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ATmega128具備引導(dǎo)加載支持的用戶程序自編程功能(In-System Programming by On-chipBoot Program)，它提供了一個真正的由MCU本身自動下載和更新（采用讀/寫同時"Read-While-Write"進行的方式）程序代碼的系統(tǒng)程序自編程更新的機制。利用AVR的這個功能，可以實現(xiàn)在應(yīng)用編程（IAP）以及實現(xiàn)系統(tǒng)程序的遠程自動更新的應(yīng)用。 IAP的本質(zhì)就是，MCU可以靈活地運行一個常駐Flash的引導(dǎo)加載程序（Boot Loader Program），實現(xiàn)對用戶應(yīng)用程序的在線自編程更新。引導(dǎo)加載程序的設(shè)計可以使用任何的可用的數(shù)據(jù)接口和相關(guān)的協(xié)議讀取代碼，或者從程序存儲器中讀取代碼，然后將代碼寫入（編程）到Flash存儲器中。 引導(dǎo)加載程序有能力讀寫整個Flash存儲器，包括引導(dǎo)加載程序所在的引導(dǎo)加載區(qū)本身。引導(dǎo)加載程序還可以對自身進行更新修改，甚至可以將自身刪除，使系統(tǒng)的自編程能力消失。引導(dǎo)加載程序區(qū)的大小可以由芯片的熔絲位設(shè)置，該段程序區(qū)還提供兩組鎖定位，以便用戶選擇對該段程序區(qū)的不同級別的保護。 本節(jié)將給出一個實際的的Boot Loader程序，它可以配合Windows中的超級終端程序，采用Xmodem傳輸協(xié)議，通過RS232接口下載更新用戶的應(yīng)用程序。 5.2.1 基本設(shè)計思想 1． Boot Loader程序的設(shè)計要點 Boot Loader程序的設(shè)計是實現(xiàn)IAP的關(guān)鍵，它必須能過通過一個通信接口，采用某種協(xié)議正確的接收數(shù)據(jù)，再將完整的數(shù)據(jù)寫入到用戶程序區(qū)中。本例Boot Loader程序的設(shè)計要點有： （1）采用ATmega128的USART口實現(xiàn)與PC之間的簡易RS232三線通信； （2） 采用Xmodem通信協(xié)議完成與PC機之間的數(shù)據(jù)交換； （3）用戶程序更新完成后自動轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行； （4） Boot Loader程序采用C語言內(nèi)嵌AVR匯編方式編寫，閱讀理解方便，可移植性強，代碼小于1K字。 2． Xmodem通信協(xié)議 Xmodem協(xié)議是一種使用撥號調(diào)制解調(diào)器的個人計算機通信中廣泛使用的異步文件運輸協(xié)議。這種協(xié)議以128字節(jié)塊的形式傳輸數(shù)據(jù)，并且每個塊都使用一個校驗和過程來進行錯誤檢測。如果接收方關(guān)于一個塊的校驗和與它在發(fā)送方的校驗和相同時，接收方就向發(fā)送方發(fā)送一個認可字節(jié)。為了便于讀者閱讀程序，下面簡要說明該協(xié)議的主要特點，有關(guān)Xmoden的完整的協(xié)議請參考其它相關(guān)的資料。 （1） Xmodem的控制字符：<soh> 01H、<eot> 04H、<ack> 06H、<nak> 15H、<can> 18H、<eof> 1AH。 （2） Xmodem傳輸數(shù)據(jù)塊格式："<soh> <packNO> <255-packNO> <...128個字節(jié)的數(shù)據(jù)塊...> <cksum>"。其中<soh>為起始字節(jié)；<packNO>為數(shù)據(jù)塊編號字節(jié)，每次加一；<255-packNO>是前一字節(jié)的反碼；接下來是長度為128字節(jié)的數(shù)據(jù)塊；最后的<cksum>是128字節(jié)數(shù)據(jù)的CRC校驗碼，長度為2個字節(jié)。 （3）接收端收到一個數(shù)據(jù)塊并校驗正確時，回送<ack>；接收錯誤回送<nak>；而回送<can>表示要發(fā)送端停止發(fā)送。 （4） 發(fā)送端收到<ack>后，可繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)塊（packNO+1）；而收到<nak>則可再次重發(fā)上一個數(shù)據(jù)塊。 （5）發(fā)送端發(fā)送<eot>表示全部數(shù)據(jù)發(fā)送完成。如果最后需要發(fā)送的數(shù)據(jù)不足128個字節(jié)，用<eof>填滿一個數(shù)據(jù)塊。 （6） 控制字符"C"有特殊的作用，當(dāng)發(fā)送端收到"C"控制字符時，它回重新開始以CRC校驗方式發(fā)送數(shù)據(jù)塊（packNO = 1）。 （7） 每發(fā)送一個新的數(shù)據(jù)塊<packNO>加1，加到OxFF后下一個數(shù)據(jù)塊的<packNO>為零。 （8） 校驗方式采用16位CRC校驗(X^16 + X^12 + X^5 + 1)。 5.2.2 源程序代碼 下面給出的源程序是在ICCAVR中實現(xiàn)的。 /***************************************************** 采用串行接口實現(xiàn)Boot_load應(yīng)用的實例 華東師大電子系 馬 潮 2004.07 Compiler: ICC-AVR 6.31 Target: Mega128 Crystal: 16Mhz Used: T/C0,USART0 *****************************************************/ #include <iom128v.h> #define SPM_PAGESIZE 256 //M128的一個Flash頁為256字節(jié)(128字) #define BAUD 38400 //波特率采用38400bps #define CRYSTAL 16000000 //系統(tǒng)時鐘16MHz //計算和定義M128的波特率設(shè)置參數(shù) #define BAUD_SETTING (unsigned char)((unsigned long)CRYSTAL/(16*(unsigned long)BAUD)-1) #define BAUD_H (unsigned char)(BAUD_SETTING>>8) #define BAUD_L (unsigned char)BAUD_SETTING #define DATA_BUFFER_SIZE SPM_PAGESIZE //定義接收緩沖區(qū)長度 //定義Xmoden控制字符 #define XMODEM_NUL 0x00 #define XMODEM_SOH 0x01 #define XMODEM_STX 0x02 #define XMODEM_EOT 0x04 #define XMODEM_ACK 0x06 #define XMODEM_NAK 0x15 #define XMODEM_CAN 0x18 #define XMODEM_EOF 0x1A #define XMODEM_RECIEVING_WAIT_CHAR 'C' //定義全局變量 const char startupString[]="Type 'd' download, Others run app./n/r/0"; char data[DATA_BUFFER_SIZE]; long address = 0; //擦除(code=0x03)和寫入(code=0x05)一個Flash頁 void boot_page_ew(long p_address,char code) { asm("mov r30,r16/n" "mov r31,r17/n" "out 0x3b,r18/n"); //將頁地址放入Z寄存器和RAMPZ的Bit0中 SPMCSR = code; //寄存器SPMCSR中為操作碼 asm("spm/n"); //對指定Flash頁進行操作 } //填充Flash緩沖頁中的一個字 void boot_page_fill(unsigned int address,int data) { asm("mov r30,r16/n" "mov r31,r17/n" //Z寄存器中為填沖頁內(nèi)陸址 "mov r0,r18/n" "mov r1,r19/n"); //R0R1中為一個指令字 SPMCSR = 0x01; asm("spm/n"); } //等待一個Flash頁的寫完成 void wait_page_rw_ok(void) { while(SPMCSR & 0x40) { while(SPMCSR & 0x01); SPMCSR = 0x11; asm("spm/n"); } } //更新一個Flash頁的完整處理 void write_one_page(void) { int i; boot_page_ew(address,0x03); //擦除一個Flash頁 wait_page_rw_ok(); //等待擦除完成 for(i=0;i<SPM_PAGESIZE;i+=2) //將數(shù)據(jù)填入Flash緩沖頁中 { boot_page_fill(i, data[i]+(data[i+1]<<8)); } boot_page_ew(address,0x05); //將緩沖頁數(shù)據(jù)寫入一個Flash頁 wait_page_rw_ok(); //等待寫入完成 } //從RS232發(fā)送一個字節(jié) void uart_putchar(char c) { while(!(UCSR0A & 0x20)); UDR0 = c; } //從RS232接收一個字節(jié) int uart_getchar(void) { unsigned char status,res; if(!(UCSR0A & 0x80)) return -1; //no data to be received status = UCSR0A; res = UDR0; if (status & 0x1c) return -1; // If error, return -1 return res; } //等待從RS232接收一個有效的字節(jié) char uart_waitchar(void) { int c; while((c=uart_getchar())==-1); return (char)c; } //計算CRC int calcrc(char *ptr, int count) { int crc = 0; char i;
while (--count >= 0) { crc = crc ^ (int) *ptr++ << 8; i = 8; do { if (crc & 0x8000) crc = crc << 1 ^ 0x1021; else crc = crc << 1; } while(--i); } return (crc); } //退出Bootloader程序，從0x0000處執(zhí)行應(yīng)用程序 void quit(void) { uart_putchar('O');uart_putchar('K'); uart_putchar(0x0d);uart_putchar(0x0a); while(!(UCSR0A & 0x20)); //等待結(jié)束提示信息回送完成 MCUCR = 0x01; MCUCR = 0x00; //將中斷向量表遷移到應(yīng)用程序區(qū)頭部 RAMPZ = 0x00; //RAMPZ清零初始化 asm("jmp 0x0000/n"); //跳轉(zhuǎn)到Flash的0x0000處，執(zhí)行用戶的應(yīng)用程序 } //主程序 void main(void) { int i = 0; unsigned char timercount = 0; unsigned char packNO = 1; int bufferPoint = 0; unsigned int crc; //初始化M128的USART0 UBRR0H = BAUD_H; UBRR0L = BAUD_L; //Set baud rate UCSR0B = 0x18; //Enable Receiver and Transmitter UCSR0C = 0x0E; //Set frame. format: 8data, 2stop bit //初始化M128的T/C0，15ms自動重載 OCR0 = 0xEA; TCCR0 = 0x0F; //向PC機發(fā)送開始提示信息 while(startupString[i]!='/0') { uart_putchar(startupString[i]); i++; } //3秒種等待PC下發(fā)"d"，否則退出Bootloader程序，從0x0000處執(zhí)行應(yīng)用程序 while(1) { if(uart_getchar()== 'd') break; if (TIFR & 0x02) //timer0 over flow { if (++timercount > 200) quit(); //200*15ms = 3s TIFR = TIFR|0x02; } } //每秒向PC機發(fā)送一個控制字符"C"，等待控制字〈soh〉 while(uart_getchar()!=XMODEM_SOH) //receive the start of Xmodem { if(TIFR & 0x02) //timer0 over flow { if(++timercount > 67) //wait about 1 second { uart_putchar(XMODEM_RECIEVING_WAIT_CHAR); //send a "C" timercount="0"; } TIFR="TIFR" | 0x02; } } //開始接收數(shù)據(jù)塊 do { if ((packNO == uart_waitchar()) && (packNO ==(~uart_waitchar()))) { //核對數(shù)據(jù)塊編號正確 for(i=0;i<128;i++) //接收128個字節(jié)數(shù)據(jù) { data[bufferPoint]= uart_waitchar(); bufferPoint++; } crc = (uart_waitchar()<<8); crc += uart_waitchar(); //接收2個字節(jié)的CRC效驗字 if(calcrc(&data[bufferPoint-128],128)==crc) //CRC校驗驗證 { //正確接收128個字節(jié)數(shù)據(jù) while(bufferPoint >= SPM_PAGESIZE) { //正確接受256個字節(jié)的數(shù)據(jù) write_one_page(); //收到256字節(jié)寫入一頁Flash中 address += SPM_PAGESIZE; //Flash頁加1 bufferPoint = 0; } uart_putchar(XMODEM_ACK); //正確收到一個數(shù)據(jù)塊 packNO++; //數(shù)據(jù)塊編號加1 } else { uart_putchar(XMODEM_NAK); //要求重發(fā)數(shù)據(jù)塊 } } else { uart_putchar(XMODEM_NAK); //要求重發(fā)數(shù)據(jù)塊 } }while(uart_waitchar()!=XMODEM_EOT); //循環(huán)接收，直到全部發(fā)完 uart_putchar(XMODEM_ACK); //通知PC機全部收到
if(bufferPoint) write_one_page(); //把剩余的數(shù)據(jù)寫入Flash中 quit(); //退出Bootloader程序，從0x0000處執(zhí)行應(yīng)用程序 } 程序的主體部分采用C高級編寫，結(jié)構(gòu)性好，程序的相應(yīng)部分都給出了比較詳細的注釋說明，讀者非常容易讀懂和理解。下面再對程序做進一步的說明。 （1） 函數(shù)"void write_one_page(void)" 實現(xiàn)了對ATmega128一個Flash頁的完整編程處理。當(dāng)程序從串口正確接收到256個字節(jié)后，（ATmega128一個Flash頁為128個字），便調(diào)用該函數(shù)將其寫入ATmega128一個Flash頁中。函數(shù)先將一個指定的Flash頁進行擦除；然后將數(shù)據(jù)填入Flash的緩沖頁中，最后將Flash 緩沖頁的數(shù)據(jù)寫入到該指定的Flash頁中（詳細技術(shù)細節(jié)見第二章相關(guān)內(nèi)容的介紹）。 （2） 一個Flash頁的擦除、寫入，以及填充Flash緩沖頁的函數(shù)采用內(nèi)嵌AVR匯編完成，在ICCAVR中，寄存器R16、R17、R18、R19用于傳遞一個C函數(shù)的第1、2個參數(shù)（int類型）或第1個乘數(shù)（long類型），具體參考ICCAVR應(yīng)用說明。 （3） 函數(shù)"void quit(void)"的用途是退出Bootloader程序，從Flash的0x0000處執(zhí)行用戶的應(yīng)用程序。在執(zhí)行強行跳轉(zhuǎn)指令"jmp 0x0000"前，對寄存器MCUCR的操作是將中斷向量地址遷移回應(yīng)用程序區(qū)的頭部，因為在ICCAVR環(huán)境中編譯Bootloader程序時，其自動把中斷向量地址遷移到了Bootloader區(qū)的頭部。為了保證能正確執(zhí)行用戶的程序，在跳轉(zhuǎn)前需要把中斷向量地址遷再移回應(yīng)用程序區(qū)的頭部。 （4）在這段Bootloader程序中使用的硬件資源為T/C0和USART0，用戶在編寫其應(yīng)用程序時，應(yīng)首先對這兩個硬件資源相關(guān)的寄存器重新做初始化。 （5） Bootloader程序占具并住留在Flash的最高1K字空間內(nèi)，因此實際的應(yīng)用程序空間為63K字（126K字節(jié)），所以用戶編寫的應(yīng)用程序不得超出126K字節(jié)。同時應(yīng)將ATmega128的熔絲位BLB12、BLB11的狀態(tài)設(shè)置為"00"，禁止SPM和LPM指令對Bootloader區(qū)的讀寫操作，已確保Bootloader程序不被改寫和擦除。 5．2．3 IAP的實現(xiàn)與應(yīng)用 1． Bootloader程序的編譯與下載 首先在ICCAVR中新建一個工程項目，并按照生成Bootloader程序代碼的要求進行正確的設(shè)置。打開Project -> Options的Compiler Options設(shè)置選項窗口，見圖5.1： （1） 在Device Configration欄中選定器件ATMega128； （2） 選定Use RAMPZ/ELPM項（ATMega128的Flash > 64K字節(jié)）； （3） Program Type選定為Boot Loader； （4）Boot Size選擇1K Words。 正確設(shè)置好編譯選項后輸入C的源代碼，然后編譯生成.HEX的下載代碼程序。 在下載HEX文件前還要對ATmega128芯片的熔絲位進行正確的配置： （1） 配置M103C熔絲位，使芯片工作于ATmega128方式； （2） 配置BOOTSZ1和BOOTSZ0熔絲位，設(shè)定BOOTLOADER區(qū)的大小為1024個字，起始首地址為0xFC00； （3）配置BOOTRST熔絲位，設(shè)定芯片上電起動從BOOTLOADER區(qū)的起始地址處開始，即每次RESET復(fù)位后從0xFC00處執(zhí)行Bootloader程序； （4）下載Bootloader程序的HEX文件； （5） 配置LB2和LB1熔絲位，加密程序； （6）配置BLB12和BLB11熔絲位，對BOOTLOADER區(qū)進行安全鎖定。 特別注意的是，以上對芯片熔絲位的配置以及Bootloader程序的下載，需要由ISP、或JTAG、或并行方式實現(xiàn)，既要實現(xiàn)IAP，首先還需要使用一次非IAP的編程方式來建立IAP的應(yīng)用環(huán)境。 2． IAP應(yīng)用 當(dāng)你按照上面的方法將Bootloader程序下載完成后，就可以使用它來下載你的應(yīng)用程序了。具體操作如下。 （1） 編寫你的應(yīng)用程序，編譯生成HEX文件； （2）使用HEX2BIN.EXE轉(zhuǎn)換程序，將HEX文件轉(zhuǎn)換成BIN文件； （3）使用普通的RS232電纜將PC機的串口與ATmega128的串口連接； （4）打開WINDOWS中的超級終端軟件，正確設(shè)置COM口的參數(shù)：38400，1，8，無，2，無（使用2位停止位提高通信可靠性）； （5）ATmega128上電，在PC超級終端收到"Type 'd' download, Others run app."的Bootloader程序啟動的提示詳細； （6）3秒鐘內(nèi)在PC上按下"d"鍵，通知Bootloader程序轉(zhuǎn)入接收數(shù)據(jù)并更新應(yīng)用程序的處理。3秒鐘內(nèi)沒有按"d"鍵，PC超級終端收到"OK"提示，Bootloader程序退出，自動轉(zhuǎn)入執(zhí)行芯片內(nèi)原有的用戶應(yīng)用程序（如果有的話，否則再次啟動Bootloader程序）； （7）當(dāng)PC超級終端收到"C"（一秒鐘一個），說明Bootloader程序轉(zhuǎn)入接收數(shù)據(jù)和更新應(yīng)用程序的處理流程，正在等待PC下發(fā)數(shù)據(jù)； （8）在PC超級終端上的工具欄中選擇"傳送->發(fā)送文件"，在發(fā)送文件窗口選擇協(xié)議"Xmodem"，文件欄中選定要下載應(yīng)用程序的BIN文件，單擊發(fā)送按鈕； （9） 此時出現(xiàn)文件發(fā)送窗口，顯示文件發(fā)送的過程和進度，以及是否出錯； （10）當(dāng)文件全部正確發(fā)送完成后，PC超級終端收到"OK"提示，Bootloader程序退出，自動轉(zhuǎn)入執(zhí)行剛更新的用戶應(yīng)用程序。 在ATmega128中燒入這樣一個Bootloader程序，建立了IAP后，最基本的開發(fā)AVR的環(huán)境就簡化成"PC+RS232電纜+目標板"。讀者在掌握了Bootloader程序編寫的原理后，可以編寫自己的Bootloader程序，實現(xiàn)系統(tǒng)程序的自動遠程網(wǎng)絡(luò)更新等應(yīng)用。 AVR的BOOTLOADER功能同其它一些芯片不同，它的BOOTLOADER程序沒有固化（固定）在芯片內(nèi)部（出廠為空），而是需要由用戶設(shè)計實現(xiàn)（實際上，你第一次下載BOOTLOADER程序還必須使用其它的方式編程，如ISP、JTAG等），因此對一般的用戶掌握起來有一定的困難，不如一些其它芯片的固化IAP使用方便。但對高手來講，可以根據(jù)實際需要編寫高級、高效、專用的BOOTLOADER程序，如從一個U盤讀取數(shù)據(jù)，更新用戶的應(yīng)用程序；編寫一個時間炸彈，或?qū)τ脩舻拿艽a進行驗證，10次不對則將系統(tǒng)程序銷毀等等。簡單意味著使用方便，但靈活和適應(yīng)性差，而靈活性需要你具備更高的能力去駕馭它?？赡軙幸惶?，在單片機的系統(tǒng)上也出現(xiàn)了"病毒"程序，其原因就是使用了固化的BOOTLOADER程序。由于固化（固定）的程序采用規(guī)定公開（開放）的接口，那么用一個帶"病毒"的應(yīng)用程序更新原來的應(yīng)用程序也就輕而易舉了。
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