引言

　　“在應用可再編程”（In-Application reProgrammable，簡稱IAP）通常稱為“在線編程”，已經不是陌生的概念了。要實現嵌入式微控制器/處理器系統的IAP功能，就意味著可以用主機（PC機或服務器）通過通信通道把固件（程序代碼）下載到應用系統的存儲器中去。具有了IAP功能的電子產品有諸多益處：縮短開發進程，搶先占領市場；在裝配線上即可編程和測試；現場甚至是遠程升級程序代碼，降低維護/升級成本。IAP技術對于通信、電力領域非常重要，如IC卡電話、分時計費電表等產品，通過遠程更新代碼能大大降低后期服務費用。

　　目前最常用的微控制器仍是MCS-51系列，其有限的存儲空間、運行時不能更改程序代碼、程序/數據空間必須分開等條件限制了IAP功能的實現，其中要解決的關鍵問題有以下幾個方面：

　?。?） 存儲器可在線再編程。
　?。?） 增加第二個存儲器陣列，用于IAP期間MCU的運行。
　?。?） 實現對程序存儲器的寫入。
　?。?） 地址譯碼自動生成。

　　Waferscale（WSI）公司推出的Easy FlashTM系列可編程外圍芯片產品PSD8XX是針對實現IAP問題而設計的，片內提供了IAP所必需的兩塊獨立的存儲器陣列和自動地址譯碼電路，與 80C51構成兩芯片的IAP完整解決方案。我們用到的PSD813F1芯片內部有：1MB Flash主存儲器、第二塊256KB EEPROM存儲器、16KB SRAM、復雜的可編程邏輯陣列CPLD，擴展I/O口及JTAG接口等功能模塊。

一、 方案說明

　　在介紹方案之前，首先介紹將用到的PSD的兩個內部寄存器：頁寄存器（page）和VM寄存器。在PSD內部有一組控制寄存器用來對PSD進行設置，如I/O口方式、JTAG配置等。它們的地址是基址CSIOP加偏移地址。CSIOP地址可以在Able語言（見附錄）中設定。頁寄存器的偏移地址是E0H，VM寄存器的是E2H。當CSIOP被定義為0900H時，它們的訪問地址就是（0900+E0）H和（0900+E2）H。8位的頁寄存器可使MCU的尋址空間擴大256倍，它的內容可以由MCU來讀出和寫入。頁寄存器直接參與PSD內部存儲器的地址選擇。在作為頁尋址時寫入要訪問的頁地址， PSD內部地址譯碼邏輯就立刻選中目標存儲器空間。頁寄存器是可以按位使用的，在不用來作頁面選擇時，還可以作一般邏輯使用，如本方案中用到的swap、 enabledatahalf就是用頁尋址未用到的位來實現的。VM寄存器用來分開程序空間（PSEN信號使能）和數據空間（RD信號使能）， PSD813F1中Flash和EEPROM、SRAM可設置在不同空間。VM寄存器內容定義如表1所列。

　　如果VM=12H，則設置Flash和SRAM位于數據空間，EEPROM位于程序空間。

　　使用頁寄存器實現分頁存儲時，應該設置一個公共存儲器區，即程序在任何位置執行時都能夠訪問到的空間（或者說是頁不相關的地址空間）。本方案中公共存儲器區占去了每一頁的低一半的存儲空間（如圖1~圖4所示），用于放置初始化程序、中斷服務程序、頁切換程序以及物理設備驅動程序等重要子程序。同樣，重要數據也應當在任何頁都可以訪問，如PSD控制寄存器、I/O、用于保存堆棧和全局變量的系統RAM等。

表1 VM寄存器

圖1 上電時（啟動/引導狀態）系統存儲器映射（VM=12H）

圖2 寫06H到VM，將Flash“移”到程序空間后系統存儲器映射

圖3 “swap”位寫1，“切換”Flash和EEPROM后系統存儲器映射

　　本方案充分利用了PSD813F1中存儲器的獨特功能，突破了80C51MCU的最大64KB訪問空間的限制，PSD內部所有Flash存儲器可以由80C51使用。 IAP實現的基本原理是：系統從PSD的EEPROM啟動，執行引導/下載程序，如果需要的話從PC機或其他主機中通過UART下載固件（程序）到PSD 的Flash存儲器。然后，程序從EEPROM轉跳到Flash，再通過PSD中的一個特殊寄存器VM將原引導區（地址0000H）的EEPROM用 Flash替代，實現了通過UART對PSD中Flash存儲器的在線編程。

二、 系統存儲器映射

　　系統啟動過程中存儲器的映射變換如圖1～圖4所示，其中FSx、EESx是PSD813F1內部存儲器塊。FSx對應8個Flash塊，每塊16KB；EESx對應4個EEPROM塊，每塊8KB。

圖4 寫0CH到VM，將EEPROM“移”到數據空間后系統存儲器映射

　　MCU的運行有兩個基本模式：一個是引導/下載模式；另一個是正常運行模式。圖1~圖4顯示了上電啟動后從引導/下載模式到正常運行模式轉換過程中系統存儲器的變化。

　　圖1顯示了上電時系統存儲器的映射情況。系統從EEPROM開始，檢查是否要通過80C51的UART對Flash中的程序進行升級。此時， PSD中全部Flash存儲器都處于80C51的數據空間，而EEPROM則處于80C51的程序空間。這是在WSI的PSDSOFT開發系統第二個步驟的“PSD Configuration”中設置的。在“Set VM Register Configuration at Power Up”框內，設置Flash為“Data Space”,EEPROM為“Program Space”。此時，VM寄存器在上電時自動被設置為12H。PSD813F1允許在程序執行中改變VM寄存器的內容，這對于實現IAP也是非常重要的。

　　在完成對Flash中程序升級或不需要升級時，寫VM寄存器為06H，將Flash從80C51的數據空間“移”到程序空間（此時系統仍在EEPROM中運行）。圖2顯示了Flash被移到程序空間后的情況，這是在VM寄存器被寫后立刻產生的。

　　下一步，80C51運行程序從PSD EEPROM中“跳”到Flash。在程序寫1到“swap”位（上電時“swap”的值是0）進行地址“切換”，程序就進入Flash中運行了。注意：如果在EEPROM中運行時對“swap”寫1，結果會立刻發生（就好像抽掉了你正坐的椅子一樣）。所以，在此之前最好將程序轉跳到“切換”影響不到的段（即公共訪問區，如FS1）。現在，供MCU上電時引導（地址0000H）的EEPROM被Flash替代，如圖3所示。

　　最后一步，程序已經在PSD的Flash中運行，寫0CH到VM寄存器，把EEPROM從80C51的程序空間“移”到數據空間。并且，MCU 跳轉到在PSD的FLSAH FS0塊中的復位入口0000H，用戶的程序開始真正執行。此時，系統存儲器映射如圖4所示（正常工作模式）。所有PSD的128KB Flash都在程序空間，其中32KB是公共訪問區，96KB采用分頁訪問。同時，EEPROM全部位于數據空間，且可在任何頁進行訪問。請注意： EES2和EES3（地址是C000H至FFFFH）可以被用戶當作一般數據存儲器使用，而EES0和EES1則保留為系統引導代碼區（地址是8000H 至BFFFH）。

　　這一方案還可以實現對PSD中EEPROM的引導程序進行升級，此時程序在PSD的Flash中運行。這對于使用EPROM作為引導的IAP系統是不可能實現的。

　　為了避免處于程序空間EES0、EES1中的引導代碼被意外更改，還可以通過未用到的頁寄存器位實現另外一個功能，對引導代碼進行保護。定義 “enabledatahalf”位，將它寫為1，一方面保護ESS0、ESS1，另一方面把EES2、EES3作為一般數據存儲器使用。如果要升級引導代碼，則須先將“enabledatahalf”置為0，下載新的引導代碼到EES0、EES1，然后再將“enabledatahalf”置為1。必須保護好引導代碼，因為引導程序一旦被破壞，系統就徹底崩潰；如果僅僅是用戶程序被破壞，還可以通過UART重新下載。

三、 軟件設計

　　通過上面的介紹可知，實現IAP的軟件要包括系統啟動和用戶系統的載入兩個部分。其中的關鍵是程序在Flash與EEPROM之間的切換。

　　系統啟動的引導程序是放在EEPROM中的；用戶程序則放到Flash中。如果用戶僅希望實現對Flash中的用戶程序的IAP功能，而不要對 EEPROM中引導程序的升級，那么用戶程序可以像一般80C51程序一樣，不用作任何修改，直接放入Flash。如果用戶還要對引導程序進行升級，還要在用戶程序模塊中嵌入一個啟動模塊（詳見第四節）。

　　引導程序（boot）和用戶程序啟動模塊（startup）的流程圖如圖5和圖6所示。

圖5 EEPROM引導程序（boot）

圖6 Flash引導程序（startup）

　　與之配合使用的PC機程序是RS-232接口通信程序，可參考相關例程，或直接使用Windows中的“超級終端”工具。

四、 系統實現

　　第一步，設計用戶程序。

　　如果不需要對引導程序升級則不作修改，直接將程序代碼下載到Flash中；反之，則要在用戶程序模塊中加入一個啟動（startup）模塊。方法是用L51（Franklin公司產品）將用戶模塊和startup模塊鏈接在一起。方法如下：

　　L51 用戶OBJ文件>, startup.obj

　　第二步，使用PSDsoft開發系統進行設計。

　　在PSDsoft開發系統中建立一個新項目，將PSD器件選定為PSD813F1。在流程圖設計“degin entry”中增加新Abel模塊，進行硬件描述設計，除用戶的自定義功能外還應包括IAP部分（參見附錄）。并且，在“device config”中設置MCU總線方式、JTAG、用戶碼等選項。特別注意的是在MCU總線中，設控制信號為“WR，RD，PSEN”，Flash為數據存儲器，EEPROM為程序存儲器。然后，對以上部分進行編譯和裝配。

　　第三步，把編譯好的模塊和MCU程序模塊合并成一個文件。這里重要的是EEPROM中的引導程序。Flash中的程序可以同時裝入，也可以在應用中通過UART裝入。

　　最后一步，用DK800開發工具的Flash Link電纜或芯片編程工具（PSDpro）對PSD813進行編程。

　　將按上述方法編程好的PSD813芯片裝到用戶電路板（包含RS-232接口通信電路）上，用串行電纜與PC機串口相連，在PC機上運行 PSDload程序或Windows通信附件“超級終端”。加電復位用戶板，IAP系統啟動，與PC機連接成功后，就能通過PC機下載或升級PSD中的用戶程序。如果沒有PC連接或沒有下載要求時，系統會自動進入用戶程序運行。

　　PSD813中主Flash存儲器和第二個存儲器陣列EEPROM在物理上是獨立的，不存在任何邏輯上的區別。也就是說，可以用Flash存放用戶系統，也可以用EEPROM。如果用戶程序很?。‥EPROM的空間就夠用），而用到的數據空間又很大，可以把上述方案中的Flash和EEPROM 交換使用。并且，我們舉出的Flash、EEPROM、SRAM的地址映射也僅是PSD813F1的多種地址映射方案中的一個，使用頁寄存器可以靈活設計用戶自己的地址映射方案。

　　這里用的是UART通信，用戶同樣可以選擇其他通信方式，如IR、RF、CAN、LAN、WAN，甚至是Internet。從一般性考慮，本方案同樣可適用于其他單片機系統中，只要通過簡單修改提供的程序即可使用。另外，本方案中的PSD813F1可以用WSI公司其他PSD8XX產品或最新的 PSD9XX系列產品替換，僅需要在附錄文件中稍加修改。

附錄 Abel硬件描述語言文件

//定義‘swap’位至頁寄存器位pgr7，
//定義‘enabledatahalf’位至頁寄存器位pgr7:
swap node 117; (pgr7)
enable_data_half node 116; (pgr6)
//Flash片選方程如下:
fs0=((address>=^h8000) (address=^hBFFF) (page==3) !swap ) #((address>=^h0000) (address=^h3FFF) (page==X) swap );
fs1=(address>=^h4000) (address=^h7FFF) (page==X);
fs2=(address>=^h8000) (address=^hBFFF) (page==0);
fs3=(address>=^hC000) (address=^hFFFF) (page==0);
fs4=(address>=^h8000) (address=^hBFFF) (page==1);
fs5=(address>=^hC000) (address=^hFFFF) (page==1);
fs6=(address>=^h8000) (address=^hBFFF) (page==2);
fs7=(address>=^hC000) (address=^hFFFF) (page==2);
//EEPROM片選方程如下:
ees0=((address>=^h0000) (address=^h1FFF) (page==X) !swap) #((address>=^h8000) (address=^h9FFF) (page==X) swap !enabledatahalf);
ees1=((address>=^h2000) (address=^h3FFF) (page==X) !swap) #((address>=^hA000) (address=^hBFFF) (page==X) swap !enabledatahalf);
ees2=(address>=^hC000) (address=^hDFFF) (page==X) enabledatahalf;
ees3=(address>=^hE000) (address=^hFFFF) (page==X) enabledatahalf;
//定義SRAM片選 rs0=(address>=^h0100) (address=^08FF) (page==X); //定義PSD控制寄存器CSIOP地址
csiop=(address>=^h0900) (address=^09FF) (page==X);

參考資料

1 PSD8XXF系列數據手冊及應用筆記.武漢力源，1998（8）
2 PSDsoft User Manual. 美國WSI公司，1998