單片機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，在某些情況下，單片機(jī)內(nèi)部程序的升級在所難免，但是往往需要對單片機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行收回才能實現(xiàn)，這樣在一些遠(yuǎn)程設(shè)備的程序升級問題上就顯得非常不方便。但是有些遠(yuǎn)程設(shè)備本身留有遠(yuǎn)程通訊的方式：例如某些遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊，為了把數(shù)據(jù)上報總會留有通訊的接口，比如422、485甚至 GPRS或者局域網(wǎng)接口;又或者某些車載定位設(shè)備，為了和監(jiān)控中心通訊會留有GSM、CDMA或者GPRS等通訊方式。在這種情況下就可以利用其現(xiàn)有的通訊方式對其內(nèi)部單片機(jī)程序進(jìn)行升級而不需要收回產(chǎn)品。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，遠(yuǎn)程IAP升級MCU的程序是一項非常有用的功能。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)程序問題或者需要更新程序時，只需要在服務(wù)器上對設(shè)備進(jìn)行升級，不需要在有專門的人員去現(xiàn)場進(jìn)行升級，節(jié)省人力物力。

要實現(xiàn)遠(yuǎn)程升級，首先要實現(xiàn)以下幾個基本功能：

1、Flash讀寫。不管是本地IAP還是遠(yuǎn)程IAP，這都是最基本的功能。

2、無線通訊?？赏ㄟ^WIFI、4G、以太網(wǎng)等多種方式來實現(xiàn)，根據(jù)實際項目需求選擇。

3、通訊協(xié)議。常用的通訊協(xié)議有TCP、HTTP、FTP、MQTT等。其中HTTP、FTP和MQTT都屬于應(yīng)用層協(xié)議，都是基于TCP(傳輸層)來實現(xiàn)的。用戶也可以自己基于TCP編寫簡單的通訊協(xié)議來實現(xiàn)。

遠(yuǎn)程IAP與本地IAP的設(shè)計思路是一致的，都需要設(shè)計BOOT程序和APP程序。但也有一些需要注意的地方。主要是遠(yuǎn)程升級需要考慮網(wǎng)絡(luò)延遲甚至網(wǎng)絡(luò)中斷的問題。

本文的主要內(nèi)容就是來研究這種遠(yuǎn)程升級單片機(jī)程序的方法。

由于近年來凌陽科技的單片機(jī)，尤其是16位單片機(jī)，得到了越來越多的推廣，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。本文選取一種常見的凌陽科技的16位單片機(jī)SPCE061A為例，來介紹單片機(jī)程序遠(yuǎn)程升級的方法。

SPCE061A里內(nèi)嵌了32K字的閃存(FLASH)，即可以作為程序存儲空間又可以存儲數(shù)據(jù)，并且有自讀寫任意閃存地址的能力，本文利用這一功能，提出了通過在單片機(jī)中駐留BootLoader程序的方法，來實現(xiàn)單片機(jī)程序的遠(yuǎn)程升級。

遠(yuǎn)程升級的實現(xiàn)，需要單片機(jī)自身的響應(yīng)同時還需要遠(yuǎn)程服務(wù)器提供升級所需的代碼。下文將通過這兩個方面來分別介紹。

2.單片機(jī)程序

2.1 工作原理

為了使單片機(jī)可以響應(yīng)遠(yuǎn)程升級，這里采用了在單片機(jī)里預(yù)設(shè)Bootloader程序的方法。

BootLoader是一段引導(dǎo)程序，它駐留在單片機(jī)中，當(dāng)單片機(jī)上電/復(fù)位后在用戶程序之前先運行。它運行后先判斷當(dāng)前是否需要進(jìn)入升級狀態(tài)。如果不需要升級，就直接運行Flash中原有的程序;如果需要升級，首先擦除舊的程序，然后從串口接收用戶程序，同時寫入Flash中。

在單片機(jī)正常運行過程中，當(dāng)收到預(yù)先設(shè)置的升級指令時，即結(jié)束當(dāng)前任務(wù)，修改升級標(biāo)志位，然后自動復(fù)位轉(zhuǎn)入BootLoader程序;當(dāng)BootLoader程序檢驗到升級標(biāo)志位時即可進(jìn)行升級。在單片機(jī)正常啟動、復(fù)位時，由于有標(biāo)志位的作用，不會受到影響。

BootLoader程序可以從多種方式獲取數(shù)據(jù)，包括485、422、GPRS、CDMA、網(wǎng)口、串口等等;雖然各種獲取方式不同，但是在 BootLoader的設(shè)計上都大致相同，而且GPRS、GSM和CMDA等通訊方式都是使用串口;485、422等通訊方式與串口類似。為了節(jié)省篇幅，本文就以串口為例進(jìn)行介紹。

在BootLoader設(shè)計過程中，需要注意下面方面問題：一是精簡問題，為了使得用戶程序可以獲得最大的程序空間，就需要BootLoader程序盡可能的簡短;再一個是中斷問題：BootLoader應(yīng)盡量不使用中斷，以避免對用戶程序的影響;還有就是標(biāo)志位的問題，標(biāo)志位的應(yīng)該不受復(fù)位的影響，在本設(shè)計中，選取了單片機(jī)FLASH中的一個字節(jié)。

2.2設(shè)計思路

單片機(jī)系統(tǒng)上留有一個半串口通過232芯片與PC機(jī)的串口相連接。當(dāng)單片機(jī)上電或者復(fù)位后BootLoader開始運行，并通過訪問升級標(biāo)志位來確定定當(dāng)前是否需要進(jìn)入升級狀態(tài)。如果沒有升級標(biāo)志，就直接運行Flash中原有的程序;反之，則轉(zhuǎn)入升級子程序，把從串口接收到的程序代碼寫入Flash 中。圖1表示了BootLoader主程序的流程。

升級子程序中，為保證接收到的數(shù)據(jù)是正確的，避免將錯誤的程序?qū)懭氲叫酒?，本文提出的方法采取了固定的?shù)據(jù)格式，并且采取了反復(fù)確認(rèn)的方法。圖2 表示了升級子程序的流程。在指令格式的選取上，本文采用了Motor S37格式，并在其基礎(chǔ)上加上了確認(rèn)機(jī)制，其具體格式將在PC機(jī)程序一段做詳細(xì)介紹。

2.3 FLASH的擦寫方法

SPCE061A是一個用閃存替代掩膜ROM的MTP(多次編程)芯片，具有32K字(32K*16bit)閃存容量。用戶可用閃存來存儲用戶程序。為了安全起見，不對用戶開放整體擦除功能。

此外，為保證程序的正確編寫，用戶必須在編程之前擦除頁的內(nèi)容。頁大小為0x100。第一頁地址范圍：0x8000~0x80FF，最后一頁的地址范圍：0xFF00~0xFFFF。0xFC00~0xFFFF范圍內(nèi)的地址由系統(tǒng)保留，用戶最好不要用本范圍內(nèi)的地址。 32K字的內(nèi)嵌式閃存被劃分為128個頁(每個頁存儲容量為256個字)，它們在CPU正常運行狀態(tài)下均可通過程序擦除或?qū)懭搿?

閃速存儲器芯片的編程操作是自動字節(jié)編程，既可以順序?qū)懭?，也可指定地址寫入。編程操作時注意芯片的編程時間參數(shù)。Flash程序空間為 0x8000—0xFFFF，F(xiàn)lash命令用戶接口地址為0x7555。第一頁范圍是[0x8000—0x80FF]，最后一頁[0xFF00— 0xFFFF]。1. 擦除一頁流程是：先給命令用戶接口地址0x7555里送0xAAAA，然后再給命令用戶接口地址0x7555里送0x5511，再后給要擦除頁地址送任意數(shù)，約20ms即可完成擦除操作，然后可以執(zhí)行其它操作。例如擦除第6頁[0x8500—0x85FF]流程如下：

(1)0x7555 ?0xAAAA(2) 0x7555?0x5511(3) 0x85XX?0xXXXX (其中X為任意值) 2. 寫入一個字流程是:先給命令用戶接口地址0x7555里送0xAAAA,然后再給命令用戶接口地址0x7555里送0x5533,再后給要寫入字地址送數(shù)據(jù),約40us即可完成寫入操作,然后可以執(zhí)行其它操作。例如向0x8000單元寫入0xffff流程如下：(1)0x7555?0xAAAA (2) 0x7555?0x5533 (3) 0x8000?0xffff 3. 寫多個字流程是：

先給命令用戶接口地址0x7555里送0xAAAA，然后再給命令用戶接口地址0x7555里送0x5544，然后給要寫入字首地址送數(shù)據(jù)，約40us即可完成1個字寫入操作。再給命令用戶接口地址0x7555里送0x5544，給要寫入字地址送數(shù)據(jù)，等待40us即可，循環(huán)操作，即可完成多字的寫入。

3. PC機(jī)程序

為了實現(xiàn)單片機(jī)程序的正確下載，需要有PC機(jī)程序配合，以提供升級程序的代碼。PC機(jī)程序主要負(fù)責(zé)解釋和發(fā)送Motor S37格式的程序代碼，并完成與單片機(jī)進(jìn)行代碼傳輸?shù)姆磸?fù)確認(rèn)以保證程序的正確下載。

3.1 Motor S37 格式

凌陽單片機(jī)的程序代碼可以是被編譯成Motor S37格式和TSK兩種格式。本文中所選取的代碼格式是Motor S37格式。為了解釋Motor S37格式的代碼，就要先來看看它的格式，見表1。

字段內(nèi)容詳細(xì)介紹

記錄類型表示文件記錄的開始，記錄類型有下列規(guī)定：

ASCII碼 S3-數(shù)據(jù)記錄;ASCII碼 S7-記錄結(jié)束符。

記錄長度規(guī)定了包括地址、數(shù)據(jù)和檢驗和字段的記錄長度。8位的記錄長度值被轉(zhuǎn)換成兩個ASCII字符碼，高位在前。

裝入地址這是由二進(jìn)制地址碼轉(zhuǎn)換成的8個ASCII字符碼，在此地址開始裝入文件記錄。其順序依次為：

高字中的高字節(jié)中的高位數(shù)，高字中的高字節(jié)中的低位數(shù)，

高字中的低字節(jié)中的高位數(shù)，高字中的低字節(jié)中的低位數(shù)，

低字中的高字節(jié)中的高位數(shù)，低字中的高字節(jié)中的低位數(shù)，

低字中的低字節(jié)中的高位數(shù)，低字中的低字節(jié)中的低位數(shù)，

本字段在記錄結(jié)束時給出記錄的起始地址，或者連續(xù)的8個0的ASCII字符碼。

數(shù)據(jù)文件中實際的數(shù)據(jù)也被轉(zhuǎn)換為每每兩個ASCII字符碼字節(jié)，高位在前。在出現(xiàn)記錄結(jié)束符時意味著數(shù)據(jù)字節(jié)記錄結(jié)束。

檢驗和它是關(guān)于記錄長度、裝入地址及數(shù)據(jù)字段的總和;是以1的補(bǔ)碼形式由一個8位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成的兩個ASCII字符碼，也是高位在前。

表1 Motor S37 格式的代碼文件格式

下面我們以一段實際的Motor S37 格式的代碼來具體說明Motor S37 格式。

S31500010022237041941193227009B34000455E1BD798

S30B0001FFFA3B803B800980FB

S307000100000000F7

S70500000000FA

這段代碼是從實際的程序代碼中截取出來的幾句。前面幾行是以S3開頭，表示數(shù)據(jù)記錄;最后一行以S7開頭，表示結(jié)尾。S3或者S7后面跟著的兩位是數(shù)據(jù)長度，都是以16進(jìn)制表示，15即表示十進(jìn)制的20，其長度表示的是此行里8位數(shù)據(jù)的個數(shù)。后面的8個ASCII碼是裝入地址，這里要注意的是凌陽 SPCE061A是16位單片機(jī)，而S37文件中的地址是以8位來計算的，所以地址都要除2來計算實際地址。如第一行中的00010022，其在單片機(jī)中的實際地址是0x8011。地址的后面是數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)表示也是按照8位來表示的，需要轉(zhuǎn)換到單片機(jī)中的16位。拿第一行來舉例，原來應(yīng)寫在 0x00010022上的0x23和寫在0x00010023上0x37，就應(yīng)改為寫到0x8011上的0x3723。

3.2 確認(rèn)機(jī)制

為了進(jìn)一步的保證程序升級的可靠性，本文在Motor S37的基礎(chǔ)上又加上了確認(rèn)機(jī)制。即在單片機(jī)收到數(shù)據(jù)后，回傳一遍數(shù)據(jù)，然后等待PC機(jī)確認(rèn);當(dāng)PC機(jī)確認(rèn)數(shù)據(jù)正確后，發(fā)送ACSII碼S1作為ACK信號;否則發(fā)送S2作為DCK信號。確認(rèn)機(jī)制犧牲了系統(tǒng)的效率，但是提高的可靠性，本文建議在一些鏈路狀況較差的環(huán)境加上確認(rèn)機(jī)制。

3.3 程序的偏移量

此處要說明的是，由于BootLoader代碼占用了一定的程序空間，真正的用戶代碼的存放要從啟動代碼后開始，這就需要在編譯程序的時候設(shè)置好偏移量，使得用戶代碼存儲在BootLoader代碼之后。在凌陽IDE184中，偏移量可以在 Project->Setting->Section(如圖3)中設(shè)置。圖中所示是設(shè)置了256字的偏移量，即0x100。因為 SPCE061A的程序空間是從0x8000開始，所以下圖中代碼段的起始地址為0x8100。

圖3 偏移量的設(shè)置

針對本文的實現(xiàn)方法，把偏移地址設(shè)置在了0x8500，也就是說BootLoader運行后會自動啟動0x8500處的代碼。

4 結(jié)束語

本文所介紹的設(shè)計已經(jīng)進(jìn)行了實現(xiàn)，試驗效果良好。在選取某些不穩(wěn)定鏈路作為數(shù)據(jù)獲取方式時或者是復(fù)位可能對鏈路造成影響的情況下，例如GPRS鏈路，為了進(jìn)一步提高程序升級的可靠性，系統(tǒng)還可以外擴(kuò)RAM，在系統(tǒng)復(fù)位之前下載全部的升級程序代碼到RAM中，然后再復(fù)位啟動直接改寫程序空間。