無須重新設(shè)計硬件配置，USB成嵌入式載體的重要部分
通?？山逵勺兏谖⒖刂破魃蠄?zhí)行的軟件擴增新功能,，或為裝置出貨前沒發(fā)現(xiàn)到的問題除錯，例如血糖計,，僅須修改軟件就能使用新型試紙,；某些顧客桌面上無法使用的光學(xué)鼠標(biāo)，修改軟件能重新設(shè)定影像傳感器采集到的數(shù)據(jù)特征,。這類的設(shè)計變更不須重新設(shè)計硬件的配置,，已成為相當(dāng)常見的作法，能在產(chǎn)品還未出廠時,，即迅速對硅組件更新編程,，在顧客方面，直接編程是不切實際的方法,，因為需要特殊的硬件連結(jié)微控制器上的專屬接腳,，若裝置已需USB作為通訊機制，把一個簡單的開機管理應(yīng)用程序加到原始韌體,，就能使用標(biāo)準(zhǔn)計算機下載新版與后續(xù)更新的韌體,，并可由制造商或終端使用者執(zhí)行更新動作,。
幾乎無所不在的通用序列總線(USB)通訊媒介，原用來把鼠標(biāo)或鍵盤連結(jié)至計算機,，后來已擴展至喇叭、攝影機,、打印機及其它各種裝置,，如今像吉他到轎車都已配備USB接口。在這類裝置中,，利用現(xiàn)有的USB聯(lián)機變更在嵌入式控制器上執(zhí)行的軟件,，就能擴增新功能或解決效能故障方面的問題，且研發(fā)業(yè)者不但可充分發(fā)揮本身具備的好處,，并可提供產(chǎn)品重新編程的彈性,。
在嵌入式微控制器中，開機管理程序是一個位于程序內(nèi)存內(nèi)的小程序,。當(dāng)重新啟動或開機時,，開機管理程序會率先執(zhí)行，并讓處理器執(zhí)行使用者的程序或下載新版程序,，在這種組態(tài)下,，直接編程僅須把開機管理程序插入至程序內(nèi)存。開機管理程序可使用不同的通訊技術(shù)采集新程序,，包括USB,、I2C、SPI,、UART,，甚至可建置專屬的通訊協(xié)議以下載新程序，也可使用不同的方法儲存下載的程序,。根據(jù)內(nèi)存的需求,，程序可儲存在微控制器內(nèi)部的閃存，或是各種外部儲存媒體,，由于大多數(shù)開機管理程序僅需少量的程序空間即可建置,，因此通常和使用者的程序裝在同一片閃存中，在并存時,，開機管理程序須負(fù)責(zé)把程序代碼下載到同一片內(nèi)存時,，防止覆蓋本身的程序代碼，在內(nèi)存空間的開機管理程序,，可設(shè)定成不可覆寫,，以避免意外的毀損。
開機管理程序扮演重要角色
圖1 USB開機管理程序的數(shù)據(jù)流程
圖1顯示USB開機管理程序的數(shù)據(jù)流,。在開機重新啟動時,，開機管理程序會計算使用者程序的檢查碼,，并和儲存在內(nèi)存中的檢查碼進行比對。這個檢查碼是現(xiàn)場可編程開機管理程序的檢查碼模塊,，若兩個數(shù)值相符,，開機管理程序就會讓處理器開始執(zhí)行使用者的程序，但若檢查碼不一致,，開機管理程序就會讓主機等候分送新的使用者程序代碼,。在準(zhǔn)備階段，開機管理程序會關(guān)閉任何可能干擾下載流程的岔斷,，在某些系統(tǒng)中,，微控制器可能須處理一些重要作業(yè)，然后再開始下載,，如可能必須啟動散熱風(fēng)扇或讓某些發(fā)光二極管(LED)燈號閃動,，由于應(yīng)用程序的空間是被刪除的目標(biāo)，因此如散熱風(fēng)扇或LED燈號的控制例程等這類關(guān)鍵作業(yè)須寫入開機管理程序,。
為了開始通訊,，開機管理程序會設(shè)定USB接口，然后等待計算機連結(jié)裝置,。計算機透過交握程序了解何種裝置插入連結(jié)端口,，此程序稱為裝置列舉，可確保裝置和正確的主控端軟件進行通訊,，在這個例子中,，主控端是個人計算機(PC)應(yīng)用程序，程序中含須下載的內(nèi)容,，為避免意外下載,，并確保安全，開機管理程序會在交易過程中尋找主控端的金鑰,。
檢查金鑰后,，開機管理程序會對主控端做出響應(yīng)，并要求取得Flash映像,，由于閃存不支持單一地址寫入,，故須使用完整分頁寫入。在找出整個分頁的地址前,，會先把傳入的數(shù)據(jù)儲存在隨機存取內(nèi)存(RAM),，由于處理器在此刻正忙著下載新韌體，因此幾乎所有RAM資源都可使用,，系統(tǒng)必須在較低的溫度把內(nèi)容穩(wěn)定寫入至閃存,，為增加內(nèi)存保存數(shù)據(jù)時間及寫入周期的次數(shù)，了解現(xiàn)場溫度及使用合適的編程算法相當(dāng)重要,。
在快閃編程過程中,，電源的穩(wěn)定度也是一項重要因素,，任何電源噪聲、故障,、斷電,、電位緩升、接觸不良等狀況,，都會造成難以偵測的問題,。若真的發(fā)生電力瞬時問題，開機管理程序就會再次啟動,，并因檢查碼核對失敗而重新開始下載程序，當(dāng)所有Flash分頁都含有檢查碼并成功寫入,，開機管理程序就會檢查閃存并開始重新啟動,，此時當(dāng)系統(tǒng)重新啟動后，開機管理程序會搜尋正確的檢查碼,，并開始執(zhí)行使用者程序代碼,。
圖2 通用型開機管理程序架構(gòu)
當(dāng)檢查碼有效時，所有后續(xù)的開機管理程序作業(yè)都必須從執(zhí)行中的使用者程序代碼呼叫,。透過正確的應(yīng)用程序接口呼叫,，PC程序能直接指揮使用者程序關(guān)閉所有岔斷、重置USB硬件及開始扮演開機管理程序,。另一方面,，裝置設(shè)定完成后，藉由如開關(guān)等某些硬件狀態(tài)變更事件,，便進入開機管理程序的裝置列舉程序,。
內(nèi)存管理可避免
無法使用USB下載數(shù)據(jù)問題
開機管理程序被意外刪除會導(dǎo)致系統(tǒng)無法透過USB下載數(shù)據(jù)。系統(tǒng)化的內(nèi)存配置,，能減少或消弭這種意外的風(fēng)險,，圖2所示為一個可行的配置，可由各種Flash架構(gòu)運用,，圖中由上而下第一組模塊含有重置與USB岔斷向量,，第二組則含有開機管理程序設(shè)定的內(nèi)存區(qū)域，含有用來搜尋開機管理程序檢查碼的啟動指令,，用以下載新映像的程序代碼,，以及用來儲存檢查碼的空間，這組程序代碼可重設(shè)位置,，不同的區(qū)塊可置入專屬的內(nèi)存區(qū)域,，然而，當(dāng)項目設(shè)計準(zhǔn)備開始建置,，除檢查碼外,，這區(qū)域的所有空間都不可升級,。
第三組則是供使用者程序使用，這個部分含有使用者程序代碼,、所有相關(guān)的岔斷向量及呼叫開機管理程序的例程,，這個區(qū)域可重新編程與重新尋址，但在開機管理程序下載程序代碼時無法被存取,。任何指向此區(qū)域的岔斷,，在呼叫任何開機管理程序函式之前都應(yīng)關(guān)閉，若在執(zhí)行時程序內(nèi)容會變更,，則應(yīng)考慮可能發(fā)生的各種問題,。
在個人計算機方面，應(yīng)用程序須和裝置進行通訊,，以及傳送新的使用者程序代碼,。研發(fā)業(yè)者會透過網(wǎng)站或光盤獲得所需軟件，軟件須能要求裝置進入開機狀態(tài),，并提供正確的驗證金鑰,，當(dāng)裝置準(zhǔn)備好時，主控端應(yīng)傳送新的內(nèi)容,，以便寫入至閃存,，并啟動下載程序的使用者程序，且應(yīng)記住開機管理程序的內(nèi)存配置,，這方面須知道使用者程序代碼的開始與結(jié)束位置及檢查碼等數(shù)據(jù),。在正常的運作模式下，開機管理程序會連結(jié)至正確的地址,，找到使用者程序代碼的開端,，使用者程序代碼發(fā)出的任何開機呼叫，都會指向開機管理程序例程的正確地址,。
計算機可使用各種不同的機制,，把內(nèi)容透過USB傳送到開機管理程序，根據(jù)裝置內(nèi)開機管理程序的需求,，可利用控制,、岔斷或批次傳輸以傳送數(shù)據(jù)，裝置內(nèi)的USB描述亦可決定程序須支持的驅(qū)動程序類型,，并可設(shè)定讓程序使用操作系統(tǒng)的人機接口裝置驅(qū)動程序,，或使用特定廠商的驅(qū)動程序。
簡化啟動程序
開機啟動其實是一個常見的程序,，個人計算機使用相同的原理把操作系統(tǒng)從硬盤加載到計算機,，許多參考設(shè)計方案與網(wǎng)絡(luò)上的項目設(shè)計范例，能協(xié)助在嵌入式設(shè)計中建置開機管理程序,，如廠商推出的PSoC Designer工具能用來建立一個USB或I2C開機管理程序,，并能搭配各種可編程系統(tǒng)單芯片或PSoC,。USB開機管理程序的使用者模塊會產(chǎn)生所有必要的開機管理程序代碼，能和使用者程序并存運作,，此工具讓業(yè)者設(shè)計出全速,、符合Chapter 9標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、人機接口裝置或原生USB裝置,，引導(dǎo)精靈會協(xié)助產(chǎn)生精確的USB描述,，并利用岔斷或控制傳輸類型支持開機管理程序的轉(zhuǎn)換。
使用者模塊會根據(jù)設(shè)計時預(yù)測的需求產(chǎn)生開機管理程序代碼(表1),，其會搜尋各種可供選擇的參數(shù),，如使用者程序第一個和最后一個模塊、開機管理程序第一個與最后一個區(qū)塊及檢查碼的地址,，開機管理程序的大小也可自行調(diào)整,，以便插入任何必須和下載程序一起進行的特殊程序代碼，USB交易需要的金鑰也可自行設(shè)定,，而了解未來開機管理程序可能面臨的環(huán)境溫度,，可讓工具能產(chǎn)生適合的編程例程,，最后,，使用者可產(chǎn)生像void BootLdrUSB_EnterBootloader(void)例程，讓使用者程序代碼能從軟件程序啟動開機程序,。
表1 USB開機管理程序搜尋各種可選擇參數(shù)
用戶模塊參數(shù)
參數(shù)值
TW0_Block_Relocatable_Interrupt_Table
4C
ApplicationCode_Start_Block
4E
Last_Application_Block FE
FE
Application_Checksum_Block
FF
Bootloader_Start_Block 2
2
Bootloader_Size
4B
BootloaderKey
0001020304050607
Flash_Program_Temperature_deg_C
-40C
ICE_Debug_FLASH_DISABLE
DISABLE_FLASH_WRITE
BootLdrUSBFS_ver
1000
模塊會產(chǎn)生一個有效的內(nèi)容檢查碼,，內(nèi)容是透過開機管理程序下載而來，另一個工具從編譯器的輸出端提供下載檔案,，這個*.dld檔案含有hex編碼格式的內(nèi)容,，和新的檢查碼一起編排成Flash模塊，且可透過由Visual Basic或C#語言撰寫的個人計算機程序分析讀取,。本文列舉之上述方式,，可把新的使用者程序透過USB接口下載到裝置中，讓最終使用者升級其產(chǎn)品,、除錯或改進功能,，不但不須使用任何特殊硬件進行升級，且毋需成本昂貴的產(chǎn)品召回或更換作業(yè),。
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