基于C8051F023的軟件注入技術(shù)

單片機(jī)的出現(xiàn)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的里程碑，它的誕生標(biāo)志著計(jì)算機(jī)正式形成了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩大分支。近年來，計(jì)算機(jī)理論研究、半導(dǎo)體工藝和超大規(guī)模集成電路技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，以此為支撐的嵌入式計(jì)算機(jī)也逐漸成為各種嵌入式系統(tǒng)的核心部件。

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適用于系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是一種軟硬件高度結(jié)合的產(chǎn)物，其系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于經(jīng)過高效率設(shè)計(jì)的各類應(yīng)用軟件。和通用計(jì)算機(jī)軟件不同，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在只讀存儲(chǔ)器中，而不是以磁盤為載體可以隨意更換，所以嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件和嵌入式產(chǎn)品一樣都具有較長(zhǎng)的生命周期。另外，各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)和產(chǎn)品很少發(fā)生突然性的跳躍，嵌入式系統(tǒng)中的軟件也因此更強(qiáng)調(diào)可繼承性和技術(shù)銜接性，發(fā)展比較穩(wěn)定。以上兩點(diǎn)使得基于原有的硬件平臺(tái)即可完成嵌入式系統(tǒng)的軟件升級(jí)，從而節(jié)省用戶的成本，提高系統(tǒng)供應(yīng)商的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和服務(wù)效率。軟件注入就是能夠?qū)崿F(xiàn)這種軟件升級(jí)方式的技術(shù)之一。

就嵌入式系統(tǒng)而言，軟件注入是指將嵌入式系統(tǒng)中的軟件模塊使用在線可編程

1 軟件注入的可行性分析

在各類嵌入式計(jì)算機(jī)中，微控制器MCU（Micro Controller Unit）以其低功耗、高可靠性、片內(nèi)外設(shè)資源豐富且易于擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)而成為各種控制應(yīng)用的主流，這種用于控制的嵌入式系統(tǒng)也大量而廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)算速度增快和存儲(chǔ)容量增大，使得單片MCU不僅用于控制，也逐步用于各類運(yùn)算等應(yīng)用，因此在嵌入式系統(tǒng)中針對(duì)MCU的軟件注入應(yīng)用最為普遍，也最具代表意義。下面將討論基于C8051F023的軟件注入的實(shí)現(xiàn)。

要想實(shí)現(xiàn)軟件注入，嵌入式系統(tǒng)所采用的MCU必須具有在系統(tǒng)可編程能力，即程序存儲(chǔ)器支持應(yīng)用程序的擦除和重新寫入。此外，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)具有較大的程序存儲(chǔ)空間和較快的運(yùn)行速度，以便能夠存儲(chǔ)和運(yùn)算比較復(fù)雜的軟件算法。

C8051F023屬于Cygnal公司的C8051F系列。該芯片內(nèi)核CIP-51采用了流水線指令結(jié)構(gòu)，速度最高可達(dá)25MIPS（Million Instructions Per Second，每秒百萬條指令），且70%的指令可在1~2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，這為嵌入式設(shè)備采用復(fù)雜的算法提供了必要的條件。同時(shí)芯片內(nèi)部集成了容量達(dá)64KB的Flash存儲(chǔ)器，用于程序代碼和非易失性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，可由軟件使用MOVX指令對(duì)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行在系統(tǒng)編程。

由以上分析可知，C8051F023完全具備軟件注入的實(shí)現(xiàn)條件。

2 軟件注入的技術(shù)措施和實(shí)現(xiàn)方案

通用計(jì)算機(jī)具有完善的人機(jī)接口界面，在上面增加一些開發(fā)應(yīng)用程序和環(huán)境即可進(jìn)行對(duì)自身的開發(fā)。而嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，因此必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計(jì)算機(jī)上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號(hào)示波器等。圖1給出的就是一種基于通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)的軟件注入實(shí)現(xiàn)方案。

圖1 嵌入式系統(tǒng)軟件注入原理圖

由圖1可以看出，為了實(shí)現(xiàn)軟件注入，除了具備運(yùn)行在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的相關(guān)開發(fā)工具（例如VC++、VB、Delphi等）外，還必須制訂軟件注入規(guī)程和研制軟件注入設(shè)備。注入規(guī)程包括嵌入式系統(tǒng)和注入設(shè)備的物理接口的機(jī)械特性和電氣特性、具有口令字校驗(yàn)功能和差錯(cuò)控制機(jī)制的通信協(xié)議等；注入設(shè)備分為注入卡和注入槍，前者采用通用計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口如RS232、USB等與通用計(jì)算機(jī)互連，用于將軟件程序輸入到注入槍，也可直接對(duì)嵌入式設(shè)備注入，后者為移動(dòng)式注入設(shè)備，便于為不在本地的嵌入式系統(tǒng)完成軟件的升級(jí)服務(wù)。

在制訂了軟件注入規(guī)程并擁有了相應(yīng)注入設(shè)備后，還需要解決新注入程序與MCU中的固化程序的連接問題，以實(shí)現(xiàn)新注入代碼的功能。圖2給出了基于C8051F023的一種解決方案。

圖2 基于C8051F023的軟件注入實(shí)現(xiàn)方案

該方案是一個(gè)基于MCU所實(shí)現(xiàn)的功能模塊化方案，在固化在Flash中的主程序模塊和引導(dǎo)裝入模塊的支持下，模塊1、模塊2、模塊3等均可實(shí)現(xiàn)程序代碼的更新。方案中的主程序模塊完成MCU的初始化工作以及可注入模塊所需的一些默認(rèn)設(shè)置，而不可用扇區(qū)和保留扇區(qū)是C8051F023的特性。前者提供了芯片的安全選項(xiàng)，但不支持應(yīng)用程序在系統(tǒng)可編程；后者為工廠專用，不能存儲(chǔ)用戶程序。

在0x1000~0xFBFF的地址空間內(nèi)，每個(gè)模塊為具有某一功能的相對(duì)獨(dú)立的軟件代碼，其所占的地址空間可依據(jù)程序代碼的大小通過偽指令來定義和修改。當(dāng)存儲(chǔ)器容量較大時(shí)，剩余的地址空間可作為保留，用于存儲(chǔ)新增加的功能模塊代碼。

通常MCU的中斷向量位于主程序模塊的地址空間內(nèi)且是固定不變的（C8051F023的中斷向量地址為0x0000～0x00AB）為了能夠使用硬件中斷資源（比如UART，定時(shí)器等）以及確保所有功能模塊都能獲得調(diào)用，需要統(tǒng)一定義中斷服務(wù)程序（ISR）和所有功能模塊（包括保留地址空間）的入口地址和地址空間范圍，這是實(shí)現(xiàn)新注入軟件與固化軟件之間連接的唯一途經(jīng)。在開發(fā)新的可注入軟件模塊時(shí)必須遵守這一規(guī)定，如果入口地址不一致，新的軟件模塊將得不到調(diào)用；如果軟件模塊太大以至超出了規(guī)定的地址空間范圍，新的軟件模塊將會(huì)占用相鄰模塊的地址空間，從而影響后者的調(diào)用和功能實(shí)現(xiàn)。此外，在編寫軟件注入模塊時(shí)還要注意以下兩點(diǎn)。

① 在寫入新的軟件代碼之前，需要將程序存儲(chǔ)器中原來的數(shù)據(jù)擦除。由于C8051F023的Flash存儲(chǔ)器是以大小為512B（用十六進(jìn)制表示為200H）的扇區(qū)為單位組織的，一次擦除操作將刪除整個(gè)扇區(qū)，因此每個(gè)功能模塊的地址空間必須是200H的整數(shù)倍。

② C8051F023特有的優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼

3 軟件代碼文件的生成

從圖1可以看出，軟件程序最終是以十六進(jìn)制代碼的形式駐留在軟件注入槍或注入卡中的，因此軟件程序的十六進(jìn)制代碼文件必不可少。然而，在C8051F023集成開發(fā)環(huán)境下，源程序文件經(jīng)過編譯后生成的二進(jìn)制文件是不可讀的，只能通過JTAG口下載到MCU中。對(duì)此，需要把開發(fā)環(huán)境中附帶的DOS程序oh51.exe復(fù)制到與編譯后的二進(jìn)制文件相同的文件夾下，然后在DOS操作環(huán)境下利用該工具將生成的二進(jìn)制文件轉(zhuǎn)換成hex文件。然而，此時(shí)的hex文件仍是不可用的（如圖3所示，這里假設(shè)文件名為example），因?yàn)樗诵袠?biāo)識(shí)符號(hào)、代碼地址、校驗(yàn)字符等非代碼內(nèi)容，并且由于ORG偽指令的使用使得軟件代碼的地址是不連續(xù)的，而通常采用的手段是將軟件代碼下載到連續(xù)的存儲(chǔ)器空間，以簡(jiǎn)化通信協(xié)議的制訂和引導(dǎo)裝入程序的編寫。針對(duì)這種情況作者編寫了DOS程序v2.exe，利用該程序可將輸入的hex文件統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成僅包含純粹軟件代碼的codes.txt文件（如圖4所示），同時(shí)生成的readme.txt文件給出了在注入軟件時(shí)所需的一些參數(shù)（該參數(shù)與軟件注入規(guī)程有關(guān)）。V2程序的功能具有通用性，可作為C8051F023集成開發(fā)環(huán)境的一部分，該程序使用Turbo C 2.0集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)，其源代碼見網(wǎng)站www.dpj.com.cn。

圖3 example.hex文件的內(nèi)容示例

圖4 包含純粹軟件代碼的codes.txt文件的內(nèi)容示例

結(jié)語

軟件注入技術(shù)是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)軟件升級(jí)的一種有效手段，在實(shí)施過程中需要采取諸如制訂軟件注入規(guī)程、研制軟件注入設(shè)備并開發(fā)相應(yīng)各類軟件等一系列技術(shù)措施，且具有多種可行方案。本文給出了其中的一種實(shí)施方案（如圖1所示），在論述了采用軟件注入技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和可行性后，針對(duì)采用C8051F023的嵌入式系統(tǒng)，討論了基于C8051F023的軟件注入實(shí)現(xiàn)方案和相關(guān)的一些問題，并編寫了V2程序以完善C8051F023集成開發(fā)環(huán)境在實(shí)現(xiàn)軟件注入方面的功能。

參考文獻(xiàn)

1 張迎新，等. 單片機(jī)初級(jí)教程. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2000

2 潘琢金, 施國(guó)君. C8051Fxxx高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2002