MSP430串行寫入BOOTSTRAP與加密熔斷功能

　　摘要：BOOTSTRAP用于在MSP430設(shè)計開發(fā)及系統(tǒng)更新時對Flash存儲器的編程。它可以用經(jīng)串口協(xié)議的命令來激活，使得用戶可以通過PC控制MSP430，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。燒斷Flash的熔絲是用來保護(hù)用戶在Flash中的程序代碼。本文主要介紹我們制作的BOOTSTRAP這一開發(fā)工具的功能、軟硬件結(jié)構(gòu)以及熔斷工具的制作方法。

    關(guān)鍵詞：MSP430 BOOTSTRAP 熔斷

引 言

　　對于MSP430單片機(jī)的開發(fā)調(diào)試有多種技術(shù)方案，例如EPROM方式、OTP方式、仿真開發(fā)系統(tǒng)方式、JTAG和BOOTSTRAP方式。BOOTSTRAP（又名BootStrap Loader，簡稱BSL）可與另一種Flash仿真工具JTAG控制器配合使用。對于Flash型的MSP430單片機(jī)初期開發(fā)進(jìn)行的仿真，只需要1臺PC機(jī)和1個FET(Flash Emulator Tool)的JTAG控制器即可實現(xiàn)。進(jìn)入產(chǎn)品級開發(fā)階段，為了保護(hù)用戶代碼，燒斷Flash的保護(hù)熔絲以后就無法再通過JTAG口訪問單片機(jī)，這時用戶對Flash中的程序再進(jìn)行檢查或更新就只能通過BOOTSTRAP進(jìn)行。不用擔(dān)心用戶代碼會泄露，BOOTSTRAP提供了32字節(jié)256位的密碼保護(hù)，能完全確保代碼的安全性。

　　BOOTSTRAP的硬件制作并不費力，只要與調(diào)試環(huán)境軟件配合（TI網(wǎng)站提供免費下載限制功能的軟件，不過用戶可以輕松地制作完全功能軟件），就能很方便地構(gòu)建自己的開發(fā)環(huán)境。對于熔斷的方法，從以前TI公布的資料看，只要在功能引腳上施加一個6.5V左右的電壓數(shù)ms就可以了。當(dāng)然，各類芯片熔斷的方法也有一些差異。但是，除了11x系列的單片機(jī)有人用這種方法試驗成功外，對其余系列的單片機(jī)無法實現(xiàn)，甚至有毀壞芯片的可能。現(xiàn)在，隨著為TI公司的各類FET仿真器及BOOTSTRAP開發(fā)工具的相繼推出，在一篇TI資料中，給出了MSP430熔斷的方案和指令結(jié)構(gòu)，這樣，我們用DIY的完全功能開發(fā)調(diào)試系統(tǒng)就可以構(gòu)建成功了。

1 BOOTSTRAP的功能與啟動

　　通過BOOTSTRAP可以訪問單片機(jī)的全部存儲器，包括程序Flash、ROM、RAM，并可對其進(jìn)行擦除、讀寫。它能用于批量下載程序，監(jiān)測程序使用情況和各個變量與寄存器的使用情況，并可對其進(jìn)行修改。因此，使用BOOTSTRAP能夠方便地進(jìn)行軟件升級。

　　用戶燒斷Flash熔絲的目的在于保護(hù)程序代碼，通過BOOTSTRAP讀取MSP430，需要32字節(jié)即256位的密碼口令；但是，BOOTSTRAP又表現(xiàn)了其極大的靈活性，其功能分為需要密碼保護(hù)的功能與不需要密碼保護(hù)的功能。其中，受密碼保護(hù)的操作有從MSP430的存儲器中讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、Flash段擦除和讀取程序計數(shù)器；不受密碼保護(hù)的操作就是接收密碼口令與Flash全擦除，擦除之后32個字節(jié)的密碼口令全為0xFFH。這樣使得用戶的程序代碼受到完全的保護(hù)，而且芯片也能保持應(yīng)用的靈活性。

　　對于MSP430系列Flash型單片機(jī)，依靠RST/NMI引腳與TCK引腳（有的型號如MSP430F11x1使用TEST引腳）和一定的時序就進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)位過程，即使用地址0FFFEH處的RESET向量，然后進(jìn)入正常的程序入口。改變RST/NMI引腳與TCK引腳的時序配合，就可以啟動BOOTSTRAP，即地址0C00H處的BSL RESET向量用做程序入口，單片機(jī)執(zhí)行BOOT ROM里的程序。MSP430F13x/14x的正常復(fù)位時序如圖1所示，BSL復(fù)位時序如圖2所示。

　　如果發(fā)生以下情況，則不能啟動BSL：

　　◇ 在RST/NMI引腳保持為低時，TCK引腳上出現(xiàn)的上升沿少于2個；

　　◇ 當(dāng)RST/NMI引腳電平從低跳變到高時，TCK引腳還是保持為高；

　　◇ JTAG接口已控制了MSP430的資源；

　　◇ 因Vcc下降引起POR（復(fù)位）。

　　退出BOOTSTRAP時，要釋放單片機(jī)的程序計數(shù)器PC，有兩種情況：一種是在BSL中使用加載PC命令，從指定的程序地址繼續(xù)執(zhí)行；另一種是用標(biāo)準(zhǔn)的RESET序列強(qiáng)制使MSP430用0FFFEH的向量地址開始執(zhí)行程序。

2 BOOTSTRAP的軟硬件結(jié)構(gòu)

2.1 BOOTSTRAP的硬件結(jié)構(gòu)

　　BOOTSTRAP硬件完成PC機(jī)和MSP430單片機(jī)通信的接口功能，主要由電源供電、信號接口和電平轉(zhuǎn)換幾個部分構(gòu)成。

　　MSP430采用的是3.3 V電源，BOOTSTRAP可以采用外部給單片機(jī)供電再將電引到BOOTSTRAP板上，或直接利用PC機(jī)串口的電壓再轉(zhuǎn)換成3.3 V的方案。利用PC機(jī)串口電壓的方案由于不需要外部供電，適用于批量下載、修改程序，使用方便。PC機(jī)通過串口和MSP430通信，串口用的是232電平，MSP430單片機(jī)用的是3.3 V的供電系統(tǒng)，因此存在一個電壓轉(zhuǎn)換的問題。對于電壓轉(zhuǎn)換，TI公司提供兩個系列的電壓調(diào)整芯片TPS770xx和TPS760xx系列。這兩款芯片都能滿足輸入從 -0.3~13.5 V，穩(wěn)定輸出50 mA 電流1.2~5 V的要求。

　　BOOTSTRAP使用的信號線與串口信號線的對應(yīng)情況如表1所列。信號線與MSP430系列引腳的對應(yīng)情況如表2所列。

表1

表2

2.2 BOOTSTRAP的軟件結(jié)構(gòu)

　　對于PC機(jī)來講，主要就是解決通過串口與MSP430通信和可視化界面的問題，可以使用VC、VB、Delphi等各種軟件開發(fā)工具，界面如圖3所示。

　　對于MSP430來講，與PC機(jī)進(jìn)行串口通信，接收、發(fā)送數(shù)據(jù)與擦寫Flash的程序是已經(jīng)固化在BOOT ROM里的，所以必須根據(jù)MSP430的設(shè)置來編寫上位機(jī)程序。啟動BSL后，MSP430會首先關(guān)閉看門狗、關(guān)中斷、定義基礎(chǔ)時鐘模塊，由DCO（Digitally-Controlled Oscillator）產(chǎn)生系統(tǒng)主時鐘脈沖MCLK和輔助時鐘脈沖SMCLK，使最小時鐘頻率為1.5 MHz。用TIMER_A做軟串口實現(xiàn)與PC機(jī)通信，建立軟件異步通信協(xié)議，連續(xù)模式，時鐘源為MCLK，DIV＝1，CCR0用于比較，CCTL0用于查詢CCIFG0標(biāo)志。P1.1為TX發(fā)送端（設(shè)置為輸出高），P2.2為RX接收端（設(shè)置為輸入）。BSL初始化系統(tǒng)后，處于就緒狀態(tài)，等待PC機(jī)的同步序列和第一個命令。BOOTSTRAP的串口設(shè)置如表3所列。

表3

　　PC機(jī)設(shè)置好串口之后就可以發(fā)一個字節(jié)的同步信號給MSP430，MSP430正確接收后會返回一個ACK應(yīng)答信號，PC機(jī)判斷這個應(yīng)答信號正確后就可以按照設(shè)定的幀格式發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，MSP430每收到一幀，也會發(fā)一個應(yīng)答信號以供PC機(jī)確認(rèn)。其幀格式如圖4所示。

　　BSL的程序代碼在BOOT ROM中（0C00H…0FEFH），0FF0H…0FFFH保存有芯片的標(biāo)識，其中BOOTSTRAP的版本信息就存儲在地址為0FFAH的地方。BSL的初期版本（1.10及其以下）需要一些補(bǔ)丁來寫Flash（參見TI有關(guān)資料Bug Ids：BSL2、BSL3和BSL4），其補(bǔ)丁也是MSP430的程序代碼。先將其寫到RAM中，使用LOAD PC的命令，將目標(biāo)程序的起始地址裝入程序計數(shù)器中，就可以執(zhí)行補(bǔ)丁程序了。然后，在程序最后加一句跳轉(zhuǎn)到0x0c00的語句就可以返回BOOTSTRAP了。通過這種方法，用戶也可以自己對BOOTSRTAP做一些改動，以滿足用戶實際應(yīng)用中的需要。

3 熔斷操作

　　MSP430Fxx的芯片中設(shè)置有保護(hù)熔絲。熔斷需要在TDI引腳上加上一個6.5 V