基于C8051F34x单片机的USB Bootloader设计

刘云龙 ，张伟霞

(1.广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663；2.广州广电运通金融电子股份有限公司，广东 广州 510663)

Bootloader(以下简称BL)是一段引导程序，在单片机上电或复位后在应用程序(以下简称APP)之前先运行，来判断当前是否需要进入升级状态。如果不需要升级，就直接跳转到APP运行；如果需要升级，首先擦除旧的APP，然后通过某种通信接收APP固件程序，同时写入Flash中。

BL固件程序能以多种方式获取数据，包括串口、并口、I2C、SPI、USB等，但是从实际使用和成熟度来看，使用串口无疑是最方便的。如今，USB总线凭借其方便、快速、灵活、稳定、应用范围广等优点被广泛地应用、发展和普及，使用USB进行数据传输是一种趋势。本文设计的BL主要基于USB通信，同时考虑到模块兼容，保留了串口通信。

一般来说，一个BL应该能够完成以下功能：(1)通过某种通信收发数据；(2)擦除并升级APP应用固件程序；(3)判断APP固件的完整性；(4)APP与BL的中断跳转问题。而基于USB通信的BL，除了要完成一般BL的功能，还需要考虑BL与APP共用除USB中断外的USB一般处理函数等问题。下面对BL固件程序设计、APP固件程序设计以及上层软件设计进行详细介绍。

1 USB Bootloader设计

1.1 硬件平台

本文设计的USB BL是基于SiliconLabs公司C8051F34x系列单片机实现的；C8051F34x器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有片内上电复位、VDD监视器、电压调整器、看门狗定时器、时钟丢失检测器、时钟振荡器、USB、SMBus/I2C、UART、SPI、定时器、I/O、多达4 352 B片内RAM和64 KB的片内Flash存储器，Flash存储器还具有在系统重新编程的能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。

C8051F34x器件集成了一个完整的全速/低速USB功能控制器，刚开始设计时采用C8051F34x自带的USB，但是静电测试不符合要求，最终选用了C8051F34x和PDIUSBD12组合，解决了静电问题。

PDIUSBD12是一款性价比很高的USB器件，它符合USB1.1版规范，可与任何外部微控制器实现高速并行接口(2 Mb/s)，具有良好的 EMI特性，高于 8 kV的在片静电防护电路等，详细资料请查询参考文献[3]。

1.2 BL和APP固件的地址分配

USB BL预计将占用8 KB的地址空间，从0x0000h到0x1FFFh，包括USB BL固件程序本身和用来判断程序是运行APP还是BL的一段签名程序。BL与APP地址空间分配如图 1所示，APP固件程序存放的地址空间从0x2000h开始。

图1 BL与APP地址空间分配

1.3 BL和APP的自动跳转

在程序中，设置一个设备模式标志位，用来判断程序是应该运行在BL中还是在APP中，此标志位存储在RAM的一个固定地址2F7h处。本文设计的BL，DEVICE_MODE为设备模式标志位，其值等于1时为BL_MODE(BL模式)，其值等于 0为 APP_MODE(APP模式)。

有两种情况设备模式为BL模式，可以下载更新APP固件程序：一是在指定的签名地址处没有指定的两字节的签名；二是Flash写错误，在C8051F34x单片机中，Flash读地址超出了用户代码空间，即MOVC操作的地址大于0xFBFF，发生Flash错误复位后，FERROR位(RSTSRC.6)被置位。

上电后是否运行APP固件程序通过第一种情况判断。当需要更新APP固件程序时，造成Flash写错误，通过第二种情况进入BL模式，开始更新程序，如图2所示。

图2 BL和APP的自动跳转

1.4 中断重定位

一般情况下，MCU中断向量分布在复位 (0x0000)以后，位于低地址空间。由于BL程序占据了此段空间，因此，除了 USB0中断(中断序列表第8号中断)和串口中断 (中断序列表第5号中断)，其他所有的中断(C8051F34x共有16个通用中断)都需要做中断二次映射。也就是说，需要在原中断向量入口地址处手动添加二次跳转函数，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APP固件程序的中断程序。具体的跳转地址由APP固件程序起始地址决定，这一部分在START51.A51中通过编写函数来完成。假设固件的起始地址设置为0x2000H，则中断跳转的实现过程如下。

首先定义几个常量：

中断向量重映射：

1.5 中断处理函数

8号USB中断由于同时要被BL固件和APP固件调用，因此不能对其进行二次跳转，而通过共享的USB库文件中的USB_ISR主中断处理函数进行处理，通过DEVICE_MODE判断当前设备处于BL模式或APP模式来自动地二次跳转到BL固件或APP固件的USB中断处理函数处，如图3所示。

图3 BL中断函数分流处理

需要注意的是，4号串口中断同样要被两者所调用，因此对4号中断的处理与8号中断相同。先由4号中断入口地址跳转到原地址处，然后在此地址处根据设备模式进行中断分流，决定是到BL还是到APP的中断处理函数处。

1.6 USB BL命令函数

BL固件程序中的命令函数如表1所示。

(1)Erase Page：擦除APP固件程序和签名；

(2)Write Page：将APP固件程序的HEX文件写入Flash；

(3)Write Signature：APP固件程序写 Flash成功后，将签名写入指定的地址处，表示APP固件已经存在于Flash中；

(4)Get Version：取BL程序的版本号。

表1 BL固件程序中的命令函数

2 APP固件程序设计

使用USB BL，需要对APP固件程序进行一些添加和修改。

(1)由于BL占用了 0x0000~0x1FFF的空间，APP固件程序是以0x2000h作为起始地址的，这样就需要修改APP程序的偏移量。

①修改 STARTUP.A51文件，把“CSEG AT 0”变为“CSEG AT 2000h”；

②点击 Porject->Options for Target‘Target1’， 点击C51项目栏，把 Interrupt vectors address栏选中，内容改为0x2000，点击BL51 Locate项目栏，将code项改为0x2000。

(2)APP固件程序应该具备从APP转到BL的功能，需要增下以下代码：

①main()主函数中增加接收更新APP固件程序的命令字以及对此命令的处理代码，使用BOOTLOAD_REQ()命令来触发一次Flash读复位，使器件进入BL模式；

②在STARTUP.A51文件增加以下代码：

//造成 Flash写错误地址定义

PUBLICBOOTLOAD_REQ

BOOTLOAD_REQ EQU 0FFFFh

③在头文件中添加函数声明：

void BOOTLOAD_REQ(void)

(3)去掉与BL重复的USB通信函数部分，特别是要去掉Control_USB()函数(该函数主要完成设备请求处理函数)，因为此函数在BL中已经实现，并且用绝对地址固定，应用程序只需跳转到固定的绝对地址处即可，修改如下：

①在STARTUP.A51文件增加以下代码：

//control_usb地址定义

PUBLIC Control_USB

//USB通信产生的外部中断1在APP固件的入口地址

Control_USB EQU 1300h

②注意需要在BL中先定义Control_USB的入口地址，方法如下：在 BL工程下，Porject->Options for Target‘Target1’，点击 BL51 Locate项目栏，将 code项修改为

？PR？VCONTROL_USB？BOOTLOADER_F340(0x1300)；

(4)修改USB中断处理函数：由于 USB控制器采用PDIUSBD12，其中断引脚 INT_N接 C8051F34x的 P0.7引脚，且该引脚被配置为外部中断1，电平触发方式，低电平有效。因此应在外部中断1中断处理函数中获取USB中断源并进入相应的子程序进行处理。

(5)USB设备的枚举过程在BL中完成，因此PID、VID是BL程序所决定的，需要在BL中改变此处的值以适应自己的模块。

(6)保护被BL使用的位，DEVICE_MODE的位地址，在STARTUP.A51文件中，在宏定义和代码段开始之前增加以下的代码：

3 远程在线下载

3.1 下载步骤

(1)从APP切换到BL。此时，程序正常运行在APP模式，发送更新程序命令，致使Flash写错误进入BL模式。

(2)擦除 Flash。在 BL模式下，发送擦除 Flash命令，擦除签名和APP固件程序，返回成功ERASE_OK。

(3)写 Flash。擦除 Flash成功后，可以将新的 APP固件程序的HEX文件写进Flash。校验失败，返回WRITE_FAILED，成功返回 WRITE_OK。

(4)写签名。写Flash成功后，将2 B的签名写到指定的地址处，表示APP固件已经存在于Flash中。

(5)从BL切换到APP。写签名成功后，使程序跳转到APP固件程序处执行。

3.2 上层软件设计

本文使用VC++6.0开发了BL上层软件，如图4所示。

在线下载时，有两种方式：(1)正常下载，这是常用的一种方式，这种下载方式在下载前和下载后会进行APP固件程序版本比较，如果是不同版本的程序，可以进行升级，如果是同一版本的程序，直接返回成功；(2)强制下载，这种下载方式不进行APP固件程序版本比较，点击即可进行升级，一般在APP固件程序调试时多次下载使用。

在线下载使用方法：首先点击“浏览”按钮，查找到用于升级的新版本的HEX文件；再点击“正常下载”或“强制下载”进行程序升级；然后在右边查看返回结果，看升级是否成功。

3.3 设计注意点

在APP转BL以及BL转APP时，需要考虑USB枚举时间，枚举成功后才能正常地发送和接收。远程下载过程中，需要考虑一些异常情况，如PC主机死机、模块CPU死机、死循环或复位等，针对这些情况，本设计均作了冗错处理。

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。本文结合实际应用，设计了一个实用的USB Bootloader。经大量测试和实际应用，可满足开发和维护人员的要求。

[1]Silicon Labs.USB Bootloader with shared USB[DB/OL].Xpress Library，2008.2.

[2]潘琢金，译.C8051F340/1/2/3/4/5/6/7全速 USB FLASH微控制器数据手册[Z].新华龙电子有限公司，2006.01.

[3]周立功.PDIUSBD12 USB固件编程与驱动开发 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[4]王朔，李刚.USB接口器件PDIUSBD12的接口应用设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2002(1).

[5]缪德芳，李绍胜.单片机 Bootloader设计与实现[J].中国科技论文在线.

[6]虹信公司.在 PIC18单片机中使用 BootLoader[J].单片机与嵌入式系统应用，2005(12).