基于P89C51RD2 IAP功能的数据存取与软件升级

摘要：分析Boot ROM中的部分源代码，重点是IAP功能以及ISP和IAP的相互关系；应用IAP功能将剩余程序空间转化为数据空间，以及自编ISP程序来实现仪器的软件升级。 关键词：P89C51RD2 Boot ROM IAP（ISP）功能 软件升级 1 概述 P89C51RD2是Philips公司的80C51系列单片机中的佼佼者，具有1KB的片上RAM和64KB的片上内存；具有3种编程方式，即在系统编程ISP（InSystem Programming）、在应用中编程IAP（In-Application Programming）以及通过商用编程器的并行编程。ISP是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；ISP是指在用户的应用程序中获取新代码对Flash块、Flash寄存器、Boot向量等进行擦除和重新编程，即可以用程序来改变程序。IAP对于仪器仪表的智能化意义重大。高档的智能化仪器都具有自诊断、自修复、自组织、自适应和自学习等功能，而这些功能实现的物质基础，就是仪器的程序可以根据实际情况进行改变和调整。 Philips公司在P89C51RD2中提供了Boot ROM固件，位于0FC00H～0FFFFH空间，与闪存空间重叠，如图1所示。Philips公司提供了寻址该器件的方法，因此可以通过读取其目标代码进行分析研究。有关Boot ROM的读出方法以及Boot ROM与ISP功能的实现在参考文献3已有所论述。 P89C51RD2的IAP功能的实现了是靠Philips公司提供的Boot ROM固件来实现的。Boot ROM固件中已经固化有上述擦除和编程等子程序，只要应用程序来调用即可。通过对Boot ROM反汇编内容进一步的分析可以看出：ISP和IAP是一脉相承的，ISP功能的实现调用IAP功能的子程序。本文将分析Boot ROM中有关IAP及IAP和ISP的相互关系，以达到深入了解和利用IAP功能的目的。 2 对Boot ROM中有关IAP功能代码的分析 3 对Boot ROM中ISP和IAP的相互关系分析 2、3内容请见本刊网络补充版（http://www.dpj.com.cn）。 4 IAP功能的使用 4.1 程序空间用作数据空间 在一个实际的应用系统中，往往有一些关键性的数据需要保存，例如用户设置数据或重要的过程数据。目前的通过做法有两种：一种是在电路中扩展非易失性SRAM，多用在对时间要求比较苛刻的场合；另一种做法是扩展EEPROM（并行或串行）或类似存储器，多用在对时间要求不太荷刻的场合。这两种方法可达到掉电后数据不丢失的目的。 P89C51RD2具有64KB的片上闪存，这对于一般的应用来说足够大，往往会有剩余的闪存空间。在通常状况下，MCU的编程只能通过商用编程器来进行，那么剩余的闪存空间只能作为程序升级的备用空间，而不能作为数据空间；另一方面，如果需要保存数据，还要另外扩展存储器，这样不但增加了电路板的面积，而且增加了调试难度。 而P89C51RD2是一种具有IAP功能的单片机，其内存结构具有如下特点（见图1）： ①闪存空间是分块的。64KB的内存空间共分5块，由低到高分别为8KB（BLOCK0）、8KB（BLOCK1）、16KB（BLOCK2）、16KB（BLOCK3）、16KB（BLOCK4）； ②每一块都可以单独擦除； ③在程序中可以调用IAP功能，对闪存中的每一字节进行单独编程。 正是由于上述3个特点，在一些对时间要求不是很荷刻的场合，都可以将剩余的闪存空间作为数据空间来使用。例如，作者在海洋气象监测仪器的研制中，有些关键数据需要存储，如整点的风速、风向、温度、湿度、气压和降水量的瞬时值和十分钟平均值，以及最值、极值、大风段等。而数据的采集要求3s采集1次，采集处理时间大约需要0.5s，则剩余的时间内就可以利用IAP功能来存储数据。这些存储的数据可以通过串口被上位机调用。 由于整个软件经汇编后大约20KB，因此，将地址为0000H～7FFFH的32KB内存空间作为程序空间，则可以仪器的升级预留足够的空间；而将8000H～0FFFFH的32KB闪存空间留作数据存储空间。由图1可以看出，从8000H～0FFFFH的32KB闪存空间由BLOCK3和BLOCK4两块组成，每一块为16KB，足可以存储10天的数据量。在实际操作中，将BLOCK3和BLOCK4轮流使用，当10天的数据量存满其中一块时，通过程序跳转到另一块中，在使用前先将该块擦除。这样BLOCK3和BLOCK4每过20天便分别被擦除和重写1次。对有关地址定义如下： ADDR_L EQU 30H ；被编程数据的低8位地址 ADDR_L EQU 31H ；被编程数据的高8位地址 DATA_TEMP EQU 32H ；被编程数据 ADDR_L，ADDR_H和DATA_TEMP的具体地址可以根据用户程序的实际情况进行定义；AUXR1，PGM_MTP的定义同前。有关子程序为： 擦除BL0CK3 ERSBLOCK3： ；BLOCK3擦除 MOV AUXR1，#20H ；AUXR1的位ENBOOT=1，寻址到固件 MOV R0，#11 ；晶振为11.0592MHz，取11 MOV R1，#01H ；R1=01H，块擦除 MOV DPTR，#8000H ；擦除BLOCK3 LCALL PGM_MTP ；调用，无返回参数 RET 擦除BL0CK4 EPSBLOCK4: ;BLOCK4擦除 MOV AUXR1，#20 ；AUXR1的位ENBOOT=1,寻址到固件 MOV R0，#11 ；晶振为11.0592MHz，取11 MOV R1，#01H ；RI=01H，块擦除 MOV DPTR，#0C000H ；擦除BLOCK4 LCALL PGM_MTP ；调用，无返回参数 RET 字节编程 WRDATA： MOV AUXR1，#20H ；AUXR1的位ENBOOT=1，寻址到固件 MOV R0，#11 ；晶振为11.0592MHz，取11 MOV R1，#02H ；R1=02H，字节编程功能 MOV DPH，ADDR_H ；高8位地址 MOV DPL，ADDR_L ；低8位地址 MOV A，DATA_TEMP ；被编程数据 LCALL PGM_MTP ；调用，返回参数ACC=0，调用成功，非0调用失败 RET 读闪存字节内容 RDDATA： MOV AUXR1，#20H ；AUXR1的位ENBOOT=1,寻址到固件 MOV R0，#11 ；晶振为11.0592MHz，取11 MOV R1，#03H ；R1=03H，读闪存字节内容 MOV DPL，ADDR_L ；低8位地址 MOV DPH，ADDR_H ；高8位地址 LCALL PGM_TEMP ；调用，返回参数ACC中为读出字节内容 RET 将上述4个子程序结合实际情况灵活运用，便可以实现数据的有效存储，而且这些数据在掉电后是不丢失的，完全达到系统要求。 4.2 IAP功能应用于仪器升级 利用P89C51RD2固有的ISP功能，在所设计的仪器中增加1个拨码开关，便可以实现智能仪器的软件升级。对操作人员的要不高，原理简单易行。具体方法请见参考文献4。 文献4所讨论的ISP功能与远程升级，实质上是在复位过程中，用相应的硬件控制使程序指针跳转到Boot ROM空间的0FC00H处。整个过程由ISP程序模块来控制，而用户程序由于是被升级程序，故完全失去了控制权，编程完毕，需要人工复位并使指针切换到用户程序空间中方可使新程序起作用。这给智能仪器升级带来了麻烦，如果巧妙地利用P89C51RD2的IAP功能，则可以使仪器升级变得更加简单。 前面已经指出，ISP和IAP是一脉相承的，ISP功能的实现调用了IAP功能的子程序。所以完全可以利用IAP功能来设计自己的ISP程序，这样，就可以不必在闪存空间和Boot ROM空间之间跳来跳去。 由于用户程序一般不会超过48KB，故可将BLOCK4留出，作为用户自编ISP功能区空间。在下面的自编ISP程序中，如果上位机误传来擦除BLOCK4的指令，将被认为是错误指令而不予执行，这样就可以保证该部分程序不会被擦除。 整个ISP功能程序的编制可以参照参考文献3分析的Boot ROM中ISP功能的有关程序。不过，可以将波特率自动跟踪去掉，使用固定波特率，并且将整个协议进行简化，将所有功能规划为擦除、编程、读出、校验4大模块，而且这些模块的执行直接使用Philips公司的有关协议，这样Boot ROM中的有关程序就可以作为用户编程的参考。 规定ISP功能的启动命令为“[ISP START]”。当下位机收到上位机传输的该条指令时，便跳转到用户自编的ISP程序中，此时上下位机通过用户的协议就可完成用户空间程序的擦除、查空、编程、校验等功能，直到上位机传来“[ISP END]”指令为止。这就表示所有的程序已经传输完毕并校验成功。此时跳出ISP，使指针指向0000H单元，则系统根据升级正常运行。有关流程如图2所示。 自编ISP程序具有以下特点： *自编ISP程序与上位机的协议参考Philips公司的有关协议并予以简化，启动和结合命令由自己定义，开发比较容易； *自编ISP程序不必在复位时开始执行，升级完成后，可以将程序指针转向新程序，不必重新启动系统； *可以使用固定的波特率，并且T1和T2都可以作为波特率发生器； *触发条件规定为一条普通的串口指令，当下位机接收到该条指令后，即跳转到自编的ISP程序空间中。 使用这种方法也存在一定的缺点，由于自编ISP程序相当于一块固化程序，不能轻易擦除，因此，这种方法一般不能对整片进行升级。但考虑到P89C51RD2具有64KB的Flash ROM，用户程序空间很少能使用到BLOCK4，所以该方案在一般情况下是切实可行的。