樊星男

（太原學(xué)院，山西 太原 030032）

1 引言

BootLoader（啟動(dòng)引導(dǎo)）程序是運(yùn)行于主程序之前的一段程序，其主要功能是要完成對(duì)主程序的更新、配置和啟動(dòng)[1-2]。BootLoader 程序與主程序是兩個(gè)獨(dú)立存在的程序，它所實(shí)現(xiàn)的功能并不被用戶可見，但是對(duì)設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)、升級(jí)卻起著極其重要的作用。我們知道，設(shè)備在使用過程中經(jīng)常會(huì)遇到需要進(jìn)行軟件升級(jí)的情況，有時(shí)是為了修改已有的軟件錯(cuò)誤，有時(shí)是為了增加新功能。這時(shí)BootLoader 程序可以極大的簡(jiǎn)化軟件更新方式，降低設(shè)備維護(hù)成本。同時(shí)，BootLoader 程序還可以接受外部控制命令，完成對(duì)主程序運(yùn)行參數(shù)的配置。

2 BootLoader程序功能分析

BootLoader 程序運(yùn)行于主程序之前。當(dāng)設(shè)備上電后首先運(yùn)行BootLoader 程序。一般情況下，BootLoader 程序會(huì)對(duì)設(shè)備芯片進(jìn)行必要的配置，并檢查是否有外部觸發(fā)信號(hào)。如果沒有觸發(fā)信號(hào)，則跳轉(zhuǎn)至主程序；如果有觸發(fā)信號(hào)，則進(jìn)入BootLoader 循環(huán)。外部觸發(fā)信號(hào)可以是多種多樣的，常用的方式有跳線、按鍵、串口字符等。BootLoader 循環(huán)的主要功能是等待外部通過串口發(fā)送來的命令，然后執(zhí)行該命令。BootLoader 程序是與硬件平臺(tái)強(qiáng)相關(guān)的，所以對(duì)于不同的硬件設(shè)備，程序?qū)崿F(xiàn)的方式會(huì)各不相同，但是整體的工作流程和功能是基本一致的。BootLoader 程序工作流程見圖1。

圖1 BootLoader 程序工作流程圖

3 BootLoader程序在CC2530芯片上的實(shí)現(xiàn)

CC2530 芯片使用的是8051內(nèi)核，所以我們選取IAR for 8051 軟件作為BootLoader 程序的集成開發(fā)環(huán)境，這也是德州儀器公司推薦使用的開發(fā)環(huán)境。

3.1 CC2530芯片閃存劃分

BootLoader 程序與主程序是兩個(gè)相互獨(dú)立的程序，所以二者必須被存儲(chǔ)于獨(dú)立的閃存空間。

根據(jù)Flash 閃存空間的大小不同，CC2530 芯片分為CC2530F32/64/128/256 四個(gè)版本，分別具有32/64/128/256KB 的閃存，我們選取的是CC2530F256 芯片。該芯片的閃存被等分為128個(gè)閃存頁(yè)面，每個(gè)頁(yè)面大小為2KB[3]。這128個(gè)閃存頁(yè)面需要被劃分為幾個(gè)獨(dú)立空間，分別存儲(chǔ)BootLoader 程序和主程序，以保證兩者在運(yùn)行過程中不會(huì)修改對(duì)方的閃存空間。CC2530 閃存劃分示意圖見圖2 。

圖2 閃存劃分示意圖

從圖2 中可以看到，CC2530F256 芯片的128個(gè)閃存頁(yè)面被分為三部分。

第一部分：BootLoader 程序區(qū)，從頁(yè)面0 開始到頁(yè)面3 結(jié)束，地址范圍為0x0000 到0x1FFF，用于存儲(chǔ)BootLoader 程序。由于芯片啟動(dòng)后首先從地址0x0000 開始執(zhí)行程序，所以BootLoader 程序的起始地址必須為0x0000。具體劃分方法是將BootLoader 工程中xcl 文件的CODE_START 字段修改 為0x0000，將CODE_END 修 改 為0x1FFF。CODE_START 和CODE_END 字段分別代表代碼在起始地址和結(jié)束地址，這樣在使用IAR 開發(fā)環(huán)境對(duì)工程進(jìn)行編譯時(shí)，編譯器就只會(huì)將代碼分配在頁(yè)面0 到頁(yè)面3 的地址范圍內(nèi)。

第二部分：主程序區(qū)，從頁(yè)面4 開始到頁(yè)面126結(jié)束，地址范圍為0x2000 到0x3F7FF，用于存儲(chǔ)主程序代碼，通過設(shè)置主程序工程中xcl文件的相應(yīng)字段實(shí)現(xiàn)。

第三部分：保留區(qū)，頁(yè)面127，地址范圍為0x3F800 到0x3FFFF。該部分是由德州儀器分配使用，用于存儲(chǔ)芯片信息。

3.2 CC2530串口通信

BootLoader程序進(jìn)入循環(huán)后主要任務(wù)就是接收外部通過串口發(fā)送來的命令并執(zhí)行。為了更為方便和有效的進(jìn)行通信，我們對(duì)BootLoader 程序的通信數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了定義，數(shù)據(jù)格式見表1。

表1 串口通信數(shù)據(jù)格式

起始位：該位是一個(gè)完整命令的開始，這里我們?cè)O(shè)置為0xFE 。

長(zhǎng)度：該位表示的是數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度。

命令碼：該位表示命令類型，可以根據(jù)開發(fā)者的習(xí)慣自行定義，這里我們定義0x01 為寫閃存、0x02 為讀閃存、0x03 為加載程序、0x04 為啟動(dòng)設(shè)備。

響應(yīng)：該位只有對(duì)命令進(jìn)行響應(yīng)時(shí)才有，表示BootLoader 程序?qū)γ畹膱?zhí)行結(jié)果。

數(shù)據(jù)：該段表示數(shù)據(jù)內(nèi)容。當(dāng)命令為寫閃存和加載程序時(shí)，數(shù)據(jù)段中前兩個(gè)字節(jié)為操作起始地址；當(dāng)命令為讀閃存時(shí)，數(shù)據(jù)段中前兩個(gè)字節(jié)為操作起始地址，第3個(gè)字節(jié)為讀取長(zhǎng)度。由于整個(gè)芯片閃存有256KB，這個(gè)大小超過了兩個(gè)字節(jié)所能表示的地址范圍，所以這里對(duì)地址進(jìn)行了一些處理，即串口數(shù)據(jù)中傳輸?shù)牡刂肥菍?shí)際地址除以4，它表示的是字地址，而不是字節(jié)地址。

校驗(yàn)位：該位是從起始位開始至數(shù)據(jù)結(jié)束按字節(jié)進(jìn)行異或操作的結(jié)果，通過計(jì)算和檢測(cè)該位可以確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院驼_性。

3.3 CC2530的閃存讀寫

CC2530F256 芯片擁有256KB 的閃存空間，這些閃存空間被等分為128 頁(yè)，而這128 頁(yè)空間又可以等分為8個(gè)閃存塊。通過操作芯片內(nèi)部的MEMCTR 寄存器可以分別將這8個(gè)閃存塊空間映射到芯片內(nèi)存空間0x8000——0xFFFF 這個(gè)地址范圍內(nèi)，然后通過操作指針的方式讀取閃存內(nèi)容。

CC2530 芯片有兩種寫閃存的方式，分別是DMA 寫方式和CPU 寫方式。為了保護(hù)閃存內(nèi)容，防止程序在運(yùn)行過程中修改程序代碼，從而產(chǎn)生不可預(yù)知的錯(cuò)誤，芯片在運(yùn)行過程中是禁止程序修改閃存內(nèi)容的，所以如果使用CPU 寫方式時(shí)，必須將程序搬遷到SRAM 中運(yùn)行，并且要嚴(yán)格按照芯片的時(shí)序要求進(jìn)行寫操作。為此我們采用的是DMA寫方式。DMA 寫方式的操作步驟見圖3。

圖3 DMA 寫閃存操作步驟

在配置DMA 通道的時(shí)候要注意的是DMA 通道的目標(biāo)地址是寄存器FWDATA 而不是閃存地址。閃存地址需要在第二步操作中寫入到寄存器FADDRL 和FADDRH 中。此外還需要遵守以下幾點(diǎn)要求：首先，頁(yè)面是存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除操作的最小單位，通過設(shè)置FCTL.ERASE 為1 可以將FADDRH 所對(duì)應(yīng)的閃存頁(yè)面整頁(yè)擦除，擦除結(jié)果為全部變?yōu)?xFF。其次，字是存儲(chǔ)器進(jìn)行寫操作的最小單位，也就是寫入閃存的數(shù)據(jù)必須為4 字節(jié)整數(shù)倍。第三，存儲(chǔ)器只允許將存儲(chǔ)器中的每個(gè)比特位由‘1’寫為‘0’。所以，在對(duì)閃存進(jìn)行寫操作時(shí)必須首先將目標(biāo)地址所在頁(yè)面進(jìn)行擦除操作。

4 BootLoader上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

為了配合BootLoader 程序完成設(shè)備維護(hù)人員的操作命令，我們使用VisualBasic 軟件設(shè)計(jì)開發(fā)了上位機(jī)程序。通過使用VisualBasic 中的MSComm組件可以方便的實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與芯片的串口通信。上位機(jī)程序如圖4。

圖4 上位機(jī)服務(wù)程序

通過使用MSComm 控件的CommPort 屬性設(shè)置串口號(hào)，使用PortOpen 屬性打開關(guān)閉串口，通過使用Settings 屬性設(shè)置串口波特率等信息。Input 和Output 方法可以分別實(shí)現(xiàn)串口的讀寫操作[4-5]。

為了配合BootLoader 完成閃存的寫操作，上位機(jī)程序在設(shè)計(jì)中需要注意以下幾點(diǎn)：一是進(jìn)行寫操作時(shí)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度必須為4 字節(jié)整數(shù)倍。二是進(jìn)行讀寫操作的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不能超過BootLoader 程序中串口讀寫緩沖大小。三是客戶端必須在接收到BootLoader 程序的響應(yīng)后才能發(fā)出下一條命令。

5 結(jié)束語

本文分析了BootLoader 程序的一般功能，并結(jié)合CC2530 芯片的硬件特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了CC2530芯片中的BootLoader 程序。通過實(shí)際測(cè)試表明，該程序運(yùn)行穩(wěn)定，可以極大地降低CC2530 芯片設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。