基于C8051F34x单片机的USB Bootloader设计

摘  要： 介绍了一种在Silicon Labs公司的C8051F34x系列单片机上实现USB Bootloader的设计方法，使应用程序可以通过USB或COM通信实现远程在线升级。首先，简述了USB Bootloader；然后，详细阐述了USB Bootloader程序的设计和APP固件程序的设计，以及设计中需要注意的问题；最后，用VC++开发上位机软件来完成该Bootloader的远程在线下载功能。该Bootloader可以很方便地在其他类似单片机上移植，通用性强。
关键词： C8051F34x；USB Bootloader；远程升级
   　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Silicon Labs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。
   
   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。
   
   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：
HW_INTVEC_TABLE EQU 0003h
HW_INTVEC_SEPARATION EQU 8
INTVEC_TABLE EQU START_APPLICATION+3
INTVEC_SEPARATION EQU8
START_APPLICATION EQU2000h
　中断向量重映射：
CSEG AT HW_INTVEC_TABLE +
(HW_INTVEC_SEPARATION*INT_NUM)LJMP
INTVEC_TABLE+(INTVEC_SEPARATION
*INT_NUM)
//以定时器2中断为例(第5号中断)
CSEG AT0003h+8h*5h=002Bh
LJMP 2000h+0003h+8h*5h=202Bh
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。