统映像文件。选择系统映像HEX文件，逐行读入并通过串口发送给下位机，如有错误重新选择。
    ④提示用户系统更新完成(或失败)。显示系统更新进度，提示用户系统更新结果。

2 设计中的几项关键技术及注意事项
    ①如果一次性将HEX文件中全部数据通过串口发送给目标芯片，则在通信过程中发生一字节的错误传输，就将导致全部数据需要重新发送；并且还要考虑到芯片的写Flash处理速度与串口速率的大小关系，否则将导致接收数据的丢失。为加强通信的可靠性与串口速率的可变性，本文所设计的Bootloader采用半双工的通信模式与上位机进行通信：以HEX文件的一行作为一帧数据，每帧数据校验结束后向上位机发送回复数据，上位机根据回复数据判断发送数据帧的正误来选择重发或继续发送下一帧；并且在进行升级之前与上位机通信进行用户名和密码的核对，以确保当前的升级操作不是误操作。
    ②对PIC18系列的程序存储器的写操作每次写入8字节的块，并且程序Flash单位写入只能由1变为0。但是HEX文件的内容并不是按照需要生成的，每帧的数据长度可以不同，相邻帧的地址域的内容也可以不同。为此，在对程序存储器进行写操作时，需要根据地址域内容将数据域内容以8字节为单位合并成数据块，不足8字节的要填充0xFF。本文所设计的Bootloader程序采用一个环形Buffer的结构体来实现这一操作：

③芯片的默认中断向量的起始是0x08和0x18，这是不能改变的，要想改变中断向量入口地址就要在这两个地址位置添加跳转指令，以跳转到用户程序的中断向量入口地址。PIC18系列的程序存储器的部分地址区域具有写保护性，为防止此区域之外的Bootloader程序被擦除或改写，需要对接收数据的地址域内容进行判断。如果小于用户程序起始地址，则需要向上位机回复“写地址错误”，并丢弃当前数据帧。

结语
    实验证明，本文设计的Bootloader功能稳定，且控制方便，可根据用户的需要灵活改变。譬如，在用户程序中添加系统复位机制即可实现在线升级，为PC端操作界面添加网络下载模块即可实现远程控制系统升级，这对于嵌入式产品的发布和软件升级极其重要。