8051單片機(jī)在線升級(jí)軟件的方法

本文通過對(duì)8051單片機(jī)的特點(diǎn)分析，提出了一種低成本的方法，使其軟件可以利用系統(tǒng)已有的通信鏈路在線升級(jí)。

1 基本原理

類似于其他引導(dǎo)裝載升級(jí)程序的方法，在系統(tǒng)中必須始終存在一段用于程序裝載的代碼（bootloader），該代碼在啟動(dòng)時(shí)被運(yùn)行。其基本功能是根據(jù)外部條件來判斷是運(yùn)行現(xiàn)有版本的程序還是從主機(jī)下載新程序。8051具有選擇執(zhí)行片內(nèi)或者片外程序的功能，而對(duì)片內(nèi)E2PROM編程過程相對(duì)比較復(fù)雜，因此這里將程序引導(dǎo)裝載代碼燒結(jié)在內(nèi)部程序空間中，并不準(zhǔn)備改變；而將系統(tǒng)應(yīng)用程序存放在片外一編程相對(duì)簡(jiǎn)單和獨(dú)立的E2PROM內(nèi)，是隨時(shí)可以更新的部分。通過外圍電路的支持，單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)首先執(zhí)行片內(nèi)的裝載程序，如圖1所示。該裝載代碼將應(yīng)用程序從E2PROM拷貝到外部存儲(chǔ)器（RAM）中以備執(zhí)行，同時(shí)還通過通信接口監(jiān)系統(tǒng)程序裝載執(zhí)行過程聽主機(jī)命令。當(dāng)收到主機(jī)更新程序的請(qǐng)求后，立即接收新的應(yīng)用程序內(nèi)容，并在最終確認(rèn)后寫入擴(kuò)展E2PROM內(nèi)。當(dāng)片內(nèi)程序執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)軟件復(fù)位并執(zhí)行片外RAM中的程序，而RAM的內(nèi)容正是由裝載所決定的。如果CPU再次復(fù)位，那么將重復(fù)上述裝載執(zhí)行過程。

值得注意的是，在對(duì)外部程序存儲(chǔ)器訪問時(shí)，8051單片機(jī)只提供讀指令（MOVC）而并不具備寫指令。但是從單片機(jī)對(duì)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的訪問時(shí)序上看具有一致性，不同的是讀代碼使用PSEN信號(hào)而讀數(shù)據(jù)使用RD信號(hào)。同時(shí)，單片機(jī)的PSENpRD和WR信號(hào)不會(huì)同時(shí)有效，因此將PSEN和RD邏輯合并后，可以使程序和數(shù)據(jù)合二為一讀寫成為可能。這樣同一個(gè)地址單元RD、WR（MOVX）和PSEN（MOVC）均可以進(jìn)行訪問。單片機(jī)可以使用MOVX寫指令來更改相當(dāng)于其外部程序空間中的內(nèi)容。特別要注意的是，當(dāng)程序和數(shù)據(jù)共存于一片RAM中時(shí)，必須使用編譯器提供的相關(guān)連接命令使數(shù)據(jù)區(qū)偏離代碼可能占用的區(qū)域，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)混亂。

2 硬件電路

硬件參考電路如圖2所示。系統(tǒng)加電后，由于C3兩端電壓不能瞬變，使D觸發(fā)器置1端保持一短暫低電平，強(qiáng)制將單片機(jī)EA信號(hào)置高。在U4看門狗上電復(fù)位信號(hào)撤銷后，單片機(jī)開始從內(nèi)部程序空間0地址起執(zhí)行。內(nèi)部裝載程序先通過P1.4、P1.5模擬I2C總線時(shí)序從E2PROMU3中將應(yīng)用程序代碼拷貝到片外RAM從0地址起的空間中。如果到代碼拷貝結(jié)束串行口一直沒有收到預(yù)定的程序下載命令，則通過軟件置低P1.6口觸發(fā)看門狗芯片對(duì)單片機(jī)復(fù)位，在復(fù)位脈沖的上升沿，D觸發(fā)器鎖存其輸出的信號(hào)使EA電平翻轉(zhuǎn)為低電平。待復(fù)位信號(hào)撤銷后，單片機(jī)開始執(zhí)行位于外部程序空間的系統(tǒng)應(yīng)用程序代碼。在執(zhí)行外部程序時(shí)，如果看門狗再次復(fù)位，EA將會(huì)恢復(fù)高電平并重新執(zhí)行內(nèi)部裝載程序。

圖2 引導(dǎo)裝載電路

當(dāng)上位機(jī)欲更改終端設(shè)備程序時(shí)，可通過串口向其發(fā)送特定的握手字符串，無論片外程序還是片內(nèi)程序最好都能識(shí)別該字符串并且復(fù)位單片機(jī)（如果是正在運(yùn)行外部程序）執(zhí)行內(nèi)部裝載程序。裝載程序就緒后向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)回應(yīng)，并接收來自上位機(jī)的程序代碼。單片機(jī)通過置低P1.3允許E2PROM寫操作，將新的內(nèi)容寫入E2PROM中，完成程序的更新。