Freescale HCS12系列MCU的通用编程器设计

引言
    随着Flash技术在微处理器上的广泛应用，单片机在开发和应用手段上有了革命性的变化，从传统的仿真器(ICE)到目前流行的JTAG等。设计人员仍然在不断地寻找一种移植性更高、更易操作、费用更低的开发手段。随着微处理器制造工艺的提高，一些高端微处理器(如CPU12／16／32、PowerPC、ColdFire等)内部已经包含了用于调试的微代码，都可以通过BDM等进行调试。由于这种方法省去了仿真器，因此避免了高频操作、交直流电的不匹配等问题，而且随着BDM标准的不断规范和普及，用BDM调试模式进行嵌入式开发已经成为首选。
    Freescale公司HCS12系列MCU通用编程器是支持Freescale公司MC9S12系列、MC9S12X系列单片机的BDM调试工具，它可以用于对Freescale公司所有16位MCU的写入和擦除操作。

1 编程器概述
    Freescale公司16位MCU通用编程器是用于Freescale公司16位MCU的BDM调试工具，编程器采用MC68HC908JB8为主控芯片，与目标板以BDM方式进行通信，与PC方则采用USB接口通信，由USB提供电源。编程器系统框图如图1所示。编程器的主要功能是实现对目标芯片Flash的擦除和写入。

    编程器采用M68HC908JB8为主控芯片。与PC方通过USB进行通信，与目标板则通过BDM驱动模块以BDM方式进行通信，系统由USB提供电源。

2 系统软件设计
    软件系统的设计主要包括：通信程序接口设计、PC方用户程序设计、MCU方擦写程序设计。系统在对目标芯片Flash进行擦除和写入操作时，首先由PC方程序获取用户操作指令，然后调用相应的MCU方擦写程序。通过通信程序接口将需要执行的擦除或写入程序写入目标芯片的RAM区，最后在PC方程序的控制下转向擦写程序所在RAM区的地址执行程序以完成对应操作。
    编程器使用USB方式与目标板进行通信。PC方的用户程序与底层MCU方程序进行通信时，通信程序使用Freescale公司提供的相应动态链接库来实现。
    BDM通信程序动态链接库主要包含的函数如表1所列。具体实现时只需要直接在PC方用户程序中调用动态链接库的函数即可。

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3 PC方用户程序设计
3．1 程序主流程
    PC方用户程序界面如图2所示，主程序流程如图3所示。S19是编程器生成的可下载的文件格式。

    启动程序后首先检测设备是否已经连接，如果没有连接则返回错误信息，禁止以下的擦除和写入操作。
    初始化过程结束，成功进入BDM模式后，系统开始等待用户的操作指令，根据相应的指令作出操作。用户在完成所需操作后按退出，关闭设备并退出主程序。
    为了实现编程器对HCS12系列MCU的通用性，“选择芯片芯号”模块的设计致关重要。要详细分析HCS12系列MCU的特性，提取共性和相区别的信息，特别是RAM和ROM区的首尾地址信息，这些信息都需要存放到系统的相应数据库中，以供编程器系统运行时根据所选芯片型号进行读取，作为擦写程序的起始地址数据。
3．2 擦除操作
    PC方擦除操作程序流程如图4所示。在取得擦除命令后，程序首先载入对应芯片的擦除程序，然后将擦除程序的S19数据写入目标芯片的RAM区中，最后执行GO PC指令，转向芯片中擦除程序所在RAM区中的地址，执行擦除程序。

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3．3 打开和分析S19操作
    执行该操作，首先按行读入打开的S1 9文件，并将S19数据保存到字符串数组中，每读入一行同时验证该行的校验和，数组中一个单元就是S19一行的数据。然后对数据以页为单位进行重新组合，并重新保存到新的字符串数组中，释放先前的数组空间。
3．4 写入操作
    PC方写入操作程序流程如图5所示。在取得写入命令后，程序首先取一页数据，将数据写入RAM区相应区域，接着判断写入程序是否已经写入RAM区中，若没有则再将对应芯片的写入程序写入RAM区。然后执行GOPC指令转向目标芯片写入程序所在RAM区中的地址处，开始执行写入。写入程序则进入等待写入完成状态，如果等待超时则中途退出；否则，若一页写入完成，则接着进行下一页的写入操作，直到最后一页。

4 MCU方擦写程序设计
    MCU方的擦写程序用于完成对目标芯片Flash的擦除和写入操作。由于在Flash的擦除和写入过程中，Flash是不能读的，故擦除和写入Flash的程序要放在RAM中，也就是说，在Flash的擦除和写入前，要把擦除或写入的可执行代码复制到RAM中去，并让程序在RAM中执行，这一部分操作是由PC方程序完成的。
    Flash的擦除和写入操作应按以下步骤进行：
    ①清除Flash状态寄存器FSTAT中的出错标志位ACCERR和PVIOL，这是由于如果过去的Flash操作中如果有过出错的情况，上面提到的出错标志位将被锁存。与其检查这些标志位是否需要清零，不如清零这两个标志。方法是向状态寄存器FSTAT的这两位写零。
    ②写Flash配置寄存器FCNFG的b1和b0。以MC9S12DP256为例，这两位表示选择256 KB的Flash中的哪一个64 KB。这里0x00表示PPAGE号为0x3F、0x3E、0x3D、0x3C这64KB，0x01表示PPAGE号为0x3B、0x3A、0x39、0x38这64 KB，0x02表示PPAGE号为0x37、0x36、0x35、0x34这64 KB，0x03表示PPAGE号为0x33、0x32、0x31、0x30这64 KB。
    ③写PPAGE寄存器。
    ④检查上一次Flash处理的命令是否执行完成，能否写入新的命令。这是通过Flash状态寄存器FSTAT中的命令缓冲区的标志位CBEIF是否为1，即命令缓冲区是否可以使用来实现的。若不能使用，则等待，直到可以使用。
    ⑤将要写入的数据字写到相应的地址中，地址必须为偶数地址。对于擦除操作，则被擦除段的任意地址都可以。
    ⑥向FCMD命令寄存器写命令字0x41表示整体擦除，0x20表示单字节写入。
    ⑦向Flash状态寄存器FSTAT中的命令缓冲区的标志位CBEIF写1清零。这时状态寄存器中的CCIF位将置位，说明操作成功。

结语
    利用MC68HC908JB8作为主控芯片，通过USB与PC方交互通信，以BDM方式与目标芯片进行通信，实现了一种用于Freescale HCS12系列MCU的通用编程器。系统选用MC68HC908JB8 MCU进行设计，不仅是因为这款芯片性价比高，而且在于其USB模块使操作更加方便和可靠，本文所提出的16位通用编程器工作可靠，成本低。读者可以以本系统为蓝本，设计自己的应用于其他系列芯片的编程器，应用到支持BDM标准的其他系列微控制器中。