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ATMEGA128單片機的軟件遠程升級
摘要：介紹了ＡＴＭＥＧＡ１２８單片機應(yīng)用中的在線編程方法。給出了軟件ＩＡＰ升級設(shè)計中應(yīng)注意的一些關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合某市地鐵調(diào)度系統(tǒng)對ＩＡＰ升級的可靠性和保密性等問題進行了簡單的論述。關(guān)鍵詞：IAPFlashbootloader存儲器遠程升級在線升級
閃速程序存儲器的編程方法常見的有以下幾種：
(１)傳統(tǒng)的并行編程方法；
(２)通過串行口進行在線編程ＩＳＰ?ＩｎＳｙｓｔｅｍＰｒｏｇｒａｍｍａｂｉｌｉｔｙ?：對器件或電路甚至整個系統(tǒng)進行現(xiàn)場升級或功能重構(gòu)；
(３)在運行中，應(yīng)用程序控制下的應(yīng)用在線編程ＩＡＰ?ＩｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ?；ＩＡＰ模式簡單地說就是在某一個ｓｅｃｔｉｏｎ中運行程序，同時對另一個ｓｅｃｔｉｏｎ進行擦除、讀取、寫入等操作。
ＩＳＰ方式相對于傳統(tǒng)方式有了極大的進步，它不需要將芯片從電路板上卸下就可對芯片進行編程，減少了開發(fā)時間，簡化了產(chǎn)品制造流程，并大大降低了現(xiàn)場升級的困難。而ＩＡＰ方式是對芯片的編程處于應(yīng)用程序控制之下，對芯片的編程融入在通信系統(tǒng)當中，通過ＩＮＴＥＲＮＥＴ網(wǎng)絡(luò)來升級指定目標芯片的軟件。
圖1某城市地鐵調(diào)度指揮系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
隨著芯片技術(shù)的高速發(fā)展，各廠家相繼推出了自己的支持ＩＳＰ／ＩＡＰ編程模式的芯片，如美國ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴＭＥＧＡ１２８、ＡＴＭＥＧＡ１６９，ＳｉｌｉｃｏｎＳｔｏｒａｇｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司的ＳＳＴ８９Ｃ５４／５８ｊ等。其中美國ＡＴＭＥＬ公司推出的ＡＴＭＥＧＡ１２８是基于ＡＶＲＲＩＳＣ的低功耗８位單片機，最高工作頻率可達１６ＭＨｚ，具有１２８ＫＢＦＬＡＳＨ內(nèi)部存儲應(yīng)用器、４ＫＢＥＥＰＲＯＭ和ＳＲＡＭ數(shù)據(jù)存儲空間，最大可達４０９６字節(jié)的獨立加密位的可選ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序代碼區(qū)，以及相應(yīng)的專門用來支持（ＩＡＰ）操作的操作控制寄存器ＳＰＭＣＲ。近年來該型單片機以其優(yōu)良而穩(wěn)定的性能廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中。
１利用ＡＴＭＥＧＡ１２８構(gòu)成的遠程升級系統(tǒng)
�。保毕到y(tǒng)組成
圖１給出了某城市地鐵調(diào)度指揮系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信采用輪詢方式。
該系統(tǒng)主要設(shè)備包括若干個基臺站、主控單元、基站控制中心、語音交換單元。
各設(shè)備的主要功能為：基站臺用來接收車載臺的數(shù)字信令和語音信號；主控單元協(xié)調(diào)各子節(jié)點動作并監(jiān)視各子節(jié)點狀態(tài)；基站控制中心既是主控單元的子節(jié)點又是各基站臺的主節(jié)點，輔助主控單元完成對各基站臺的控制，協(xié)調(diào)各基站臺動作，搜集各基站臺傳來的消息和監(jiān)視各基站臺狀態(tài)；ＰＣＭ交換單元在主控單元控制下完成語音交換功能。
１．２系統(tǒng)軟件ＩＡＰ升級
在不影響整個系統(tǒng)正常運行情況下，為實現(xiàn)對系統(tǒng)某個節(jié)點的軟件升級，可將要升級的程序代碼通過寫碼軟件轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)信令，以透明傳輸?shù)姆绞絺鬏?下載?到目標節(jié)點。本系統(tǒng)的信令格式采用表１所示的代碼幀格式。其中幀傳輸控制字節(jié)為５字節(jié)，操作控制字節(jié)為４字節(jié)，代碼數(shù)據(jù)為３２字節(jié)。
表1代碼幀格式
目的地址源地址字節(jié)長度Y下載目標地址控制字RAMPZZHZL代碼數(shù)據(jù)
為保證代碼傳輸?shù)臏蚀_性，本系統(tǒng)采用反饋比對的方式，以監(jiān)控終端向基臺站的代碼傳輸為例，代碼由監(jiān)控終端傳輸?shù)交_站，基臺站收到代碼后，再反饋回監(jiān)控終端。監(jiān)控終端將收到的代碼與發(fā)送的代碼作比較，比較結(jié)果一致時傳輸下一代碼幀，不一致時重復(fù)傳輸上一代碼幀。
系統(tǒng)根據(jù)代碼幀的下載目標地址，自動尋址將代碼幀通過各級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點下載到目標節(jié)點。寫入代碼的位置原則上可在系統(tǒng)中的任何一點進行，但考慮到實際情況，本系統(tǒng)中只有兩個寫入點?顯示終端和監(jiān)控終端?，寫入代碼時不影響系統(tǒng)的正常運行。收到軟件升級消息的節(jié)點通過判斷代碼幀的控制字完成相應(yīng)的讀、寫、擦除等操作，并且可根據(jù)不同的需求配置不同的控制字實現(xiàn)遠程終端對目標節(jié)點的各種資源的監(jiān)控。
例如要通過監(jiān)控終端升級基站１中ＡＴＭＥＧＡ１２８的軟件，則要在監(jiān)控終端中啟動寫碼軟件，將編譯完成的升級代碼按照表１所示的系統(tǒng)幀格式打包，依照代碼在程序存儲區(qū)的先后次序依次發(fā)出。從圖１中可看出要通過監(jiān)控終端升級基站１中的軟件，還要經(jīng)由兩個中間節(jié)點：主控單元和基站控制中心，其時序流程如圖２所示。
首先，監(jiān)控終端發(fā)出一代碼幀到主控單元，主控單元根據(jù)代碼幀中的下載目標地址判斷應(yīng)傳送的下一節(jié)點——基站控制中心。當主控單元輪詢到基站控制中心時，將收到的代碼幀發(fā)送給基站控制中心。同樣，基站控制中心根據(jù)代碼幀中的下載目標地址，將代碼幀下載并傳送到要升級的基站１的處理器ＡＴＭＥＧＡ１２８單片機中。單片機接收到代碼幀后首先將此代碼幀回傳給基站控制中心，然后將程序跳轉(zhuǎn)，運行ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序區(qū)段。此時應(yīng)用程序區(qū)段處于忙狀態(tài)，運行ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序區(qū)段的程序，根據(jù)代碼載入地址將程序代碼寫入應(yīng)用程序存儲區(qū)的正確位置，并在ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序區(qū)段繼續(xù)運行，等待后續(xù)到達的代碼幀。而回傳的代碼幀同樣經(jīng)過兩級節(jié)點返回到監(jiān)控終端。監(jiān)控終端收到后與發(fā)送的代碼幀進行比較，準確無誤后方可傳送下一幀數(shù)據(jù)，否則重發(fā)。
圖３給出了代碼寫入主程序流程圖。當代碼幀下載到基站１的控制單片機ＡＴＭＥＧＡ１２８后，當檢測到幀類型為升級代碼幀“Ｙ”時，觸發(fā)代碼升級程序，程序由應(yīng)用程序區(qū)段跳轉(zhuǎn)至ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序區(qū)段。在此區(qū)段可以對應(yīng)用程序區(qū)段進行讀、寫等操作，同時接收通過ＵＳＡＲＴ串口不斷傳來的代碼幀。
在代碼開始寫入前，首先將存于ＥＥＰＲＯＭ中的寫入操作開始標志位置位，然后判斷操作控制字以檢測是要進行哪一種操作。若是進行寫入操作，則調(diào)用寫入操作子程序。圖４給出了代碼寫入子程序流程圖。首先將代碼寫入緩沖區(qū)，將要寫入的程序代碼的頭兩個字節(jié)讀入專用于ＩＡＰ操作的數(shù)據(jù)存儲寄存器Ｒ０：Ｒ１，同時Ｚ寄存器指針的低８位指向代碼將要寫到的指定緩沖區(qū)的位置。然后將ＳＰＭＣＲ控制寄存器的ＳＰＭＥＮ位置１，這樣這兩個字節(jié)的代碼就被寫入到緩沖區(qū)中指定位置。寫下兩個字節(jié)時將Ｚ寄存器指針加２，重復(fù)上述操作；依次進行直到將代碼幀中的代碼數(shù)據(jù)全部寫入緩沖區(qū)。然后判斷寫入緩沖區(qū)的代碼是否寫滿?代碼計數(shù)器是否為１２８。緩沖區(qū)寫滿后要執(zhí)行頁擦除操作。執(zhí)行頁擦除每次可擦除１頁(１２８ｗｏｒｄｓ)，將要擦除的頁地址存入Ｚ寄存器高８位，將ＳＰＭＣＲ控制寄存器的ＳＰＭＥＮ和ＰＧＥＲＥＳ位置１，擦除完畢后這兩位會被硬件清０。
執(zhí)行頁寫操作時每次只可寫入１頁，將Ｚ寄存器指針指向要寫入的應(yīng)用程序區(qū)段代碼頁，將ＳＰＭＣＲ控制寄存器的ＳＰＭＥＮ和ＰＧＷＲＴ位置１。當寫完后這兩位會被硬件清０同時頁緩沖區(qū)中內(nèi)容被清除。
升級代碼傳送全部完成后，監(jiān)控終端會發(fā)出一幀操作控制字為ＦＦ的代碼幀，升級節(jié)點收到后將存于ＥＥＰＲＯＭ中的寫入操作開始標志位置位清０。退出升級操作，并由ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ區(qū)段返回應(yīng)用程序區(qū)段，完成對該節(jié)點軟件的升級。
２ＩＡＰ升級可靠性和保密性的考慮
系統(tǒng)在進行ＩＡＰ升級過程中不免受到外界干擾，如系統(tǒng)突然掉電或線路故障等意外事故而導(dǎo)致代碼傳輸失敗的情況，此時要有一套可靠的軟硬件機制來保障ＩＡＰ升級的正常運作，以下介紹本系統(tǒng)所采取的一些措施。
(１)消除傳輸過程中產(chǎn)生的誤碼
下載代碼的準確性直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運行。本系統(tǒng)采用大回路比對的方式。這種方式雖然使升級過程時間加長，但可以保證代碼準確無誤，并且回傳的代碼幀同時可作為ＩＡＰ升級的握手信號。當然也可以采用ＣＲＣ等其它方式解決。
(２)ＩＡＰ升級過程中系統(tǒng)掉電情況分析
系統(tǒng)設(shè)計必須要避免系統(tǒng)掉電等類似情況所造成的系統(tǒng)運行故障的發(fā)生，即使發(fā)生了也應(yīng)將損失降低到最低限度。在ＩＡＰ升級過程中，可通過軟件方式解決。在應(yīng)用程序區(qū)段，用第一條語句跳轉(zhuǎn)至ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ區(qū)段，并在ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ區(qū)段的程序中，檢驗寫碼操作開始標志位?此標志位被寫入ＥＥＰＲＯＭ中?。如未被置位，則跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序區(qū)段繼續(xù)運行應(yīng)用程序區(qū)段中的程序，否則繼續(xù)守候在ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ區(qū)段直到升級完成。
(３)下載代碼的保密性
為防止沒有寫碼權(quán)限的用戶對代碼的操作，實際運用中可對ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序段加入權(quán)限校驗程序。根據(jù)不同的節(jié)點設(shè)置了不同的加密碼，以及特權(quán)碼(供系統(tǒng)設(shè)計或管理人員使用)，并將密碼存入ＥＥＰＲＯＭ中，以便隨時更改密碼。
該方案已成功應(yīng)用于上海地鐵調(diào)度指揮系統(tǒng)中，實現(xiàn)了基于ＡＴＭＥＧＡ１２８ＩＡＰ軟件的升級，并通過上述可靠性和保密性的設(shè)計，使ＩＡＰ軟件升級的可靠性得到了保證。通過該技術(shù)大大提高了系統(tǒng)的可維護性，減少了產(chǎn)品開發(fā)時間，簡化了產(chǎn)品制造流程，并大大降低了現(xiàn)場升級的困難，實現(xiàn)了在不影響節(jié)點正常工作的情況下對該節(jié)點的軟件升級。
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