周振齊瑞薩電子管理有限公司

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單片機IAP在應用軟件升級的方法探究

周振齊
瑞薩電子管理有限公司

摘要：文章基于Renesas公司SH系列單片機，比較了幾種在線編程實現(xiàn)模式，討論單片機Flash的讀取、擦除、編程機制，對單片機軟件IAP在應用升級方法進行了初步的研究，并在硬件平臺上開發(fā)了通過CAN總線接口，對單片機的軟件實現(xiàn)在應用升級的方案。

關鍵字：在應用編程CAN 軟件升級

隨著單片機在嵌入式系統(tǒng)的應用越來越廣泛，單片機軟件的功能越來越復雜，開發(fā)中可能存在的Bug越來越難以避免；單片機軟件更新速度也越來越快，有些應用還需要在測試和標定中，確定和修改一些軟件的運行參數(shù)并記錄下來。這就對單片機軟件更新的方法提出了更高的要求，希望更新升級軟件更加便利和可靠。SH系列單片機是瑞薩公司具有高性價比、小型化和高性能功耗比特性的嵌入式RISC單片機，廣泛應用于汽車導航系統(tǒng)、汽車引擎和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空調(diào)、電冰箱和洗衣機、工業(yè)設備和機床等。本文以SH72Aw（SH一2A系列）單片機為主，以HEw為開發(fā)工具，比較幾種在線編程的方法，探討IAP的原理、Flash的擦除和編程、單片機系統(tǒng)在正常工作中在線升級的實現(xiàn)方案。

1　幾種在線編程模式比較

在線編程有ICP、IsP、IAP幾種技術(shù)實現(xiàn)途徑。ICP（In—Circuit Programming）技術(shù)一般通過在線仿真器對單片機進行編程，而ISP（In．SystemProgramming）技術(shù)則是通過單片機內(nèi)置的BootLoader程序引導的編程技術(shù)。無論是ICP技術(shù)還是ISP技術(shù)，都需要有機械性的操作，如連接下載線、設置系統(tǒng)模式管腳等。若產(chǎn)品的PCB板已經(jīng)密封在外殼中，要對其進行程序更新就很麻煩。但若引入了IAP（In—ApplicationProgramming）技術(shù)，則完全可以避免上述的尷尬情況，如果使用遠距離或無線的數(shù)據(jù)傳輸方案，則還可以實現(xiàn)遠程編程和無線編程。這是ICP或ISP技術(shù)所無法做到的。IAP技術(shù)，即“在應用編程”，它是一種通過單片機的對外接口（如UAI盯、IIC、CAN等），對正在運行程序的單片機進行內(nèi)部程序更新的技術(shù)，它和ICP或者ISP的主要區(qū)別在于：單片機在正常工作的同時更新全部或部分程序。IAP技術(shù)為系統(tǒng)在線升級和遠程升級提供了良好的解決方案，也為數(shù)據(jù)存儲和現(xiàn)場固件的升級都帶來了極大的靈活性。

SH72AW芯片具有3種在線編程模式，分別是Serial一Boot Program Mode、User Program Mode幣口user-Boot Program Mode。其中serial．Boot Program Mode是通過固化在單片機內(nèi)部的Boot程序和指定的串口進行下載程序；User_ BootProgramMode是通過用戶自己開發(fā)的Boot程序，使用用戶指定的通訊方式下載程序；這兩種編程模式均需改變特定的硬件管腳，復位后才能進入。而User Program Mode和正常單片機脫機工作的UserMode區(qū)別，僅在于軟件中設定單片機的寄存器F1ash編程使能位即可進入，這就為L奸在應用中升級和更改參數(shù)提供了可能。

2　L心編程原理

實現(xiàn)IAP技術(shù)的核心，是將一段預先開發(fā)的程序，作為BootLoader燒寫到單片機的F1ash里面，在單片機上電復位后，可以通過指定的通訊接口接收上位機的命令和數(shù)據(jù)，對整個Flash或部分區(qū)域進行擦除或編程。在完成程序燒寫后，再跳轉(zhuǎn)執(zhí)行新寫入的程序，最終就達到了程序更新的目的。這一預先開發(fā)的程序的主要功能包括通訊和Flash操作控制兩部分。

2.1 通訊部分

通訊功能，是指和外部的上位機軟件通過串口UART、SPI、CAN等進行通信，接收上位機的命令（擦除、讀、寫等）、上位機的數(shù)據(jù)（程序起始地址、程序數(shù)據(jù)或參數(shù)等）和返回F1ash狀態(tài)。因此，上位機和單片機之間必須建立一定的通信協(xié)議，用戶可以根據(jù)自己的需求設定自己的通信協(xié)議，在汽車行業(yè)一般參照CCP（CANCalibration Protoc01）標準協(xié)議，它是一種基于CAN總線的ECU（ElectronicContr01 unit）標定協(xié)議，已經(jīng)在許多歐美汽車廠商得到應用。

2.2 F1ash操作控制

Flash操作控制程序負責對Flash的擦除、編程和狀態(tài)查詢等。在對F1ash進行操作時，需要注意查詢F1ash的狀態(tài)標志位。SH系列單片機內(nèi)部有FCU模塊，負責對F1ash的具體操作，有自己的控制和狀態(tài)寄存器，存放在特定的Flash區(qū)域，F(xiàn)CU還有自己專用的FCU RAM。在使用FCU對Flash進行操作時，需要通過控制寄存器將FCU固件轉(zhuǎn)移到指定RAM。SH72AW單片機在User Program Mode下，對F1ash擦除以Block為單位，編程以256Bvtes為單位。SH72AW的User Flash區(qū)域劃分。注意：如果對現(xiàn)有Boot Loader也需要進行更新時，需要將整個Boot Loader程序拷貝到RAM里面運行，確保新Boot Loader編程成功。

3　IAP編程實現(xiàn)

本文通過CAN總線接口，實現(xiàn)對單片機Flash程序的更新，上位機采用某CAN總線協(xié)議分析儀，按照既定的通信協(xié)議規(guī)范發(fā)送命令和數(shù)據(jù)。軟件總體思路是：單片機系統(tǒng)上電復位后，首先查詢是否收到上位機通過CAN發(fā)送的啟動命令；單片機收到命令后，將控制程序拷貝到洲中，PC跳轉(zhuǎn)到RAM中運行，將FCU固件拷貝到FCURAM，F(xiàn)CU復位，使能Flash編程和擦除位，擦除指定Flash的B10ck，完成后向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)請求；上位機向單片機發(fā)送需要編程數(shù)據(jù)區(qū)的地址和數(shù)據(jù)（256字節(jié)為單位），單片機完成數(shù)據(jù)編程后，向上位機繼續(xù)請求數(shù)據(jù)。完成所有編程后，PC回到程序其實地址執(zhí)行。

軟件中主要步驟描述如下：

3.1 Boot Loader控制程序從F1ash轉(zhuǎn)移到RAM程序在Flash中執(zhí)行，單片機收到上位機通過CAN總線啟動命令后，將Boot Loader控制程序轉(zhuǎn)到RAM中執(zhí)行?？刂瞥绦蛟诰幾g階段必須設置對應Flash段和RAM段之間的映射，否則Flash中編譯的程序直接拷貝到RAM中運行會有問題。

3.2 FCU固件轉(zhuǎn)移

程序在RAM中執(zhí)行，域轉(zhuǎn)移到FCURAM。將FCU固件從RAM指定區(qū)。

3.3 F1ash擦除

程序在RAM中執(zhí)行，控制FCU擦除Flash指定的Block區(qū)域（擦除以Block為單位）。

3.4 數(shù)據(jù)下載

程序在RAM中執(zhí)行，單片機完成Block擦除后，向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，上位機發(fā)送數(shù)據(jù)起始地址和數(shù)據(jù)，單片機將接收的數(shù)據(jù)存放在RAM中。

3.5編程

程序在RAM中執(zhí)行，單片機控制FCU將RAM中接收到的數(shù)據(jù)編程到Flash的指定區(qū)域。單片機完成編程后，向上位機繼續(xù)請求數(shù)據(jù)。

注意事項：FCU的每次操作都必須檢查Flash寄存器的相應狀態(tài)標識位。確保Flash操作的可靠性。本文雖然是基于SH72AW對IAP在應用軟件升級方法的探究，但其升級方法和對Flash的具體操作同樣適用于SH系列其他單片機，其IAP基本實現(xiàn)框架也適用于其他的芯片，具有一定的參考意義。

參考文獻

［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］鄔寬明．CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計［M］。北京：北京航空航天大學出版社，1996．