本文通過(guò)對(duì)8051單片機(jī)的特點(diǎn)分析，提出了一種低成本的方法，使其軟件可以利用系統(tǒng)已有的通信鏈路在線升級(jí)。

1 基本原理

類似于其他引導(dǎo)裝載升級(jí)程序的方法，在系統(tǒng)中必須始終存在一段用于程序裝載的代碼（bootloader），該代碼在啟動(dòng)時(shí)被運(yùn)行。其基本功能是根據(jù)外部條件來(lái)判斷是運(yùn)行現(xiàn)有版本的程序還是從主機(jī)下載新程序。8051具有選擇執(zhí)行片內(nèi)或者片外程序的功能，而對(duì)片內(nèi)E2PROM編程過(guò)程相對(duì)比較復(fù)雜，因此這里將程序引導(dǎo)裝載代碼燒結(jié)在內(nèi)部程序空間中，并不準(zhǔn)備改變；而將系統(tǒng)應(yīng)用程序存放在片外一編程相對(duì)簡(jiǎn)單和獨(dú)立的E2PROM內(nèi)，是隨時(shí)可以更新的部分。通過(guò)外圍電路的支持，單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)首先執(zhí)行片內(nèi)的裝載程序，如圖1所示。該裝載代碼將應(yīng)用程序從E2PROM拷貝到外部存儲(chǔ)器（RAM）中以備執(zhí)行，同時(shí)還通過(guò)通信接口監(jiān)系統(tǒng)程序裝載執(zhí)行過(guò)程聽(tīng)主機(jī)命令。當(dāng)收到主機(jī)更新程序的請(qǐng)求后，立即接收新的應(yīng)用程序內(nèi)容，并在最終確認(rèn)后寫入擴(kuò)展E2PROM內(nèi)。當(dāng)片內(nèi)程序執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)軟件復(fù)位并執(zhí)行片外RAM中的程序，而RAM的內(nèi)容正是由裝載所決定的。如果CPU再次復(fù)位，那么將重復(fù)上述裝載執(zhí)行過(guò)程。

值得注意的是，在對(duì)外部程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)，8051單片機(jī)只提供讀指令（MOVC）而并不具備寫指令。但是從單片機(jī)對(duì)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)時(shí)序上看具有一致性，不同的是讀代碼使用PSEN信號(hào)而讀數(shù)據(jù)使用RD信號(hào)。同時(shí)，單片機(jī)的PSEN﹑RD和WR信號(hào)不會(huì)同時(shí)有效，因此將PSEN和RD邏輯合并后，可以使程序和數(shù)據(jù)合二為一讀寫成為可能。這樣同一個(gè)地址單元RD、WR（MOVX）和PSEN（MOVC）均可以進(jìn)行訪問(wèn)。單片機(jī)可以使用MOVX寫指令來(lái)更改相當(dāng)于其外部程序空間中的內(nèi)容。特別要注意的是，當(dāng)程序和數(shù)據(jù)共存于一片RAM中時(shí)，必須使用編譯器提供的相關(guān)連接命令使數(shù)據(jù)區(qū)偏離代碼可能占用的區(qū)域，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)混亂。

2 硬件電路

硬件參考電路如圖2所示。系統(tǒng)加電后，由于C3兩端電壓不能瞬變，使D觸發(fā)器置1端保持一短暫低電平，強(qiáng)制將單片機(jī)EA信號(hào)置高。在U4看門狗上電復(fù)位信號(hào)撤銷后，單片機(jī)開(kāi)始從內(nèi)部程序空間0地址起執(zhí)行。內(nèi)部裝載程序先通過(guò)P1.4、P1.5模擬I2C總線時(shí)序從E2PROMU3中將應(yīng)用程序代碼拷貝到片外RAM從0地址起的空間中。如果到代碼拷貝結(jié)束串行口一直沒(méi)有收到預(yù)定的程序下載命令，則通過(guò)軟件置低P1.6口觸發(fā)看門狗芯片對(duì)單片機(jī)復(fù)位，在復(fù)位脈沖的上升沿，D觸發(fā)器鎖存其輸出的信號(hào)使EA電平翻轉(zhuǎn)為低電平。待復(fù)位信號(hào)撤銷后，單片機(jī)開(kāi)始執(zhí)行位于外部程序空間的系統(tǒng)應(yīng)用程序代碼。在執(zhí)行外部程序時(shí)，如果看門狗再次復(fù)位，EA將會(huì)恢復(fù)高電平并重新執(zhí)行內(nèi)部裝載程序。

圖2 引導(dǎo)裝載電路

當(dāng)上位機(jī)欲更改終端設(shè)備程序時(shí)，可通過(guò)串口向其發(fā)送特定的握手字符串，無(wú)論片外程序還是片內(nèi)程序最好都能識(shí)別該字符串并且復(fù)位單片機(jī)（如果是正在運(yùn)行外部程序）執(zhí)行內(nèi)部裝載程序。裝載程序就緒后向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)回應(yīng)，并接收來(lái)自上位機(jī)的程序代碼。單片機(jī)通過(guò)置低P1.3允許E2PROM寫操作，將新的內(nèi)容寫入E2PROM中，完成程序的更新。

3 軟件設(shè)計(jì)

裝載程序主要有兩個(gè)功能，其一是要將E2PROM的內(nèi)容拷貝到片外RAM中；其二是要響應(yīng)上位機(jī)的更新程序命令并接收代碼內(nèi)容更新E2PROM。

　　#define uchar unsigned char
　　#define uintunsigned int
　　sbit WDI=P1^7;
　　sbit RESET=P1^6;/*聲明外部I2C讀寫函數(shù)*/
　　extern void I2c_wr(uchar addh,uchar addl,uchar buf[],uchar num,bit wr);
　　void main(void) {
　　　　uchar data addh,addl;
　　　　uchar data buf[16];
　　　　uchar j;
　　　　uint I=0;
　　　　XBYTE[0x1fff]=0;/*清除程序拷貝好標(biāo)志*/
　　　　WDI=~WDI; /*喂狗*/
　　　　system_init(); /*初始化*/
　　　　for(addh=0;addh<0x10;addh++) {
　　　　　　for(addl=0;addl<0xf0;addl+=16) {/*讀入E2PROM地址addh:addl16字節(jié)內(nèi)容到buf*/
　　　　　　　　I2c_wr(addh,addl,buf,16,1);
　　　　　　　　for(j=0;j<16;j++)/*將代碼寫入外部絕對(duì)地址*/
　　　　　　　　　　XBYTE[I++]=buf[j];
　　　　　　}
　　　　　　　　I2c_wr(addh,0xf0,buf,16,1);
　　　　　　　　for(j=0;j<16;j++)
　　　　　　　　　　XBYTE[I++]=buf[j];
　　　　　　　　WDI=~WDI;
　　　　}
　　　　if(shake_hand==1) {/*shake_hand由串口中斷收到握手命令后置1*/
　　　　　　rcv_data(); /*該函數(shù)負(fù)責(zé)從上位機(jī)獲取程序*/
　　　　}
　　　　XBYTE[0x1fff]=0xaa;/*置程序拷貝好標(biāo)志*/
　　　　RESET=0;/*復(fù)位單片機(jī)并執(zhí)行外部RAM內(nèi)的程序*/
　　　　while(1);
　　}

為了確保程序在裝載完全正確后才開(kāi)始執(zhí)行，裝載程序使用了外部RAM 0x1fff地址內(nèi)容作為裝載成功的標(biāo)志。那么相應(yīng)的應(yīng)用程序應(yīng)判斷此標(biāo)志后再執(zhí)行。

調(diào)試結(jié)束的裝載程序燒結(jié)在單片機(jī)中，而實(shí)際的系統(tǒng)應(yīng)用程序則存儲(chǔ)于外部E2PROM內(nèi)。應(yīng)用中，將單片機(jī)直接焊裝在電路板上，而編程者只需通過(guò)串口或者其他形式的通信鏈路甚至無(wú)線的方式來(lái)更改升級(jí)目標(biāo)應(yīng)用程序。

4 幾點(diǎn)討論　

在實(shí)際應(yīng)用中，最好使用嚴(yán)格的校驗(yàn)及復(fù)查方法來(lái)確保程序拷貝無(wú)誤。 另外， 在從上位機(jī)下載程序時(shí)應(yīng)該制定一個(gè)可靠的通信協(xié)議，從而保證獲取的程序完全正確。單片機(jī)在接收到上位機(jī)的代碼數(shù)據(jù)時(shí)，不要急于寫入外部E2PROM，而應(yīng)先全部放在外部RAM區(qū)內(nèi)，待代碼獲取完畢并且通過(guò)校驗(yàn)檢查后再把RAM的內(nèi)容一次性寫入E2PROM。這樣防止在獲取程序的時(shí)候通信異常中斷而E2PROM內(nèi)將沒(méi)有一個(gè)可以執(zhí)行的程序。

從原理上看，如果片外RAM是非易失的，就可以不再使用E2PROM。但是這樣系統(tǒng)成本變高且可靠性降低，因?yàn)楫?dāng)單片機(jī)程序跑飛時(shí)很容易產(chǎn)生MOVX指令而改變RAM區(qū)的內(nèi)容，造成程序永久性不可恢復(fù)。而在程序跑飛的情況下，很難產(chǎn)生符合外部E2PROM接口的I2C寫時(shí)序，同時(shí)E2PROM還有寫保護(hù)功能。

雖然上述方法能使8051單片機(jī)系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程升級(jí)代碼的能力，但是程序裝載過(guò)程將使系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)數(shù)秒，在對(duì)啟動(dòng)時(shí)間要求較短的場(chǎng)合不能應(yīng)用本文中介紹的方法。

參考文獻(xiàn)
1 何立民．ＭＣＳ５１系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990
2 Atmel公司器件手冊(cè)，2003