ATMEGA128单片机的软件远程升级

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作者:田日才 王国鹏 梁学东

  闪速程序存储器的编程方法常见的有以下几种:

  (1)传统的并行编程方法;

  (2)通过串行口进行在线编程ISPIn System Programmability :对器件或电路甚至整个系统进行现场升级或功能重构;

  (3)在运行中,应用程序控制下的应用在线编程IAPIn Application Programming ;IAP模式简单地说就是在某一个section中运行程序,同时对另一个section进行擦除、读取、写入等操作.

  ISP方式相对于传统方式有了极大的进步,它不需要将芯片从电路板上卸下就可对芯片进行编程,减少了开发时间,简化了产品制造流程,并大大降低了现场升级的困难.而IAP方式是对芯片的编程处于应用程序控制之下,对芯片的编程融入在通信系统当中,通过INTERNET网络来升级指定目标芯片的软件.

  随着芯片技术的高速发展,各厂家相继推出了自己的支持ISP/IAP编程模式的芯片,如美国ATMEL公司的ATMEGA128、ATMEGA169,Silicon Storage Technology公司的SST89C54/58j等.其中美国ATMEL公司推出的ATMEGA128是基于AVR RISC的低功耗8位单片机,最高工作频率可达16MHz,具有128KB FLASH内部存储应用器、4KB EEPROM和SRAM数据存储空间,最大可达4096字节的独立加密位的可选bootloader程序代码区,以及相应的专门用来支持(IAP)操作的操作控制寄存器SPMCR.近年来该型单片机以其优良而稳定的性能广泛应用于各种电子产品中.

  1 利用ATMEGA128构成的远程升级系统

  1.1系统组成

  图1给出了某城市地铁调度指挥系统的网络结构.该系统的网络通信采用轮询方式.

  该系统主要设备包括若干个基台站、主控单元、基站控制中心、语音交换单元.

  各设备的主要功能为:基站台用来接收车载台的数字信令和语音信号;主控单元协调各子节点动作并监视各子节点状态;基站控制中心既是主控单元的子节点又是各基站台的主节点,辅助主控单元完成对各基站台的控制,协调各基站台动作,搜集各基站台传来的消息和监视各基站台状态;PCM交换单元在主控单元控制下完成语音交换功能.

  1.2 系统软件IAP升级

  在不影响整个系统正常运行情况下,为实现对系统某个节点的软件升级,可将要升级的程序代码通过写码软件转换为系统信令,以透明传输的方式传输下载 到目标节点.本系统的信令格式采用表1所示的代码帧格式.其中帧传输控制字节为5字节,操作控制字节为4字节,代码数据为32字节.

  表1 代码帧格式

目的地址 源地址 字节长度 Y 下载目标地址 控制字 RAMPZ ZH ZL 代码数据

  为保证代码传输的准确性,本系统采用反馈比对的方式,以监控终端向基台站的代码传输为例,代码由监控终端传输到基台站,基台站收到代码后,再反馈回监控终端.监控终端将收到的代码与发送的代码作比较,比较结果一致时传输下一代码帧,不一致时重复传输上一代码帧.

  系统根据代码帧的下载目标地址,自动寻址将代码帧通过各级网络节点下载到目标节点.写入代码的位置原则上可在系统中的任何一点进行,但考虑到实际情况,本系统中只有两个写入点显示终端和监控终端 ,写入代码时不影响系统的正常运行.收到软件升级消息的节点通过判断代码帧的控制字完成相应的读、写、擦除等操作,并且可根据不同的需求配置不同的控制字实现远程终端对目标节点的各种资源的监控.

  例如要通过监控终端升级基站1中ATMEGA128的软件,则要在监控终端中启动写码软件,将编译完成的升级代码按照表1所示的系统帧格式打包,依照代码在程序存储区的先后次序依次发出.从图1中可看出要通过监控终端升级基站1中的软件,还要经由两个中间节点:主控单元和基站控制中心,其时序流程如图2所示.

  首先,监控终端发出一代码帧到主控单元,主控单元根据代码帧中的下载目标地址判断应传送的下一节点——基站控制中心.当主控单元轮询到基站控制中心时,将收到的代码帧发送给基站控制中心.同样,基站控制中心根据代码帧中的下载目标地址,将代码帧下载并传送到要升级的基站1的处理器ATMEGA128单片机中.单片机接收到代码帧后首先将此代码帧回传给基站控制中心,然后将程序跳转,运行bootloader程序区段.此时应用程序区段处于忙状态,运行bootloader程序区段的程序,根据代码载入地址将程序代码写入应用程序存储区的正确位置,并在bootloader程序区段继续运行,等待后续到达的代码帧.而回传的代码帧同样经过两级节点返回到监控终端.监控终端收到后与发送的代码帧进行比较,准确无误后方可传送下一帧数据,否则重发.

  图3给出了代码写入主程序流程图.当代码帧下载到基站1的控制单片机ATMEGA128后,当检测到帧类型为升级代码帧“Y”时,触发代码升级程序,程序由应用程序区段跳转至bootloader程序区段.在此区段可以对应用程序区段进行读、写等操作,同时接收通过USART串口不断传来的代码帧.

  在代码开始写入前,首先将存于EEPROM中的写入操作开始标志位置位,然后判断操作控制字以检测是要进行哪一种操作.若是进行写入操作,则调用写入操作子程序.图4给出了代码写入子程序流程图.首先将代码写入缓冲区,将要写入的程序代码的头两个字节读入专用于IAP操作的数据存储寄存器R0:R1,同时Z寄存器指针的低8位指向代码将要写到的指定缓冲区的位置.然后将SPMCR控制寄存器的SPMEN位置1,这样这两个字节的代码就被写入到缓冲区中指定位置.写下两个字节时将Z寄存器指针加2,重复上述操作;依次进行直到将代码帧中的代码数据全部写入缓冲区.然后判断写入缓冲区的代码是否写满代码计数器是否为128.缓冲区写满后要执行页擦除操作.执行页擦除每次可擦除1页(128words),将要擦除的页地址存入Z寄存器高8位,将SPMCR控制寄存器的SPMEN和PGERES位置1,擦除完毕后这两位会被硬件清0.

  执行页写操作时每次只可写入1页,将Z寄存器指针指向要写入的应用程序区段代码页,将SPMCR控制寄存器的SPMEN和PGWRT位置1.当写完后这两位会被硬件清0同时页缓冲区中内容被清除.

  升级代码传送全部完成后,监控终端会发出一帧操作控制字为FF的代码帧,升级节点收到后将存于EEPROM中的写入操作开始标志位置位清0.退出升级操作,并由bootloader区段返回应用程序区段,完成对该节点软件的升级.

  2 IAP升级可靠性和保密性的考虑

  系统在进行IAP升级过程中不免受到外界干扰,如系统突然掉电或线路故障等意外事故而导致代码传输失败的情况,此时要有一套可靠的软硬件机制来保障IAP升级的正常运作,以下介绍本系统所采取的一些措施.

  (1)消除传输过程中产生的误码

  下载代码的准确性直接关系到系统能否正常运行.本系统采用大回路比对的方式.这种方式虽然使升级过程时间加长,但可以保证代码准确无误,并且回传的代码帧同时可作为IAP升级的握手信号.当然也可以采用CRC等其它方式解决.

  (2)IAP升级过程中系统掉电情况分析

  系统设计必须要避免系统掉电等类似情况所造成的系统运行故障的发生,即使发生了也应将损失降低到最低限度.在IAP升级过程中,可通过软件方式解决.在应用程序区段,用第一条语句跳转至bootloader区段,并在bootloader区段的程序中,检验写码操作开始标志位此标志位被写入EEPROM中 .如未被置位,则跳转至应用程序区段继续运行应用程序区段中的程序,否则继续守候在bootloader区段直到升级完成.

  (3)下载代码的保密性

  为防止没有写码权限的用户对代码的操作,实际运用中可对bootloader程序段加入权限校验程序.根据不同的节点设置了不同的加密码,以及特权码(供系统设计或管理人员使用),并将密码存入EEPROM中,以便随时更改密码.

  该方案已成功应用于上海地铁调度指挥系统中,实现了基于ATMEGA128 IAP软件的升级,并通过上述可靠性和保密性的设计,使IAP软件升级的可靠性得到了保证.通过该技术大大提高了系统的可维护性,减少了产品开发时间,简化了产品制造流程,并大大降低了现场升级的困难,实现了在不影响节点正常工作的情况下对该节点的软件升级.

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