PIC单片机的BootLoader实现

引 言 

　　PIC单片机的BootLoader属于需要自己写程序的那种，可以根据自己的需要写出各种功能的BootLoader程序来。目前，比较常见的BootLoader程序有Microchip公司的C18版本和著名的PICC编译器厂商 HI-TECH公司（以下简称HI-TECH）的PICC18版本。它们的相似之处在于都占用了系统的0x00～0x1FF的程序空间。 Microchip的版本是用纯汇编写的，而HI-TECH的版本是用C语言编写的。 

　　在PIC系列单片机中，只有PIC18系列和PIC16F87X系列的单片机才有IAP功能，才能够使用BootLoader功能。下面只介绍PIC18的BootLoader，PIC16F87X的BootLoader与它类似。 

1 BootLoader程序的工作原理 

　　BootLoader是一段引导程序，在单片机上电/复位后在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 Flash中原有的程序；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。接收数据时，需要进行校验，保证接收到的数据是正确的，避免将错误的程序写入到芯片中。 

　　PIC18单片机只有一块Flash，可以在Flash的任何位置擦写（甚至可以将BootLoader自身擦除）；而51单片机一般都是两块Flash，只能够从一块Flash上擦写另一块Flash，而不能擦写自身。 

　　BootLoader程序原则上是可以放在整个程序空间中的任何位置的，但是为了简单方便、具有通用性和尽量减少对用户程序的影响，使用了从0x00开始的一段程序空间。 

　　BootLoader程序可以多种方式获取数据，包括串口、并口、I2C、SPI、USB等；但是从实际使用来看，使用串口无疑是最方便的。 

　　为了使得用户程序可以获得最大的程序空间，就需要BootLoader程序尽可能的简短。在这里，Microchip和HI-TECH都将 BootLoader程序设计为小于200H个字节（100H个字）。使用0x00～0x1FF这个区域还有一个重要原因是，这个地址的空间有特殊的写保护特性。 

　　PIC18单片机虽然有多个中断源，但只支持两级中断，有两个中断向量，分别位于0x08和0x18；而 BootLoader程序占用了0x00～0x1FF的空间，这意味着需要重新定位中断向量，使新的中断向量指向用户的中断程序，这样才能保证正常运行用户程序的中断程序。 

2 程序的使用方法 

　　（1） HI-TECH的BootLoader程序 

　　在HI-TECH的PICC18编译器的examples文件夹下，有一个Bootldr子文件夹，里面就是HI-TECH的BootLoader程序。这是一个完整的程序，可以直接进行编译，编译后的HEX可以用编程器下载到芯片中。 

　　（2） 用户系统的要求 

　　如果需要使用BootLoader，要求用户系统中有一个RS232串口可以和计算机进行通信。 

　　（3） 程序的配置 

　　下面是程序的主要参数，如果它们设置得不正确，会影响程序的使用。 

　　VERB0：冗余模式，有更多的提示，但是会占用更多的程序空间，建议不用。 
　　BOOT_TIMEOUT：等待超时的时间，0～9s（再长了也没有意义），默认为5s。 
　　BAUD：串口通信的波特率，默认是9 600。 
　　FOSC：用户系统的时钟频率，默认是4 MHz。 
　　NINE：通信是否使用第9位数据位，默认不使用。 
　　FILL_BYTE：程序空间擦除时使用的填充数据，默认值是0xFF。 
　　PROG_START：用户程序的起始位置，默认是0x200。 
　　其他的参数可以先不用管，在需要时再修改，它们不影响通信和下载。 

　　（4） 程序的编译 

　　有两种方法对BootLoader程序进行编译： 

　　① 命令行方式。使用命令行时，典型的用法是： 
　　picc18 -8f452 bootldr.c -o -zg -noerrata 
　　上面的最后一个参数 -noerrata是PIC18Fxx2系列单片机需要的，若是其他型号，就不用加入；而参数 -18f452是指定单片机的型号，如果是其他型号，就修改为实际使用的型号。 


　　② 使用MPLAB IDE。使用MPLAB IDE时，首先按照正常方式建立一个新的工程文件，选择工程文件目录，然后加入HI-TECH的SamplesBootldr目录下文件 bootldr.c和bootldr.h。建立工程文件时，选择MCU的型号为实际使用的型号，选择C编译器为HI-TECH的PICC18编译器。 

　　（5） 用户程序的配置 

　　使用HI-TECH版本的BootLoader，对用户程序的修改是非常少和简单的，只需要修改用户程序的偏移量就可以了，而不需要修改任何程序代码或进行任何特殊的配置。因为BootLoader程序需要占用0～1FFH的空间，所以用户程序需要从200H处开始运行，即设置程序的偏移量为200H。方法是在MPLAB IDE中，从菜单中选择Project→Build Options...→Project，在PICC-18 Linker页标下的Specify offset for ROM（ROM代码偏移量）中输入偏移量200（注意这里输入的已经是十六进制了，不用再转换），如图1所示。 

　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 1 

　　（6） 程序配置字 

　　对于每个PIC单片机的芯片，都需要设置正确的程序配置字后才能正常运行。虽然在BootLoader中是可以修改配置字的，但是这样并不安全，也不方便。一般情况下，程序配置字设定后是不需要修改的，所以配置字在烧写BootLoader程序时就一起写入单片机芯片，以后就只使用BootLoader 来升级(烧写)程序，这样不会破坏芯片的配置字。 

　　（7） 调试用户程序 

　　平时，在编写和调试用户程序时，还是和正常方式一样，单片机中不包含BootLoader程序，也不设置偏移量（或者设置为0），以方便使用ICD2等仿真器进行程序仿真。等程序调试好后，再修改程序的偏移量为200H，并重新编译程序，产生最终的用户HEX代码。这样编译好的程序才可以使用BootLoader进行下载。 

　　（8） 下载用户程序 
　　　　 
　　使用HI-TECH的BootLoader程序，在下载用户程序到单片机中时，可以不需要特殊的下载程序，只需要使用Windows自带的超级终端程序就可以了。超级终端的通信参数需要设置成和BootLoader程序的一样，包括波特率、校验、数据位、停止位等。 

　　首先连接好串口线，再启动超级终端程序，然后复位单片机（单片机中应当已经写入了BootLoader程序）。这时，在超级终端的窗口中会显示出一个倒计时的计数器，计数器的初始值就是上面的BOOT_TIMEOUT参数。计数器每秒钟刷新一次。当计数器为0时，就会运行以前的程序。如果这期间从超级终端输入任意数据（就是随便按一个键，或者说单片机从串口上接收任意数据），计数器就会停止计数，进入升级状态。这时BootLoader程序会首先擦除旧的程序空间，然后屏幕上会显示出一个冒号“：”，提示等待下载用户程序。这时就可以从超级终端的菜单中选取传送→发送文本文件，选择编译好的HEX文件即可。如果下载成功，超级终端的窗口中会显示出一个小括号“)”，提示下载已经完成，同时用户程序会自动开始运行。使用BootLoader下载时，因为串口的速度相对比较慢（与编程器相比），所以需要等待一会儿。具体时间与用户程序的大小有关。如果下载中出现错误，单片机会自动复位，进入倒计数状态，重复上面的过程。使用超级终端比较简单，不需要特殊的下载软件；但是缺乏交互性，没有进程指示，如果下载过程中出现错误也不能停止下来。 

3 BootLoader程序的改进 

　　（1） HI-TECH的BootLoader程序中存在的缺陷 

　　虽然HI-TECH版本的BootLoader程序已经很方便了，具备了所有必需的基本要素；但是程序中存在着一些缺陷，甚至是很重大的隐患，不太适合于直接使用在实际工程中。下面是主要存在的几个问题 

　　①BootLoader是以从串口上接收任何数据为标志进入BootLoader状态的。进入BootLoader状态后，BootLoader程序做的第一件事情就是擦除以前程序的空间。如果在实际使用中，单片机因为某种意外原因被复位，而且复位后运行BootLoader时在串口上有任何数据（如干扰信号或者系统正处于串口通信状态），就会造成用户程序的丢失。

　　② BootLoader程序中没有使用看门狗。如果升级失败或者升级过程中程序死机，将不能恢复到初始的升级状态。这对于直接串口连接的方式问题不大，但是需要使用远程升级时是一个致命的问题。 
　　③ 在写入用户程序过程中如果出现数据错误，就会复位，而这时用户程序已经被部分写入了。如果复位后运行BootLoader程序没有收到信号时，会启动用户程序。这样残缺的用户程序就可能会造成运行故障和不可预料的结果。如果看门狗是在用户程序中打开的，这时就有可能出现看门狗没有被启动而死机的现象，这是远程升级中一个严重的问题。 
　　 
　　 ④ BootLoader程序中允许写EEPROM和芯片配置字。虽然这样增加了灵活性，但是这样是不安全的。如果配置字不小心设置错了，下载后会使整个芯片不能正常运行。这时需要重新用编程器修改配置字才行。 

　　只有设法克服上面提到的缺陷，才能将BootLoader程序应用到实际系统中。 

　　（2） 对HI-TECH的BootLoader程序的改进 

　　针对上面提到的问题，对HI-TECH的BootLoader作了一些修改，删除了部分很少用到的功能和不安全的功能，同时修改了进入 BootLoader状态的判断条件。除了使用增强的串口数据识别方式外，还增加了电平检测的方式，用来判断是否进入BootLoader状态。 

　　 ① 针对上面第一项中的问题，修改为识别特定字符串才可以进入BootLoader的升级状态。特定字符串的内容和长度可以由用户自己定义（长度不能超过12字节。在一般情况下，12字节的识别字符串应当足够长了）。可以使用任何数据（包括0）。 

　　 ② 增加了特定引脚电平判断方式，在BootLoader程序运行后，判断某个特定的引脚上的电压是否是预定的电压，由此决定是否需要进入BootLoader升级状态。引脚和预定电压（高/低）可以自由设置。这种方式比较安全，但是不太适合于远程升级。 

　　 ③ 增加了看门狗选项，可以设置使用/不使用看门狗。一般设置看门狗的溢出时间在0.5～2s比较合适。 

　　 ④ 增加了编程响应。在每成功接收到一行HEX数据后，发出一个回应字节，用于编程时的错误检测。PC端的下载程序可以根据这个字节来判断下载过程中是否出错。 

　　 ⑤ 针对上面3(1)中③的问题，可以这样解决。将编译后的HEX文件手工稍作修改，将0x200～0x220（假设用户程序是从0x200开始的）地址段的数据从文件的开头移动到文件的结尾。这样0x200处的代码会在最后才写入单片机中。如果写入过程中出现故障，复位后即使BootLoader启动了用户程序，也会因为这段区域没有代码而重新复位，而不会去运行部分被写入的用户程序。不过这种方法需要对HEX文件的结构有一定的了解才行。一个简单判断 HEX数据地址的方法是,HEX文件的每一行第一个字符是冒号“:”，冒号后的第3、4、5、6这四个数字就表示这一行数据的地址，是以十六进制表示的。如：“：100200...”就表示地址是0x200。在正常情况下，编译后的HEX文件数据是地址从低到高的顺序排列的。 

　　改进后的程序增加了一部分参数，它们是： 
　　BOOT_SIGNAL——使用单片机引脚电平触发方式进入BootLoader； 
　　BOOT_SIGNAL_PORT——定义电平触发启动方式检测用的引脚； 
　　BOOT_SIGNAL_LEVEL——定义检测电平1=高电平触发，0=低电平触发； 
　　BOOT_TIME_DELAY——使用超时方式进入BootLoader，这个参数和上面的BOOT_SIGNAL不能同时使用； 
　　USE_EXTEND_HEX——是否接收扩展的HEX代码，不使用可以节省代码，建议不用； 
　　USEWDT——是否在BootLoader中使用看门狗，建议使用； 
　　CONFIRM_TIME——联机同步字节数，在超时方式中使用多字节进行同步； 
　　CONFIRM_DATA——用户可定义的联机数据； 
　　USE_ECHOBACK——编程时是否回应，使用可以增加下载时的安全性，建议使用。

　　使用了BOOT_SIGNAL方式后，与超时方式相关的部分都不再起作用。这时可以定义使用任意引脚来判定是否需要进入BootLoader。在使用 BOOT_TIME_DELAY(超时方式)时，增加了一些与之相关的内容，如CONFIRM_DATA，可以使用任何特定的字符串来确认是否需要进入 BootLoader状态，增加了BootLoader程序的安全性，避免受到干扰而误进入程序升级状态。 

　　（3） 其他改进的建议和方法 

　　 ① HI-TECH的BootLoader程序接收的是标准的HEX文件。这在很多时候是不够安全的，不利于程序的加密，容易被反汇编和破解。可以对HEX进行加密处理，变成不能直接查看的数据。 

　　 ② 使用超级终端进行程序下载速度比较慢,同时，如果下载中出现错误，超级终端程序不能及时发现停止下来，而是一直把文件发送完才能停下来。这时 BootLoader程序会反复进入BootLoader状态，对单片机有一定的损伤。最好是自行编写一个计算机端的专用下载程序，不但可以提高下载的速度，也可以提高下载的成功率。 

　　 ③ 使用RS422/485方式。有些时候，使用的并不是RS232串口，而是RS422/RS485串口。它们实际是类似的，只是在接口方式上有些区别。RS422/RS485需要控制发送，所以在BootLoader程序中增加一个发送控制就可以了。 

　　 ④ 在BootLoader中，将波特率设置得很高并没有太大的用处，它并不能够提高下载整体的速度，而只能加快数据传输的速度。因为整个下载分为数据通信（数据传输）和Flash写入/擦除（数据等待）两个部分。程序代码Flash空间的擦除和写入速度是比较慢的（典型值是3～4 ms），太快了反而容易丢失数据，造成下载失败。使用9600 bps的波特率时，传输1字节的数据大约是1 ms，接收一个缓冲区8字节大约需要8 ms，大于写入延时，所以不需要延时；当通信速率超过9600 bps时，接收8字节缓冲区的时间可能会小于写入时间，需要在通信中延时。实际使用的测试结果是：使用9600 bps比使用14 400 bps时慢50%，使用57 600 bps比9600 bps快一倍，而使用115 200 bps时与57 600 bps几乎没有任何区别。如果使用超级终端下载，就更没有必要设置高波特率了。因为在使用最常用的三线方式通信时（没有控制信号），超级终端采用了比较保守的方式发送数据，本身就比较慢。 
　 
结语 

　　一个良好的BootLoader程序应该具有良好的可维护性并可以正确处理异常情况，不会因为意外情况引起系统的损坏和崩溃。 

　　可以在http://shaoziyang.logchina.com/blog/article_156363.936124.html处下载改进后的BootLoader程序（这个程序已经在实际工程中使用了较长时间，很稳定），以及一个替换超级终端的PIC18专用下载程序(这个程序的下载速度比超级终端快很多，可以自行定义波特率和联机的字符串，具有BootLoader区代码保护功能和下载错误检测功能)。 

参考文献 

1 Microchip.PIC18F1220/1320/2320/6620/6621数据手册 
2 Microchip应用说明AN851：A Flash Bootloader for PIC16 and PIC18 Devices 
3 HI-TECH的PICC18（ver8.35pl2）软件的BootLoader程序代码和程序说明