孫亞萍，張慧熙

(杭州師范大學(xué) 錢江學(xué)院電氣機械工程系，浙江 杭州 310036)

隨著IT技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。數(shù)字化技術(shù)的核心包括兩個部分：MCU或DSP等數(shù)字控制芯片和相應(yīng)的軟件程序。一般的數(shù)字芯片均帶有Flash存儲空間、豐富的外設(shè)模塊，其中包括各種常見的通信接口(例如 I2C、RS232等)。同時，為了滿足不斷變化的應(yīng)用需求，一般會在相應(yīng)的軟件程序設(shè)計中加入Bootloader功能，即利用系統(tǒng)已有的通信接口，依靠BOOT程序在線更新MCU或DSP中的軟件。完成軟件更新之后，運行更新版本程序來實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴展或升級。

目前，常用的更新方法有2種：(1)直接刷新Flash中已有的代碼來實現(xiàn)軟件的升級。雖然該方法實現(xiàn)簡單，但是存在意外風險，即當系統(tǒng)在更新軟件過程中意外斷電時，MCU或DSP中原有的正常版本程序也將被破壞、無法運行，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。(2)在MCU或DSP的Flash中開辟2個空間A和B，分別作為主BOOT區(qū)和備BOOT區(qū)。這種方法雖然提高了軟件更新的可靠性，但卻增加了程序設(shè)計或硬件電路的復(fù)雜性。因為MCU或DSP中斷向量表的地址一般是固定的，所以只能依靠復(fù)雜的版本切換程序或硬件選擇器來實現(xiàn)A、B區(qū)域中2個版本軟件的切換。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種新型的軟件版本在線更新方法和3種更新方式，并且在數(shù)字控制芯片領(lǐng)域中得到了實際應(yīng)用。

1 dsPIC33F微控制器及地址空間分配

1.1 dsPIC33F 微控制器

美國Microchip公司設(shè)計生產(chǎn)的dsPIC33F微控制器采用16 bit改良的哈佛架構(gòu)和C編譯器優(yōu)化的指令集，其帶有16 bit的數(shù)據(jù)總線和24 bit指令，以及4 MB指令字的線性程序存儲空間，尋址范圍最大64 KB。由于其本身內(nèi)部集成了多達256 KB的Flash程序存儲器和30 KB的數(shù)據(jù)SRAM，因此，只需要上電復(fù)位電路和外部晶振電路，以及用于主要核心工作模塊的3.3 V電源就可以正常工作而無需額外的外圍器件支持。

1.2 Flash地址空間分配

為了做到故障保護，防止在更新過程中發(fā)生更新文件出錯、意外斷電等災(zāi)難性故障，本設(shè)計將dsPIC33F的Flash空間分為3個區(qū)域，如圖1所示。圖中(A)區(qū)用于存儲應(yīng)用程序正常版本；(B)區(qū)用于存儲應(yīng)用程序更新版本；(C)區(qū)用于存儲 BOOT程序。其中(A)區(qū)、(B)區(qū)的分配空間大小相等，因為(B)區(qū)的主要用途在于存儲(A)區(qū)的運行程序的更新版本軟件。

圖1 Flash存儲分配結(jié)構(gòu)圖

在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)Flash的大小、程序代碼長度等因素靈活調(diào)節(jié)。如果采用dsPIC33FJ64GP710控制器，其Flash空間范圍為0x0000-0xFFFF，每頁的大小為0x100， 則dsPIC33FJ64GP710的Flash空間地址典型分配如表1所示。應(yīng)用程序更新版本和正常版本的Flash空間大小都為0x7000，而且，不論是應(yīng)用程序正常版本或是更新版本，其第一個運行的指令都是跳轉(zhuǎn)到BOOT程序，其最后的2組地址都用于存放新的、有效的標志位。所以，當更新升級程序時，僅需要將應(yīng)用程序更新版本中的更新程序整體拷入應(yīng)用程序正常版本中即可，而不需區(qū)分其中的標志位、跳轉(zhuǎn)指令和程序本體，簡化了BOOT程序的設(shè)計。

2 BOOT功能的設(shè)計與實現(xiàn)

本軟件程序設(shè)計主要分為兩部分：應(yīng)用程序的設(shè)計和BOOT程序的設(shè)計。出廠時，應(yīng)用程序的正常版本放在圖 1中(A)區(qū)，而 BOOT程序放在圖 1中(C)區(qū)。更新時，僅對應(yīng)用程序進行更新。

系統(tǒng)上電復(fù)位時，軟件首先跳轉(zhuǎn)至BOOT程序開始運行。BOOT程序首先檢測圖1(B)區(qū)中的更新版本程序是新的、有效的，BOOT程序才會擦除圖 1(A)區(qū)中的正常版本，再將圖1(B)區(qū)中的更新版本拷入圖1(A)區(qū)中，覆蓋正常版本后在圖1(A)區(qū)中設(shè)置正常版本有效標志位；否則BOOT程序?qū)⒔K止軟件版本的更新，并設(shè)置更新失敗標志。然后軟件將從圖1(C)區(qū)中BOOT程序跳回圖1(A)區(qū)中運行應(yīng)用程序的正常版本。因為只有在更新版本有效時，才會擦除正常版本，因此，更新版本和正常版本不會同時無效。系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計具體流程如圖2所示。

表1 dsPIC33FJ64GP710的Flash空間地址分配

圖2 系統(tǒng)軟件主流程圖

軟件在擦除(A)區(qū)的過程中如果出現(xiàn)異常(如系統(tǒng)掉電)，將導(dǎo)致(A)區(qū)中的應(yīng)用程序破壞。然而，此時(B)區(qū)中的更新軟件是有效的，當系統(tǒng)重新上電運行時，BOOT程序會將(B)區(qū)中的更新軟件拷入(A)區(qū)中，然后從(A)區(qū)開始運行，從而可以有效地解決常用版本更新方法存在的意外風險問題。Boots程序關(guān)鍵函數(shù)如下：

3 DSP軟件更新方式與更新方法

3.1 DSP軟件更新方式

為了進一步提高系統(tǒng)更新軟件的可靠性、靈活性，本文提供了3種更新方式：(1)在下載更新程序結(jié)束后，立即執(zhí)行更新操作；(2)在下載更新程序結(jié)束后，PC機通過通信發(fā)送更新命令再執(zhí)行更新操作；(3)在下載更新程序結(jié)束后，在系統(tǒng)下一次上電復(fù)位后，再執(zhí)行更新操作。基于VC編寫的DSP軟件更新方式選擇界面，如圖3所示。

圖3 BOOT Loader控制界面

其中，更新方式(1)適用于對可靠性要求不是很嚴格，而且馬上需要更新的場合，該方法與現(xiàn)有的、常用的在線升級方式相似，但克服了其存在的不足；更新方式(2)可以讓客戶根據(jù)實際系統(tǒng)的運行需要來選擇更新軟件的時機，因此可以在合適的時間內(nèi)進行軟件更新，將更新的風險進一步降低；更新方式(3)適合于對可靠性要求非常嚴格的場合，在系統(tǒng)斷電后，重新上電復(fù)位后進行更新。更新方式選擇關(guān)鍵函數(shù)如下：

3.2 更新版本程序下載流程

如果軟件需要更新時，首先將更新版本軟件下載到應(yīng)用程序更新版本(圖1(B))中，在更新版本軟件的下載過程中，對更新版本進行校驗，如果更新版本下載成功，則在指定的地址中設(shè)置更新程序是新的、有效的標志位；反之，則設(shè)置無效的標志位。BOOT程序中更新版本程序下載流程如圖4所示。

本文提出了一種高可靠的軟件版本在線升級方法和3種更新方式，該軟件具有實現(xiàn)簡單、更新方式靈活、程序可靠性高等優(yōu)點，可應(yīng)用于數(shù)字控制芯片領(lǐng)域。

[1]Microchip Technology Inc.dsPIC33FJXXXMCX06/X08/X10 motor control family data sheet[C].2007.

圖4 BOOT程序中更新版本程序下載流程圖

[2]Microchip Technology Inc.MPLAB IDE用戶指南[Z].2005.

[3]Microchip Technology Inc.dsPIC30F/33F programmer’s reference manual.preliminary[Z].2005.

[4]王江.Bootrom功能改進經(jīng)驗談[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004，30(10)：7-9.