引言

　　“在應(yīng)用可再編程”（In-Application reProgrammable，簡(jiǎn)稱IAP）通常稱為“在線編程”，已經(jīng)不是陌生的概念了。要實(shí)現(xiàn)嵌入式微控制器/處理器系統(tǒng)的IAP功能，就意味著可以用主機(jī)（PC機(jī)或服務(wù)器）通過(guò)通信通道把固件（程序代碼）下載到應(yīng)用系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中去。具有了IAP功能的電子產(chǎn)品有諸多益處：縮短開(kāi)發(fā)進(jìn)程，搶先占領(lǐng)市場(chǎng)；在裝配線上即可編程和測(cè)試；現(xiàn)場(chǎng)甚至是遠(yuǎn)程升級(jí)程序代碼，降低維護(hù)/升級(jí)成本。IAP技術(shù)對(duì)于通信、電力領(lǐng)域非常重要，如IC卡電話、分時(shí)計(jì)費(fèi)電表等產(chǎn)品，通過(guò)遠(yuǎn)程更新代碼能大大降低后期服務(wù)費(fèi)用。

　　目前最常用的微控制器仍是MCS-51系列，其有限的存儲(chǔ)空間、運(yùn)行時(shí)不能更改程序代碼、程序/數(shù)據(jù)空間必須分開(kāi)等條件限制了IAP功能的實(shí)現(xiàn)，其中要解決的關(guān)鍵問(wèn)題有以下幾個(gè)方面：

　　（1） 存儲(chǔ)器可在線再編程。
　　（2） 增加第二個(gè)存儲(chǔ)器陣列，用于IAP期間MCU的運(yùn)行。
　?。?） 實(shí)現(xiàn)對(duì)程序存儲(chǔ)器的寫入。
　?。?） 地址譯碼自動(dòng)生成。

　　Waferscale（WSI）公司推出的Easy FlashTM系列可編程外圍芯片產(chǎn)品PSD8XX是針對(duì)實(shí)現(xiàn)IAP問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，片內(nèi)提供了IAP所必需的兩塊獨(dú)立的存儲(chǔ)器陣列和自動(dòng)地址譯碼電路，與 80C51構(gòu)成兩芯片的IAP完整解決方案。我們用到的PSD813F1芯片內(nèi)部有：1MB Flash主存儲(chǔ)器、第二塊256KB EEPROM存儲(chǔ)器、16KB SRAM、復(fù)雜的可編程邏輯陣列CPLD，擴(kuò)展I/O口及JTAG接口等功能模塊。

一、 方案說(shuō)明

　　在介紹方案之前，首先介紹將用到的PSD的兩個(gè)內(nèi)部寄存器：頁(yè)寄存器（page）和VM寄存器。在PSD內(nèi)部有一組控制寄存器用來(lái)對(duì)PSD進(jìn)行設(shè)置，如I/O口方式、JTAG配置等。它們的地址是基址CSIOP加偏移地址。CSIOP地址可以在Able語(yǔ)言（見(jiàn)附錄）中設(shè)定。頁(yè)寄存器的偏移地址是E0H，VM寄存器的是E2H。當(dāng)CSIOP被定義為0900H時(shí)，它們的訪問(wèn)地址就是（0900+E0）H和（0900+E2）H。8位的頁(yè)寄存器可使MCU的尋址空間擴(kuò)大256倍，它的內(nèi)容可以由MCU來(lái)讀出和寫入。頁(yè)寄存器直接參與PSD內(nèi)部存儲(chǔ)器的地址選擇。在作為頁(yè)尋址時(shí)寫入要訪問(wèn)的頁(yè)地址， PSD內(nèi)部地址譯碼邏輯就立刻選中目標(biāo)存儲(chǔ)器空間。頁(yè)寄存器是可以按位使用的，在不用來(lái)作頁(yè)面選擇時(shí)，還可以作一般邏輯使用，如本方案中用到的swap、 enabledatahalf就是用頁(yè)尋址未用到的位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。VM寄存器用來(lái)分開(kāi)程序空間（PSEN信號(hào)使能）和數(shù)據(jù)空間（RD信號(hào)使能）， PSD813F1中Flash和EEPROM、SRAM可設(shè)置在不同空間。VM寄存器內(nèi)容定義如表1所列。

　　如果VM=12H，則設(shè)置Flash和SRAM位于數(shù)據(jù)空間，EEPROM位于程序空間。

　　使用頁(yè)寄存器實(shí)現(xiàn)分頁(yè)存儲(chǔ)時(shí)，應(yīng)該設(shè)置一個(gè)公共存儲(chǔ)器區(qū)，即程序在任何位置執(zhí)行時(shí)都能夠訪問(wèn)到的空間（或者說(shuō)是頁(yè)不相關(guān)的地址空間）。本方案中公共存儲(chǔ)器區(qū)占去了每一頁(yè)的低一半的存儲(chǔ)空間（如圖1~圖4所示），用于放置初始化程序、中斷服務(wù)程序、頁(yè)切換程序以及物理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等重要子程序。同樣，重要數(shù)據(jù)也應(yīng)當(dāng)在任何頁(yè)都可以訪問(wèn)，如PSD控制寄存器、I/O、用于保存堆棧和全局變量的系統(tǒng)RAM等。

表1 VM寄存器

圖1 上電時(shí)（啟動(dòng)/引導(dǎo)狀態(tài)）系統(tǒng)存儲(chǔ)器映射（VM=12H）

圖2 寫06H到VM，將Flash“移”到程序空間后系統(tǒng)存儲(chǔ)器映射

圖3 “swap”位寫1，“切換”Flash和EEPROM后系統(tǒng)存儲(chǔ)器映射

　　本方案充分利用了PSD813F1中存儲(chǔ)器的獨(dú)特功能，突破了80C51MCU的最大64KB訪問(wèn)空間的限制，PSD內(nèi)部所有Flash存儲(chǔ)器可以由80C51使用。 IAP實(shí)現(xiàn)的基本原理是：系統(tǒng)從PSD的EEPROM啟動(dòng)，執(zhí)行引導(dǎo)/下載程序，如果需要的話從PC機(jī)或其他主機(jī)中通過(guò)UART下載固件（程序）到PSD 的Flash存儲(chǔ)器。然后，程序從EEPROM轉(zhuǎn)跳到Flash，再通過(guò)PSD中的一個(gè)特殊寄存器VM將原引導(dǎo)區(qū)（地址0000H）的EEPROM用 Flash替代，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)UART對(duì)PSD中Flash存儲(chǔ)器的在線編程。

二、 系統(tǒng)存儲(chǔ)器映射

　　系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中存儲(chǔ)器的映射變換如圖1～圖4所示，其中FSx、EESx是PSD813F1內(nèi)部存儲(chǔ)器塊。FSx對(duì)應(yīng)8個(gè)Flash塊，每塊16KB；EESx對(duì)應(yīng)4個(gè)EEPROM塊，每塊8KB。

圖4 寫0CH到VM，將EEPROM“移”到數(shù)據(jù)空間后系統(tǒng)存儲(chǔ)器映射

　　MCU的運(yùn)行有兩個(gè)基本模式：一個(gè)是引導(dǎo)/下載模式；另一個(gè)是正常運(yùn)行模式。圖1~圖4顯示了上電啟動(dòng)后從引導(dǎo)/下載模式到正常運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中系統(tǒng)存儲(chǔ)器的變化。

　　圖1顯示了上電時(shí)系統(tǒng)存儲(chǔ)器的映射情況。系統(tǒng)從EEPROM開(kāi)始，檢查是否要通過(guò)80C51的UART對(duì)Flash中的程序進(jìn)行升級(jí)。此時(shí)， PSD中全部Flash存儲(chǔ)器都處于80C51的數(shù)據(jù)空間，而EEPROM則處于80C51的程序空間。這是在WSI的PSDSOFT開(kāi)發(fā)系統(tǒng)第二個(gè)步驟的“PSD Configuration”中設(shè)置的。在“Set VM Register Configuration at Power Up”框內(nèi)，設(shè)置Flash為“Data Space”,EEPROM為“Program Space”。此時(shí)，VM寄存器在上電時(shí)自動(dòng)被設(shè)置為12H。PSD813F1允許在程序執(zhí)行中改變VM寄存器的內(nèi)容，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)IAP也是非常重要的。

　　在完成對(duì)Flash中程序升級(jí)或不需要升級(jí)時(shí)，寫VM寄存器為06H，將Flash從80C51的數(shù)據(jù)空間“移”到程序空間（此時(shí)系統(tǒng)仍在EEPROM中運(yùn)行）。圖2顯示了Flash被移到程序空間后的情況，這是在VM寄存器被寫后立刻產(chǎn)生的。

　　下一步，80C51運(yùn)行程序從PSD EEPROM中“跳”到Flash。在程序?qū)?到“swap”位（上電時(shí)“swap”的值是0）進(jìn)行地址“切換”，程序就進(jìn)入Flash中運(yùn)行了。注意：如果在EEPROM中運(yùn)行時(shí)對(duì)“swap”寫1，結(jié)果會(huì)立刻發(fā)生（就好像抽掉了你正坐的椅子一樣）。所以，在此之前最好將程序轉(zhuǎn)跳到“切換”影響不到的段（即公共訪問(wèn)區(qū)，如FS1）?，F(xiàn)在，供MCU上電時(shí)引導(dǎo)（地址0000H）的EEPROM被Flash替代，如圖3所示。

　　最后一步，程序已經(jīng)在PSD的Flash中運(yùn)行，寫0CH到VM寄存器，把EEPROM從80C51的程序空間“移”到數(shù)據(jù)空間。并且，MCU 跳轉(zhuǎn)到在PSD的FLSAH FS0塊中的復(fù)位入口0000H，用戶的程序開(kāi)始真正執(zhí)行。此時(shí)，系統(tǒng)存儲(chǔ)器映射如圖4所示（正常工作模式）。所有PSD的128KB Flash都在程序空間，其中32KB是公共訪問(wèn)區(qū)，96KB采用分頁(yè)訪問(wèn)。同時(shí)，EEPROM全部位于數(shù)據(jù)空間，且可在任何頁(yè)進(jìn)行訪問(wèn)。請(qǐng)注意： EES2和EES3（地址是C000H至FFFFH）可以被用戶當(dāng)作一般數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用，而EES0和EES1則保留為系統(tǒng)引導(dǎo)代碼區(qū)（地址是8000H 至BFFFH）。

　　這一方案還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PSD中EEPROM的引導(dǎo)程序進(jìn)行升級(jí)，此時(shí)程序在PSD的Flash中運(yùn)行。這對(duì)于使用EPROM作為引導(dǎo)的IAP系統(tǒng)是不可能實(shí)現(xiàn)的。

　　為了避免處于程序空間EES0、EES1中的引導(dǎo)代碼被意外更改，還可以通過(guò)未用到的頁(yè)寄存器位實(shí)現(xiàn)另外一個(gè)功能，對(duì)引導(dǎo)代碼進(jìn)行保護(hù)。定義 “enabledatahalf”位，將它寫為1，一方面保護(hù)ESS0、ESS1，另一方面把EES2、EES3作為一般數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用。如果要升級(jí)引導(dǎo)代碼，則須先將“enabledatahalf”置為0，下載新的引導(dǎo)代碼到EES0、EES1，然后再將“enabledatahalf”置為1。必須保護(hù)好引導(dǎo)代碼，因?yàn)橐龑?dǎo)程序一旦被破壞，系統(tǒng)就徹底崩潰；如果僅僅是用戶程序被破壞，還可以通過(guò)UART重新下載。

三、 軟件設(shè)計(jì)

　　通過(guò)上面的介紹可知，實(shí)現(xiàn)IAP的軟件要包括系統(tǒng)啟動(dòng)和用戶系統(tǒng)的載入兩個(gè)部分。其中的關(guān)鍵是程序在Flash與EEPROM之間的切換。

　　系統(tǒng)啟動(dòng)的引導(dǎo)程序是放在EEPROM中的；用戶程序則放到Flash中。如果用戶僅希望實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash中的用戶程序的IAP功能，而不要對(duì) EEPROM中引導(dǎo)程序的升級(jí)，那么用戶程序可以像一般80C51程序一樣，不用作任何修改，直接放入Flash。如果用戶還要對(duì)引導(dǎo)程序進(jìn)行升級(jí)，還要在用戶程序模塊中嵌入一個(gè)啟動(dòng)模塊（詳見(jiàn)第四節(jié)）。

　　引導(dǎo)程序（boot）和用戶程序啟動(dòng)模塊（startup）的流程圖如圖5和圖6所示。

圖5 EEPROM引導(dǎo)程序（boot）

圖6 Flash引導(dǎo)程序（startup）

　　與之配合使用的PC機(jī)程序是RS-232接口通信程序，可參考相關(guān)例程，或直接使用Windows中的“超級(jí)終端”工具。

四、 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　第一步，設(shè)計(jì)用戶程序。

　　如果不需要對(duì)引導(dǎo)程序升級(jí)則不作修改，直接將程序代碼下載到Flash中；反之，則要在用戶程序模塊中加入一個(gè)啟動(dòng)（startup）模塊。方法是用L51（Franklin公司產(chǎn)品）將用戶模塊和startup模塊鏈接在一起。方法如下：

　　L51 用戶OBJ文件>, startup.obj

　　第二步，使用PSDsoft開(kāi)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　在PSDsoft開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中建立一個(gè)新項(xiàng)目，將PSD器件選定為PSD813F1。在流程圖設(shè)計(jì)“degin entry”中增加新Abel模塊，進(jìn)行硬件描述設(shè)計(jì)，除用戶的自定義功能外還應(yīng)包括IAP部分（參見(jiàn)附錄）。并且，在“device config”中設(shè)置MCU總線方式、JTAG、用戶碼等選項(xiàng)。特別注意的是在MCU總線中，設(shè)控制信號(hào)為“WR，RD，PSEN”，F(xiàn)lash為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，EEPROM為程序存儲(chǔ)器。然后，對(duì)以上部分進(jìn)行編譯和裝配。

　　第三步，把編譯好的模塊和MCU程序模塊合并成一個(gè)文件。這里重要的是EEPROM中的引導(dǎo)程序。Flash中的程序可以同時(shí)裝入，也可以在應(yīng)用中通過(guò)UART裝入。

　　最后一步，用DK800開(kāi)發(fā)工具的Flash Link電纜或芯片編程工具（PSDpro）對(duì)PSD813進(jìn)行編程。

　　將按上述方法編程好的PSD813芯片裝到用戶電路板（包含RS-232接口通信電路）上，用串行電纜與PC機(jī)串口相連，在PC機(jī)上運(yùn)行 PSDload程序或Windows通信附件“超級(jí)終端”。加電復(fù)位用戶板，IAP系統(tǒng)啟動(dòng)，與PC機(jī)連接成功后，就能通過(guò)PC機(jī)下載或升級(jí)PSD中的用戶程序。如果沒(méi)有PC連接或沒(méi)有下載要求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入用戶程序運(yùn)行。

　　PSD813中主Flash存儲(chǔ)器和第二個(gè)存儲(chǔ)器陣列EEPROM在物理上是獨(dú)立的，不存在任何邏輯上的區(qū)別。也就是說(shuō)，可以用Flash存放用戶系統(tǒng)，也可以用EEPROM。如果用戶程序很?。‥EPROM的空間就夠用），而用到的數(shù)據(jù)空間又很大，可以把上述方案中的Flash和EEPROM 交換使用。并且，我們舉出的Flash、EEPROM、SRAM的地址映射也僅是PSD813F1的多種地址映射方案中的一個(gè)，使用頁(yè)寄存器可以靈活設(shè)計(jì)用戶自己的地址映射方案。

　　這里用的是UART通信，用戶同樣可以選擇其他通信方式，如IR、RF、CAN、LAN、WAN，甚至是Internet。從一般性考慮，本方案同樣可適用于其他單片機(jī)系統(tǒng)中，只要通過(guò)簡(jiǎn)單修改提供的程序即可使用。另外，本方案中的PSD813F1可以用WSI公司其他PSD8XX產(chǎn)品或最新的 PSD9XX系列產(chǎn)品替換，僅需要在附錄文件中稍加修改。

附錄 Abel硬件描述語(yǔ)言文件

//定義‘swap’位至頁(yè)寄存器位pgr7，
//定義‘enabledatahalf’位至頁(yè)寄存器位pgr7:
swap node 117; (pgr7)
enable_data_half node 116; (pgr6)
//Flash片選方程如下:
fs0=((address>=^h8000) (address=^hBFFF) (page==3) !swap ) #((address>=^h0000) (address=^h3FFF) (page==X) swap );
fs1=(address>=^h4000) (address=^h7FFF) (page==X);
fs2=(address>=^h8000) (address=^hBFFF) (page==0);
fs3=(address>=^hC000) (address=^hFFFF) (page==0);
fs4=(address>=^h8000) (address=^hBFFF) (page==1);
fs5=(address>=^hC000) (address=^hFFFF) (page==1);
fs6=(address>=^h8000) (address=^hBFFF) (page==2);
fs7=(address>=^hC000) (address=^hFFFF) (page==2);
//EEPROM片選方程如下:
ees0=((address>=^h0000) (address=^h1FFF) (page==X) !swap) #((address>=^h8000) (address=^h9FFF) (page==X) swap !enabledatahalf);
ees1=((address>=^h2000) (address=^h3FFF) (page==X) !swap) #((address>=^hA000) (address=^hBFFF) (page==X) swap !enabledatahalf);
ees2=(address>=^hC000) (address=^hDFFF) (page==X) enabledatahalf;
ees3=(address>=^hE000) (address=^hFFFF) (page==X) enabledatahalf;
//定義SRAM片選 rs0=(address>=^h0100) (address=^08FF) (page==X); //定義PSD控制寄存器CSIOP地址
csiop=(address>=^h0900) (address=^09FF) (page==X);

參考資料

1 PSD8XXF系列數(shù)據(jù)手冊(cè)及應(yīng)用筆記.武漢力源，1998（8）
2 PSDsoft User Manual. 美國(guó)WSI公司，1998