单片机IAP在应用软件升级的方法探究

周振齐瑞萨电子管理有限公司



单片机IAP在应用软件升级的方法探究

周振齐
瑞萨电子管理有限公司

摘要：文章基于Renesas公司SH系列单片机，比较了几种在线编程实现模式，讨论单片机Flash的读取、擦除、编程机制，对单片机软件IAP在应用升级方法进行了初步的研究，并在硬件平台上开发了通过CAN总线接口，对单片机的软件实现在应用升级的方案。

关键字：在应用编程CAN 软件升级

随着单片机在嵌入式系统的应用越来越广泛，单片机软件的功能越来越复杂，开发中可能存在的Bug越来越难以避免；单片机软件更新速度也越来越快，有些应用还需要在测试和标定中，确定和修改一些软件的运行参数并记录下来。这就对单片机软件更新的方法提出了更高的要求，希望更新升级软件更加便利和可靠。SH系列单片机是瑞萨公司具有高性价比、小型化和高性能功耗比特性的嵌入式RISC单片机，广泛应用于汽车导航系统、汽车引擎和动力转向系统、空调、电冰箱和洗衣机、工业设备和机床等。本文以SH72Aw（SH一2A系列）单片机为主，以HEw为开发工具，比较几种在线编程的方法，探讨IAP的原理、Flash的擦除和编程、单片机系统在正常工作中在线升级的实现方案。

1　几种在线编程模式比较

在线编程有ICP、IsP、IAP几种技术实现途径。ICP（In—Circuit Programming）技术一般通过在线仿真器对单片机进行编程，而ISP（In．SystemProgramming）技术则是通过单片机内置的BootLoader程序引导的编程技术。无论是ICP技术还是ISP技术，都需要有机械性的操作，如连接下载线、设置系统模式管脚等。若产品的PCB板已经密封在外壳中，要对其进行程序更新就很麻烦。但若引入了IAP（In—ApplicationProgramming）技术，则完全可以避免上述的尴尬情况，如果使用远距离或无线的数据传输方案，则还可以实现远程编程和无线编程。这是ICP或ISP技术所无法做到的。IAP技术，即“在应用编程”，它是一种通过单片机的对外接口（如UAI盯、IIC、CAN等），对正在运行程序的单片机进行内部程序更新的技术，它和ICP或者ISP的主要区别在于：单片机在正常工作的同时更新全部或部分程序。IAP技术为系统在线升级和远程升级提供了良好的解决方案，也为数据存储和现场固件的升级都带来了极大的灵活性。

SH72AW芯片具有3种在线编程模式，分别是Serial一Boot Program Mode、User Program Mode币口user-Boot Program Mode。其中serial．Boot Program Mode是通过固化在单片机内部的Boot程序和指定的串口进行下载程序；User_ BootProgramMode是通过用户自己开发的Boot程序，使用用户指定的通讯方式下载程序；这两种编程模式均需改变特定的硬件管脚，复位后才能进入。而User Program Mode和正常单片机脱机工作的UserMode区别，仅在于软件中设定单片机的寄存器F1ash编程使能位即可进入，这就为L奸在应用中升级和更改参数提供了可能。

2　L心编程原理

实现IAP技术的核心，是将一段预先开发的程序，作为BootLoader烧写到单片机的F1ash里面，在单片机上电复位后，可以通过指定的通讯接口接收上位机的命令和数据，对整个Flash或部分区域进行擦除或编程。在完成程序烧写后，再跳转执行新写入的程序，最终就达到了程序更新的目的。这一预先开发的程序的主要功能包括通讯和Flash操作控制两部分。

2.1 通讯部分

通讯功能，是指和外部的上位机软件通过串口UART、SPI、CAN等进行通信，接收上位机的命令（擦除、读、写等）、上位机的数据（程序起始地址、程序数据或参数等）和返回F1ash状态。因此，上位机和单片机之间必须建立一定的通信协议，用户可以根据自己的需求设定自己的通信协议，在汽车行业一般参照CCP（CANCalibration Protoc01）标准协议，它是一种基于CAN总线的ECU（ElectronicContr01 unit）标定协议，已经在许多欧美汽车厂商得到应用。

2.2 F1ash操作控制

Flash操作控制程序负责对Flash的擦除、编程和状态查询等。在对F1ash进行操作时，需要注意查询F1ash的状态标志位。SH系列单片机内部有FCU模块，负责对F1ash的具体操作，有自己的控制和状态寄存器，存放在特定的Flash区域，FCU还有自己专用的FCU RAM。在使用FCU对Flash进行操作时，需要通过控制寄存器将FCU固件转移到指定RAM。SH72AW单片机在User Program Mode下，对F1ash擦除以Block为单位，编程以256Bvtes为单位。SH72AW的User Flash区域划分。注意：如果对现有Boot Loader也需要进行更新时，需要将整个Boot Loader程序拷贝到RAM里面运行，确保新Boot Loader编程成功。

3　IAP编程实现

本文通过CAN总线接口，实现对单片机Flash程序的更新，上位机采用某CAN总线协议分析仪，按照既定的通信协议规范发送命令和数据。软件总体思路是：单片机系统上电复位后，首先查询是否收到上位机通过CAN发送的启动命令；单片机收到命令后，将控制程序拷贝到洲中，PC跳转到RAM中运行，将FCU固件拷贝到FCURAM，FCU复位，使能Flash编程和擦除位，擦除指定Flash的B10ck，完成后向上位机发送数据请求；上位机向单片机发送需要编程数据区的地址和数据（256字节为单位），单片机完成数据编程后，向上位机继续请求数据。完成所有编程后，PC回到程序其实地址执行。

软件中主要步骤描述如下：

3.1 Boot Loader控制程序从F1ash转移到RAM程序在Flash中执行，单片机收到上位机通过CAN总线启动命令后，将Boot Loader控制程序转到RAM中执行。控制程序在编译阶段必须设置对应Flash段和RAM段之间的映射，否则Flash中编译的程序直接拷贝到RAM中运行会有问题。

3.2 FCU固件转移

程序在RAM中执行，域转移到FCURAM。将FCU固件从RAM指定区。

3.3 F1ash擦除

程序在RAM中执行，控制FCU擦除Flash指定的Block区域（擦除以Block为单位）。

3.4 数据下载

程序在RAM中执行，单片机完成Block擦除后，向上位机发送数据请求命令，上位机发送数据起始地址和数据，单片机将接收的数据存放在RAM中。

3.5编程

程序在RAM中执行，单片机控制FCU将RAM中接收到的数据编程到Flash的指定区域。单片机完成编程后，向上位机继续请求数据。

注意事项：FCU的每次操作都必须检查Flash寄存器的相应状态标识位。确保Flash操作的可靠性。本文虽然是基于SH72AW对IAP在应用软件升级方法的探究，但其升级方法和对Flash的具体操作同样适用于SH系列其他单片机，其IAP基本实现框架也适用于其他的芯片，具有一定的参考意义。

参考文献

［1］SH72AWGroup．SH72AY Group User’s Manual：Hardware，Rev．1．10［R］．2014，4．

［2］Super H RISC engine C／C++ Compiler，Assembler，Optimizing Linkage Editor V9．04User’s Manual．1．01［R］．2011，7.

［3］邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计［M］。北京：北京航空航天大学出版社，1996．