BOOTLOADER的原理及设计要点
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆ＤｅｖｉｃｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
Ｖｏｌ．１０Ｎｏ．１Ｊａｎ．２００８
第１０卷第１期
２００８年１月０引言
ＲＴＵ（ＲｅｍｏｔｅＴｅｒｍｉｎａｌＵｎｉｔ）在水情、电力、
石化等行业发挥了非常重要的作用。随着工业自动化水平的不断提高，人们对ＲＴＵ不断提出更高的要求，而为了满足一些最新需求，就必须对
ＲＴＵ的程序进行升级。目前对这类终端设备的程
序维护大多采用开发或工程人员携带专用编程工具到现场进行更新的方式。这样做工作量极大，费资费时费力，对整个系统的统一管理和维护造成很大困难，同时也给系统运行带来较大影响。
利用在应用编程（ＩＡＰ，ＩｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＰｒｏ－
ｇｒａｍ）技术，用户可在数据采集中心对远程ＲＴＵ
进行升级，而且更新时间快，基本不会影响系统运行。此外，当在单片机中烧入这样一个Ｂｏｏｔ
ｌｏａｄｅｒ程序并建立ＩＡＰ后，其最基本的开发环境就
简化成了“ＰＣ＋ＲＳ２３２电缆＋目标板”
。ＩＡＰ的本质是使ＭＣＵ灵活运行一个常驻Ｆｌａｓｈ
的引导加载程序（ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒＰｒｏｇｒａｍ），从而实现对用户应用程序的在线自编程更新。现在，许多单片机都具备ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ功能，虽然各厂家的
ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ可能不尽相同，但基本原理一样，本
文将以ＭＥＧＡ１２８单片机为例来简要介绍Ｂｏｏｔ
Ｌｏａｄｅｒ的原理、设计方法及其设计注意事项。
１ＢｏｏｔＬｏａｄ的原理
ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ实际上就是驻留在Ｆｌａｓｈ中的一段
代码，它可为ＭＣＵ下载和上传程序代码提供一个
真正的同时读－写（Ｒｅａｄ－Ｗｈｉｌｅ－Ｗｒｉｔｅ，ＲＷＷ）
自编程机制。这一特点使得系统可以在ＭＣＵ的控制下，通过驻留于程序Ｆｌａｓｈ的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ，来灵活地进行应用软件升级。
２ＭＥＧＡ１２８的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ设计
目前，很多单片机都有ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ功能，有
些是出厂前就写好了的，单片机从上电或复位开始便运行这段程序代码，以判断当前是否需要进入升级状态。如果不需要升级，就直接运行Ｆｌａｓｈ中的原有程序；如果需要升级，则通过某种通信方式接收新的程序文件，并将原有程序用新文件覆盖。而有些单片机本身并不提供ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ功能，但提供ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ区，以便用户根据需求编写自己的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序，从而实现更为灵活的
ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ功能。ＡＴＭＥＬ公司推出的ＭＥＧＡ１２８则
将这种灵活性发挥的淋漓尽致。
２．１ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ区大小的选择
ＭＥＧＡ１２８的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ区大小可以由ＢＯＯＴ－
ＳＺ熔丝位来配置，这给用户带来了很大的选择灵
活性。在出厂默认配置下，ＢＯＯＴＳＺ＝００，也即
ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ区为从￥Ｆ０００开始的４Ｋ字。用户可以
通过改写ＢＯＯＴＳＺ来更改其大小。如果ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ区程序非常小，用户甚至可以将ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ区设定为５１２字以扩大应用程序的空间。笔者认为，如果应用程序不是非常大，最好能保留其４Ｋ字的配置，这一方面可减少一步改写熔丝位的工作量，另一方面也预留了ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的扩展能力。
编译ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序必须根据ＢＯＯＴＳＺ熔丝
收稿日期：２００７－０６－２２
ＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲ的原理及设计要点
曹翊军，薛升宁，郭保龙
（南京自动化研究院，江苏
南京
２１０００３）
摘
要：介绍了通用引导装载程序的原理。以美国ＡＴＭＥＬ公司的ＭＥＧＡ１２８单片机为例，给
出了在ＡＶＲ系列单片机中通过编写ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ来实现程序的本地及远程下载的方法及要点。关键词：ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ；ＭＥＧＡ１２８；ＲＴＵ；ＩＡＰ；ＣＶＡＶＲ；远程下载
Ｖｏｌ．１０Ｎｏ．１Ｊａｎ．２００８
第１０卷第１期
２００８年１月
位的设置来将Ｐｒｏｊｅｃｔ－Ｃｏｎｆｉｇｕｒｅ－ＣＣｏｍｐｉｌｅｒ选项中的程序类型（ＰｒｏｇｒａｍＴｙｐｅ）更改为ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ－
ｘｘｘｘｗ，其中，ｘｘｘｘ为ＢＯＯＴＳＺ设定的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ
区的大小。
２．２ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序进入方式的选择
ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的本质就是驻留在ＦＬＡＳＨ中的一
段程序。要进入ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序，程序指针ＰＣ必须指向该程序的起始位置。用户可以通过在应用程序接收到特殊指令后，通过ＪＭＰ语句直接跳转到ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序的开始位置去执行更新流程。此外，ＭＥＧＡ１２８还可通过更改ＢＯＯＴＲＳＴ熔丝位来将复位向量直接指向ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序，这样，每次ＭＥＧＡ１２８复位时，都将直接运行ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ流程。但用户在ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ中必须判断是否需要更新应用程序，如果不需要，经过超时时间后则退出ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ，接着进入应用程序。
后一种方式的优点是应用程序与ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ完全隔离，没有相关性，不会出现应用程序与
ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序不匹配的情况，也不会出现应用
程序出现故障而无法进入ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的情况。但这种方式不太可取的原因是现场环境一般比较恶劣，如果遇到强干扰或程序跑飞，就很可能导致程序复位，这样，程序就会进入ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ流程，而在超时退出的这段时间内极有可能丢掉重要的数据，而且这个时间还不能太短，因为太短有可能导致正常的更新操作无法完成。因此，笔者更倾向于采用第一种方式。
２．３数据接口方式及协议的选择
ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序可以使用任何器件所具有的
数据接口来获取数据，包括串口、并口、Ｉ２Ｃ、
ＳＰＩ、ＵＳＢ等；但从实际使用来看，使用串口无疑
是最方便的。这一方面是几乎所有的单片机都集成了ＵＡＲＴ接口，要进行ＲＳ２３２通信只需要增加一个ＲＳ２３２／ＴＴＬ电平转换芯片就可以了；另一方面，大多数通信终端都具有ＲＳ２３２接口，这也为远程更新提供了有利条件。因此，利用串口进行更新也成为目前应用最多的方案。
ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序可使用任何协议来传输数据。
目前，比较常见的是采用标准ＸＭＯＤＥＭ协议来进行数据的传输，采用这种方式的优点是比较简
单、不需要另外编写专门的上位机程序，只需要使用ＰＣ机自带的超级终端软件并使用ＸＭＯＤＥＭ传输文件即可。但这种方式的软件界面不够人性化，缺乏交互性，没有进程指示，下载过程中出现错误也不能停止下来，而且，在使用最常用的三线方式通信时（没有控制信号），超级终端采用的是比较保守的方式发送数据，发送一包数据后会等待较长时间再发下一包数据，这样会使更新程序的速度比较慢。尤其是在远程更新程序时，速度较慢对远程更新的可靠性是致命的打击。因此，笔者抛弃了采用超级终端进行升级的方式，而是将ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ命令嵌入到自己的本地和远程通信协议中，然后利用专门编写的上位机软件来进行数据的传输。
３ＭＥＧＡ１２８的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ具体实现
完成了以上各项选择工作，接下来就可以开
始进行实际的ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序设计了。
由于本设计选择从应用程序跳转的方式进入
ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ，因此，该ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的设计应包括
应用程序和ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ区的设计两部分。
３．１应用程序的设计
应用程序的设计相对比较简单，只需在应用
程序中嵌入一条特殊的指令识别语句，这样，当接收到这一特殊指令后，系统将执行以下语句以跳转到ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ：
＃ａｓｍ（＂ｊｍｐ０ｘｆ０００＂）；
其中，０ｘｆ０００为ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的首地址。
３．２ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ区的设计
ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ区的程序一般可分为两个部分，
一部分是与硬件单片机相关的ＦＬＡＳＨ擦写功能模块函数，一般用汇编语言编写，这也是整个Ｂｏｏｔ
Ｌｏａｄｅｒ的核心模块；另一部分为应用程序模块，
一般用Ｃ语言编写，以增强程序的可读性。
ＭＥＧＡ１２８中的Ｆｌａｓｈ被分成两个固定的区：
同时读写区（ＲＷＷ）和非同时读写区（ＮＲＷＷ）。
ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ软件工作时，用户软件不能读取位于ＲＷＷ区内的任何代码。如果用户软件在编程过
程中试图读取位于ＲＷＷ区的代码，软件可能会终止于一个未知状态。为了避免这种情况的发
设计参考
生，首先需要禁止中断或将其转移到ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ区。本文采用禁止中断的方案。
程序存储器的更新以页的方式进行。在用临时页缓冲区存储的数据对一页存储器进行编程时，首先要将这一页擦除。通过ＳＰＭ指令以一次一个字的方式将数据写入临时页缓冲区。临时页缓冲区的写入可以在页擦除命令之前完成，也可以在页擦除和页写操作之间完成。由于在页擦除之前写临时页缓冲区可以把要擦除的内容先读出，因而可以在原有内容下改写某几个字节，因此，在这里采用这种方式。
最后，程序必须能自动执行应用程序，这可以通过执行以下语句来实现：
＃ａｓｍ（“ｊｍｐ０ｘ００００”）；
另外，在退出之前，还需完成几个初始化工作。首先，由于某些编译器会自动将中断向量转移到ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ区，因此，必须在以上语句前将中断向量重新搬移到应用程序区的头部，这可通过以下两条语句来完成：
ＭＣＵＣＲ＝０ｘ０１；
ＭＣＵＣＲ＝０ｘ００；
而在改写０Ｘ８０００以上地址的内容时，应将ＲＡＭＰＺ的内容改写为１，且在跳转到应用程序前还必须将其清零。ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ区程序的整个流程如图１所示。
４ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的设计要点
ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ本身是个锦上添花的设计，因而必须避免其成为鸡肋。ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序应该具有很好的可维护性和可靠性，并应能正确处理异常情况，而不会因为意外情况而引起系统的损坏或崩溃。其可靠性可以从以下三方面去考虑：（１）避免应用程序错误进入ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序
ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ是进行程序更新的流程．它有可能改写应用程序，所以一定要尽量避免错误进入ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ流程，这也是笔者不建议使用复位进入ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ流程的原因。
（２）合理选择进入ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序的时间点
ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ包括程序文件的接收和ＦＬＡＳＨ的改写两个部分。目前，很多ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ的设计都采用边接收文件边改写ＦＬＡＳＨ的方法，这种方式在本地更新的时候危害不大，一般来说本地数据传输的可靠性比较高。然而，如果是采用远程更新的方式，远程传输的可靠性会大大降低。如果远程传输失败，将直接导致ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ失败，而这种失败则可能是致命的，因为应用程序有可能被改写了一部分，这时候的程序将处于一种不可预知的状态，而要恢复这种状态只能到现场使用专用工具来进行串行或并行编程。
因此，笔者采用了将文件接收和单片机ＦＬＡＳＨ改写分为两步走的方式。一般情况下，应用程序将正常运行，而在接收到特殊指令后，则将进入更新文件接收流程，其接收到的文件将放在外部的串行ＦＬＡＳＨ中，更新文件接收成功后再通过ＪＭＰ指令跳转到ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序，并在ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序中只执行从串行ＦＬＡＳＨ中读出的程序内容来改写单片机上ＦＬＡＳＨ的工作，改写完成后再自动跳转到应用程序。这种方式的最差情况也只会导致程序更新失败，而不会导致应用程序的崩溃。这样，在信道恢复正常后，仍可进行程序更新工作，因而大大提高了可靠性。
（３）尽量提高更新速度
速度的提高首先需要从数据源开始。目前有的设计采用的是直接传输ＨＥＸ文件的方式，但这种方式是不可取的，因为ＨＥＸ文件一般会比ＢＩＮ文件大三倍以上，而且ＨＥＸ文件不能直接写入单片机，还必须经过一个转换的过程，这又增加了一点时间消耗。因此，笔者建议在程序更新前，先通过ｈｅｘｔｏｂｉｎ软件将ＨＥＸ文件转换成ＢＩＮ文件。
更新时间主要取决于文件的传输时间，在本地更新过程中，提高本地ＲＳ２３２
图１ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ区的程序流程
（下转第６６页）
其它特定占空比（Ｄ＝５％，２０％，４０％，
６０％，８０％，９５％）的仿真记录数据如表１所列。
图７所示是该调压电路的ＰＷＭ信号占空比与Ｖｓ调压偏移量的变化曲线。由图可见，该变化呈线性关系。
６结束语
本文通过提高ＰＷＭ调制信号的频率，再结合
二阶有源滤波电路，实现了频率到电压的一种转换。该转换可在４０Ｖｄｃ～６０Ｖｄｃ范围内，对ＺＸＣ１０通信电源的输出电压通过ＰＷＭ信号进行线性调节，这种方法可以避免使用较贵的Ｄ／Ａ转换模块，因而可以节省成本，同时也提高了该电源的工程使用价值。
参考文献
［１］ＳＴＣ１２Ｃ２０５２ＡＤ系列单片机器件手册，２００６．
［２］
潘永雄．新编单片机原理与应用［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００３．
［３］康华光．模拟电子电路［Ｍ］．北京：高等教育出版社，
２００２．
［４］
鬲淑芳，段新文．模拟电子技术基础［Ｍ］．西安：陕西师范大学出版社，２０００．
表１
其它特定占空比下的Ｖｓ仿真数据
占空比Ｄ（％）
５％２０％４０％６０％８０％
９５％
ＶＳ（Ｖ）１．５００
１．７５４
２．０９１
２．４２８
２．７６６３．０１８
传输的波特率将减少更新时间，但在远程更新过程中，提高远程传输的波特率则可能导致传输的误码率较高，重传反而增加了远程传输的时间，因此，远程更新不宜采用过高的波特率。
５结束语
以ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ程序建立ＩＡＰ环境将给开发带
来很大的好处。首先，是开发环境被简化成了“ＰＣ＋ＲＳ２３２电缆＋目标板”
，其次是在工程应用中大大简化了程序更新的工作量。因此，在ＲＴＵ的研发生产过程中，ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ技术将会得到更为广泛的应用。
参考文献
［１］ＡＶＲ９１１：ＡＶＲＯｐｅｎ－ＳｏｕｒｃｅＰｒｏｇｒａｍｍｅｒ，２００４．［２］ＡＶＲ９１０：ＩｎＳｙｓｔｅｍＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ，２０００．［３］ＡｔｍｅｌＣｏｒｐ．ＡＴＭｅｇａ１２８Ｄａｔａｓｈｅｅｔ２００５．
［４］
马潮，詹卫前，耿德根．ＡＴＭｅｇａ８原理及应用手册［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３．
（上接第６２页）