基于C8051F023的軟件注入技術(shù)(1)

　　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(zhuān)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(guò)高效率設(shè)計(jì)的各類(lèi)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(pán)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存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，可在需要時(shí)通過(guò)外部注入設(shè)備的注入技術(shù)。它十分有利于機(jī)電一體化產(chǎn)品等需要嚴(yán)密封裝的嵌入式系統(tǒng)的軟件升級(jí)和完善。

　　1 軟件注入的可行性分析

　　在各類(lèi)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

　　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(xiě)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(wàn)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(kāi)發(fā)應(yīng)用程序和環(huán)境即可進(jìn)行對(duì)自身的開(kāi)發(fā)。而嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開(kāi)發(fā)能力，因此必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)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(kāi)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?zhuān)罢卟捎猛ㄓ糜?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?zhuān)部芍苯訉?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(wèn)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(zhuān)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(guò)偽指令來(lái)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。