关键词：C8051F34x； USB引导加载程序； 远程升级
Bootloader（以下简称BL）是单片机上电或复位后，在应用程序（以下简称APP）之前运行的引导程序，以确定是否需要进入升级状态。 如果不需要升级，直接跳转APP运行； 如果需要升级，首先擦除旧的APP，然后通过某种通信接收APP固件程序，同时写入Flash中。
BL固件程序获取数据的方式有多种，包括串口、并口、I2C、SPI、USB等，但从实际使用和成熟度来看，使用串口无疑是最方便的。 如今，USB总线以其方便、快捷、灵活、稳定、适用范围广等优点而得到广泛的应用、发展和普及。 使用USB进行数据传输是一种趋势。 本文设计的BL主要基于USB通信。 考虑到模块兼容性，保留了串口通信。
一般来说，BL应该能够完成以下功能：（1）通过某种通信方式发送和接收数据； (2)擦除并升级APP应用固件程序； (3)判断APP固件的完整性； (4)APP和BL中断跳转问题。 基于USB通信的BL除了完成通用BL的功能外，还需要考虑BL与APP共享除USB中断外的通用USB处理功能等问题。 下面详细介绍BL固件编程、APP固件编程以及上层软件设计。
1 USB Bootloader设计
1.1 硬件平台
本文设计的USB BL是基于Silicon Labs的C8051F34x系列微控制器实现的； C8051F34x 器件是一款完全集成的混合信号片上系统 MCU，具有片上加电复位、VDD 监视器、稳压器、看门狗定时器、时钟丢失检测器、时钟振荡器、USB、SMBus/I2C、UART、SPI 、定时器、I/O、高达 4 352 B 的片上 RAM 和 64 KB 的片上 Flash 存储器，Flash 存储器还具有复位系统的能力。编程功能可用于非易失性数据存储，并允许8051固件的现场更新。
C8051F34x 器件集成了完整的全速/低速 USB 功能控制器。 最初设计时使用的是C8051F34x的内置USB，但静电测试不符合要求。 最终选择C8051F34x和PDIUSBD12的组合来解决静电问题。
PDIUSBD12是一款高性价比的USB设备。 它符合 USB 1.1 版规范，可以与任何外部微控制器实现高速并行接口 (2 Mb/s)。 具有良好的EMI特性，片上高于8 kV。 静电保护电路等。详细信息请查阅参考文献[3]。
1.2 BL和APP固件地址分配
USB BL预计占用8 KB的地址空间，从0x0000h到0x1FFFh，包括USB BL固件程序本身以及用于确定程序运行的是APP还是BL的签名程序。 BL和APP之间的地址空间分配如图1所示。存放APP固件程序的地址空间从0x2000h开始。
1.3 BL和APP自动跳转
在程序中，设置一个设备模式标志来确定程序应该运行在BL还是APP中。 该标志存储在 RAM 中的固定地址 2F7h 处。 在本文设计的BL中，DEVICE_MODE是设备模式标志。 当其值等于1时，为BL_MODE（BL模式），当其值等于0时，为APP_MODE（APP模式）。
设备模式为BL模式且APP固件程序可以下载更新的情况有两种：一种是指定签名地址处没有指定的二字节签名； 另一种是Flash写入错误。 在C8051F34x微控制器中，Flash读取地址超出用户代码空间，即MOVC操作的地址大于0xFBFF。 发生闪存错误复位后，FERROR 位（RSTSRC.6）被置位。
上电后是否运行APP固件程序由第一种情况判断。 当需要更新APP固件程序时，会出现Flash写入错误。 通过第二种情况，进入BL模式，启动更新程序，如图2所示。
1.4 中断重定位
一般MCU中断向量在复位后（0x0000）分配，位于低地址空间。 由于BL程序占用此空间，除了USB0中断（中断序列表中的8号中断）和串口中断（中断序列表中的5号中断）外，其他所有中断（C8051F34x总共有16个通用中断）需要做中断二次映射。 也就是说，需要在原来的中断向量入口地址处手动添加二次跳转函数，使新的中断向量指向用户的中断程序，从而保证APP固件程序的中断程序正常运行。 具体跳转地址由APP固件程序的起始地址决定。 这部分内容在START51中。 这是在 A51 中通过编写函数来完成的。 假设固件起始地址设置为0x2000H，则中断跳转的实现过程如下。
首先定义几个常量：
HW_INTVEC_TABLE EQU 0003h
HW_INTVEC_SEPARATION EQU 8
INTVEC_TABLE EQU START_APPLICATION+3
INTVEC_SEPARATION EQU8
START_APPLICATIONEQU2000h
中断向量重新映射：
CSEG AT HW_INTVEC_TABLE +
(HW_INTVEC_SEPARATION*INT_NUM)LJMP
INTVEC_TABLE+（INTVEC_SEPARATION
*INT_NUM)
//以定时器2中断为例（中断号5）
CSEG AT0003h+8h*5h=002Bh
LJMP 2000h+0003h+8h*5h=202Bh
1.5 中断处理函数
由于 USB 中断号 8 被 BL 固件和 APP 固件同时调用，因此不能跳转两次。 而是通过共享USB库文件中的USB_ISR主中断处理函数进行处理，并通过DEVICE_MODE判断当前设备是否为BL模式。 或APP模式自动跳转到BL固件或APP固件的USB中断处理函数两次，如图3所示。
需要注意的是，4号串口中断也是被两者调用的，所以4号中断的处理和8号中断是一样的，首先从4号中断入口地址跳转到原来的地址，然后根据设备模式转向该地址的中断来决定是走BL还是APP的中断处理函数。
1.6 USB BL命令功能
BL固件程序中的命令功能如表1所示。
(1)擦除页：擦除APP固件程序及签名；
(2) Write Page：将APP固件程序的HEX文件写入Flash；
（3）写入签名：APP固件程序成功写入Flash后，将签名写入指定地址，表明该APP固件已存在于Flash中；
(4) 获取版本：获取BL程序的版本号。
2 APP固件编程
使用USB BL需要对APP固件程序进行一些添加和修改。
（1）由于BL占用0x0000~0x1FFF的空间，APP固件程序使用0x2000h作为起始地址，因此需要修改APP程序的偏移量。
①修改STARTUP.A51文件，将“CSEG AT 0”改为“CSEG AT 2000h”；
②点击Porject->Options for Target'Target1'，点击C51工程栏，选择Interrupt向量地址栏，将内容改为0x2000，点击BL51 Locate工程栏，将代码项改为0x2000。
（2）APP固件程序应具有从APP切换到BL的功能，需要添加以下代码：
①在main()主函数中添加接收更新APP固件程序的命令字以及该命令的处理代码。 使用BOOTLOAD_REQ()命令触发Flash读复位，使器件进入BL模式；
②在STARTUP.A51文件中添加以下代码：
//导致Flash写入错误的地址定义
PUBLICBOOTLOAD_REQ
BOOTLOAD_REQEQU0FFFFh
