關鍵詞：BootLoader PIC18 IAP 在線升級
引 言
PIC單片機的BootLoader屬於需要自己寫程序的那種，可以根據自己的需要寫出各種功能的BootLoader程序來。目前，比較常見的BootLoader程序有Microchip公司的C18版本和着名的PICC編譯器廠商HI-TECH公司（以下簡稱HI-TECH）的PICC18版本。它們的相似之處在於都佔用了系統的0x00～0x1FF的程序空間。Microchip的版本是用純彙編寫的，而HI-TECH的版本是用C語言編寫的。
在PIC系列單片機中，只有PIC18系列和PIC16F87X系列的單片機纔有IAP功能，才能夠使用BootLoader功能。下面只介紹PIC18的BootLoader，PIC16F87X的BootLoader與它類似。
1 BootLoader程序的工作原理
BootLoader是一段引導程序，在單片機上電/複位後在用戶程序之前先運行。運行後判斷當前是否需要進入升級狀態。如果不需要升級，就直接運行Flash中原有的程序；如果需要升級，首先擦除舊的程序，然後從串口接收用戶程序，同時寫入Flash中。接收數據時，需要進行校驗，保證接收到的數據是正確的，避免將錯誤的程序寫入到芯片中。
PIC18單片機只有一塊Flash，可以在Flash的任何位置擦寫（甚至可以將BootLoader自身擦除）；而51單片機一般都是兩塊Flash，只能夠從一塊Flash上擦寫另一塊Flash，而不能擦寫自身。
BootLoader程序原則上是可以放在整個程序空間中的任何位置的，但是爲了簡單方便、具有通用性和儘量減少對用戶程序的影響，使用了從0x00開始的一段程序空間。
BootLoader程序可以多種方式獲取數據，包括串口、並口、I2C、SPI、USB等；但是從實際使用來看，使用串口無疑是最方便的。
爲了使得用戶程序可以獲得最大的程序空間，就需要BootLoader程序儘可能的簡短。在這裏，Microchip和HI-TECH都將BootLoader程序設計爲小於200H個字節（100H個字）。使用0x00～0x1FF這個區域還有一個重要原因是，這個地址的空間有特殊的寫保護特性。
PIC18單片機雖然有多箇中斷源，但只支持兩級中斷，有兩個中斷向量，分別位於0x08和0x18；而BootLoader程序佔用了0x00～0x1FF的空間，這意味着需要重新定位中斷向量，使新的中斷向量指向用戶的中斷程序，這樣才能保證正常運行用戶程序的中斷程序。
2 程序的使用方法
（1） HI-TECH的BootLoader程序
在HI-TECH的PICC18編譯器的examples文件夾下，有一個Bootldr子文件夾，裏麵就是HI-TECH的BootLoader程序。這是一個完整的程序，可以直接進行編譯，編譯後的HEX可以用編程器下載到芯片中。
（2） 用戶系統的要求
如果需要使用BootLoader，要求用戶系統中有一個RS232串口可以和計算機進行通信。
（3） 程序的配置
下麵是程序的主要參數，如果它們設置得不正確，會影響程序的使用。
VERB0：冗餘模式，有更多的提示，但是會佔用更多的程序空間，建議不用。
BOOT_TIMEOUT：等待超時的時間，0～9s（再長了也沒有意義），默認爲5s。
BAUD：串口通信的波特率，默認是9 600。
FOSC：用戶系統的時鍾頻率，默認是4 MHz。
NINE：通信是否使用第9位數據位，默認不使用。?
FILL_BYTE：程序空間擦除時使用的填充數據，默認值是0xFF。?
PROG_START：用戶程序的起始位置，默認是0x200。?
其他的參數可以先不用管，在需要時再修改，它們不影響通信和下載。
（4） 程序的編譯
有兩種方法對BootLoader程序進行編譯：
① 命令行方式。使用命令行時，典型的用法是：
picc18 -8f452 bootldr.c -o -zg -noerrata?
上麵的最後一個參數 -noerrata是PIC18Fxx2系列單片機需要的，若是其他型號，就不用加入；而參數 -18f452是指定單片機的型號，如果是其他型號，就修改爲實際使用的型號。
② 使用MPLAB IDE。使用MPLAB IDE時，首先按照正常方式建立一個新的工程文件，選擇工程文件目錄，然後加入HI-TECH的Samples/Bootldr目錄下文件bootldr.c和bootldr.h。建立工程文件時，選擇MCU的型號爲實際使用的型號，選擇C編譯器爲HI-TECH的PICC18編譯器。
（5） 用戶程序的配置
使用HI-TECH版本的BootLoader，對用戶程序的修改是非常少和簡單的，只需要修改用戶程序的偏移量就可以了，而不需要修改任何程序代碼或進行任何特殊的配置。因爲BootLoader程序需要佔用0～1FFH的空間，所以用戶程序需要從200H處開始運行，即設置程序的偏移量爲200H。方法是在MPLAB IDE中，從菜單中選擇Project→Build Options...→Project，在PICC-18 Linker頁標下的Specify offset for ROM（ROM代碼偏移量）中輸入偏移量200（注意這裏輸入的已經是十六進制了，不用再轉換），如圖1所示。
圖 1
（6） 程序配置字
對於每個PIC單片機的芯片，都需要設置正確的程序配置字後才能正常運行。雖然在BootLoader中是可以修改配置字的，但是這樣並不安全，也不方便。一般情況下，程序配置字設定後是不需要修改的，所以配置字在燒寫BootLoader程序時就一起寫入單片機芯片，以後就只使用BootLoader來升級(燒寫)程序，這樣不會破壞芯片的配置字。
（7） 調試用戶程序
平時，在編寫和調試用戶程序時，還是和正常方式一樣，單片機中不包含BootLoader程序，也不設置偏移量（或者設置爲0），以方便使用ICD2等仿真器進行程序仿真。等程序調試好後，再修改程序的偏移量爲200H，並重新編譯程序，產生最終的用戶HEX代碼。這樣編譯好的程序纔可以使用BootLoader進行下載。
（8） 下載用戶程序
使用HI-TECH的BootLoader程序，在下載用戶程序到單片機中時，可以不需要特殊的下載程序，只需要使用Windows自帶的超級終端程序就可以了。超級終端的通信參數需要設置成和BootLoader程序的一樣，包括波特率、校驗、數據位、停止位等。
首先連接好串口線，再啓動超級終端程序，然後複位單片機（單片機中應當已經寫入了BootLoader程序）。這時，在超級終端的窗口中會顯示出一個倒計時的計數器，計數器的初始值就是上麵的BOOT_TIMEOUT參數。計數器每秒鍾刷新一次。當計數器爲0時，就會運行以前的程序。如果這期間從超級終端輸入任意數據（就是隨便按一個鍵，或者說單片機從串口上接收任意數據），計數器就會停止計數，進入升級狀態。這時BootLoader程序會首先擦除舊的程序空間，然後屏幕上會顯示出一個冒號“：”，提示等待下載用戶程序。這時就可以從超級終端的菜單中選取傳送→發送文本文件，選擇編譯好的HEX文件即可。如果下載成功，超級終端的窗口中會顯示出一個小括號“)”，提示下載已經完成，同時用戶程序會自動開始運行。使用BootLoader下載時，因爲串口的速度相對比較慢（與編程器相比），所以需要等待一會兒。具體時間與用戶程序的大小有關。如果下載中出現錯誤，單片機會自動複位，進入倒計數狀態，重複上麵的過程。使用超級終端比較簡單，不需要特殊的下載軟件；但是缺乏交互性，沒有進程指示，如果下載過程中出現錯誤也不能停止下來。
3 BootLoader程序的改進
（1） HI-TECH的BootLoader程序中存在的缺陷
雖然HI-TECH版本的BootLoader程序已經很方便了，具備了所有必需的基本要素；但是程序中存在着一些缺陷，甚至是很重大的隱患，不太適合於直接使用在實際工程中。下麵是主要存在的幾個問題
①BootLoader是以從串口上接收任何數據爲標誌進入BootLoader狀態的。進入BootLoader狀態後，BootLoader程序做的第一件事情就是擦除以前程序的空間。如果在實際使用中，單片機因爲某種意外原因被複位，而且複位後運行BootLoader時在串口上有任何數據（如干擾信號或者系統正處於串口通信狀態），就會造成用戶程序的丟失。
② BootLoader程序中沒有使用看門狗。如果升級失敗或者升級過程中程序死機，將不能恢複到初始的升級狀態。這對於直接串口連接的方式問題不大，但是需要使用遠程升級時是一個致命的問題。
③ 在寫入用戶程序過程中如果出現數據錯誤，就會複位，而這時用戶程序已經被部分寫入了。如果複位後運行BootLoader程序沒有收到信號時，會啓動用戶程序。這樣殘缺的用戶程序就可能會造成運行故障和不可預料的結果。如果看門狗是在用戶程序中打開的，這時就有可能出現看門狗沒有被啓動而死機的現象，這是遠程升級中一個嚴重的問題。?
④ BootLoader程序中允許寫EEPROM和芯片配置字。雖然這樣增加了靈活性，但是這樣是不安全的。如果配置字不小心設置錯了，下載後會使整個芯片不能正常運行。這時需要重新用編程器修改配置字才行。
只有設法克服上麵提到的缺陷，才能將BootLoader程序應用到實際系統中。
（2） 對HI-TECH的BootLoader程序的改進
針對上麵提到的問題，對HI-TECH的BootLoader作了一些修改，刪除了部分很少用到的功能和不安全的功能，同時修改了進入BootLoader狀態的判斷條件。除了使用增強的串口數據識別方式外，還增加了電平檢測的方式，用來判斷是否進入BootLoader狀態。
① 針對上麵第一項中的問題，修改爲識別特定字符串纔可以進入BootLoader的升級狀態。特定字符串的內容和長度可以由用戶自己定義（長度不能超過12字節。在一般情況下，12字節的識別字符串應當足夠長了）。可以使用任何數據（包括0）。
② 增加了特定引腳電平判斷方式，在BootLoader程序運行後，判斷某個特定的引腳上的電壓是否是預定的電壓，由此決定是否需要進入BootLoader升級狀態。引腳和預定電壓（高/低）可以自由設置。這種方式比較安全，但是不太適合於遠程升級。
③ 增加了看門狗選項，可以設置使用/不使用看門狗。一般設置看門狗的溢出時間在0.5～2s比較合適。
④ 增加了編程響應。在每成功接收到一行HEX數據後，發出一個迴應字節，用於編程時的錯誤檢測。PC端的下載程序可以根據這個字節來判斷下載過程中是否出錯。
⑤ 針對上麵3(1)中③的問題，可以這樣解決。將編譯後的HEX文件手工稍作修改，將0x200～0x220（假設用戶程序是從0x200開始的）地址段的數據從文件的開頭移動到文件的結尾。這樣0x200處的代碼會在最後才寫入單片機中。如果寫入過程中出現故障，複位後即使BootLoader啓動了用戶程序，也會因爲這段區域沒有代碼而重新複位，而不會去運行部分被寫入的用戶程序。不過這種方法需要對HEX文件的結構有一定的瞭解才行。一個簡單判斷HEX數據地址的方法是,HEX文件的每一行第一個字符是冒號“:”，冒號後的第3、4、5、6這四個數字就表示這一行數據的地址，是以十六進制表示的。如：“：100200...”就表示地址是0x200。在正常情況下，編譯後的HEX文件數據是地址從低到高的順序排列的。
改進後的程序增加了一部分參數，它們是：
BOOT_SIGNAL——使用單片機引腳電平觸發方式進入BootLoader；
BOOT_SIGNAL_PORT——定義電平觸發啓動方式檢測用的引腳；
BOOT_SIGNAL_LEVEL——定義檢測電平1=高電平觸發，0=低電平觸發；
BOOT_TIME_DELAY——使用超時方式進入BootLoader，這個參數和上麵的BOOT_SIGNAL不能同時?使用；
USE_EXTEND_HEX——是否接收擴展的HEX代碼，不使用可以節省代碼，建議不用；
USEWDT——是否在BootLoader中使用看門狗，建議使用；
CONFIRM_TIME——聯機同步字節數，在超時方式中使用多字節進行同步；
CONFIRM_DATA——用戶可定義的聯機數據；
USE_ECHOBACK——編程時是否迴應，使用可以增加下載時的安全性，建議使用。
使用了BOOT_SIGNAL方式後，與超時方式相關的部分都不再起作用。這時可以定義使用任意引腳來判定是否需要進入BootLoader。在使用BOOT_TIME_DELAY(超時方式)時，增加了一些與之相關的內容，如CONFIRM_DATA，可以使用任何特定的字符串來確認是否需要進入BootLoader狀態，增加了BootLoader程序的安全性，避免受到干擾而誤進入程序升級狀態。
（3） 其他改進的建議和方法
① HI-TECH的BootLoader程序接收的是標準的HEX文件。這在很多時候是不夠安全的，不利於程序的加密，容易被反彙編和破解。可以對HEX進行加密處理，變成不能直接查看的數據。
② 使用超級終端進行程序下載速度比較慢,同時，如果下載中出現錯誤，超級終端程序不能及時發現停止下來，而是一直把文件發送完才能停下來。這時BootLoader程序會反複進入BootLoader狀態，對單片機有一定的損傷。最好是自行編寫一個計算機端的專用下載程序，不但可以提高下載的速度，也可以提高下載的成功率。
③ 使用RS422/485方式。有些時候，使用的並不是RS232串口，而是RS422/RS485串口。它們實際是類似的，只是在接口方式上有些區別。RS422/RS485需要控制發送，所以在BootLoader程序中增加一個發送控制就可以了。
④ 在BootLoader中，將波特率設置得很高並沒有太大的用處，它並不能夠提高下載整體的速度，而只能加快數據傳輸的速度。因爲整個下載分爲數據通信（數據傳輸）和Flash寫入/擦除（數據等待）兩個部分。程序代碼Flash空間的擦除和寫入速度是比較慢的（典型值是3～?4 ms），太快了反而容易丟失數據，造成下載失敗。使用9600 bps的波特率時，傳輸1字節的數據大約是1 ms，接收一個緩衝區8字節大約需要8 ms，大於寫入延時，所以不需要延時；當通信速率超過9600 bps時，接收8字節緩衝區的時間可能會小於寫入時間，需要在通信中延時。實際使用的測試結果是：使用9600 bps比使用14 400 bps時慢50%，使用57 600 bps比9600 bps快一倍，而使用115 200 bps時與57 600 bps幾乎沒有任何區別。如果使用超級終端下載，就更沒有必要設置高波特率了。因爲在使用最常用的三線方式通信時（沒有控制信號），超級終端採用了比較保守的方式發送數據，本身就比較慢。
結語
一個良好的BootLoader程序應該具有良好的可維護性並可以正確處理異常情況，不會因爲意外情況引起系統的損壞和崩潰。
可以在http://shaoziyang.logchina.com/blog/article_156363.936124.html處下載改進後的BootLoader程序（這個程序已經在實際工程中使用了較長時間，很穩定），以及一個替換超級終端的PIC18專用下載程序(這個程序的下載速度比超級終端快很多，可以自行定義波特率和聯機的字符串，具有BootLoader區代碼保護功能和下載錯誤檢測功能)。
（編者注：本文爲期刊縮寫版，全文請見本刊網站www.dpj.com.cn。）
參考文獻
1 Microchip.PIC18F1220/1320/2320/6620/6621數據手冊
2 Microchip應用說明AN851：A Flash Bootloader for PIC16 and PIC18 Devices
3 HI-TECH的PICC18（ver8.35pl2）軟件的BootLoader程序代碼和程序說明