MSP430F149系列单片机的IAP功能设计

只看该作者 · 2012-4-5 21:23

TI公司的MSP430系列单片机是具有很高实用性价值的产品，在许多领域得到广泛的应用，特别是它的超级低功耗特性，是目前所有其他单片机无法比拟的。IAP(InApplication Programming)是用户自己的程序在运行过程中对用户Flash的部分区域进行烧写，目的是为了在产品发布后可以方便地通过预留的通信口对产品中的固件程序进行更新升级。
要实现IAP功能，通常需要在设计固件程序时编写两个项目代码：第一个项目程序不执行正常的功能操作，而只是通过某种通信管道(如USB、USART、一些无线设备)接收程序或数据(可执行HEX文件)，执行对第二部分代码的更新；第二个项目代码才是真正的功能代码。这两部分项目代码同时烧录在用户Flash中，当芯片上电后，首先是第一个项目代码开始运行，再去更新第二段代码。
根据IAP的特性，以及MSP430系列没有自带IAP功能的特点，必须自行编写IAP程序来进行片内Flash的烧写，这样才能达到升级的目的。以下将详细介绍如何进行IAP升级设计。
系统设计的总体构想是，通过无线的方式，将需要升级的二进制文件直接下载到相应的地址空间，然后让单片机系统自动执行IAP升级。
这里的重点是要编写一个“蚂蚁搬家”代码，因为它不是在MSP4 30F149片内Flahs区里运行的，而是在设定的RAM区运行。RAM空间有限，所以用汇编代码编写(推荐，也可以用C语言写，然后再精简为汇编语言)，不能有堆栈的操作，代码不能超过2 KB。

1 硬件设计
(1)系统主芯片的内部结构
首先简单介绍一下MSP430F149的内部存储地址结构图，如图1所示，这样有助于对它进行IAP的升级设计。

由图1可以看出，ROM和RAM同一个地址空间，寻址空间为64 KB，采用冯·诺依曼结构，使用一组地址数据总线，地址为0000H～FFFFH，RAM地址区域为0200H～09FFH，代码区ROM为1000H～FFFF。
(2)外扩的Flash芯片结构
为了能够将要升级的文件(一般是IAR编译出来后，要经过第三方软件换为二进制文件)先保存在一个地方，系统必须外扩1片Flash(当然也可是其他介质)。由于MSP430F149系列单片机的SPI接口有2个，因此选择了具有SPI接口的Flash芯片，如SST25VF016(16 Mb)等系列。该芯片电压为2．7～3．6 V，刚好符合MSP系列单片机低功耗电压的要求，操作指令非常简单。外扩Flash硬件框图如图2所示。根据保存数据的要求，可以设计为多片，使保存的空间更多。在软件设计时，设计好存放升级文件的首地址和该文件的大小。在MSP430F149系列中，该文件一般大小为64 KB。
(3)存储空间地址划分
为了能详细清晰的说明，可以把HEX文件保存在SST25VF016的开头地址上，即地址从0x000000～0x010000即可。当然也可以根据项目要求，自定义空间地址。

2 通信传输
对于如何将编译好的可执行文件(BIN文件)从第三方下载到相应的外扩存储空间里，这里主要推荐几款无线远程升级方案：
①无线GPRS方案，优点是可以远程控制下载；缺点是GPRS需要收费，而且是一卡对应一设备(在即将解决费用问题的同时，这也许是未来发展的趋势)。
②红外线方案，现在很多的PDA都带有该功能，在该单片机的系统加接一个红外模块，并且在PDA上写个小软件，就可以轻松地将升级文件下载到外扩的Flash指定的位置；缺点是需要人员到现场作业。
③蓝牙技术方案，这个技术和红外线技术类似，优点是数据传输没有方向性，速度较红外线快得多。
其他不一一介绍，希望读者能有更多的升级方案。为了简要说明，这里用红外线方案作为下载升级软件的媒体介质，其他无线或者有线的媒体介质，其原理都一样，读者可以根据自己的项目自行选择。

3 软件设计
首先假设已经将要升级的文件下载到相应的外扩Flash中了，对于整个IAP程序的设计，分为两个部分：第一，先编写“蚂蚁搬家”程序，即一字节一字节地从相应的外扩Flash地址(事先已经定义好了)中搬移到片内Flash中(从0x1100开始至0xFFFF)；第二，编写引导程序(COPY程序)，将“蚂蚁搬家”程序拷贝到相应的RAM空间(0x0200)中，并将PC指向0x0200。系统升级程序流程如图3所示。

注意：从片外的Flash拷贝到片内Flash中时，一定要将60 KB全部拷贝完毕，否则系统将为不正常。最后要开启看门狗，复位，即PC从0x0000开始。“蚂蚁搬家”程序流程如图4所示。

图4中必须注意：
①必须先固定该程序的入口地址，这样引导程序才能将之拷贝到RAM中，大小要控制在2 KB之内。该程序比较小，一般不会超过2 KB
②必须将Flash状态锁住，这样在写的时候不容易出错。
③在读取60 KB数据后，打开看门狗。IAP升级系统是根据看门狗不喂狗来自动复位重启系统的。
用户只要根据上面的流程进行编程，就很容易实现IAP升级(这里是重点，也是一个难点)。引导程序流程如图5所示。

图5说明：声明一个入口函数，便于外部程序升级时调用。这个引导程序比较简单。由于在片内执行，所以使用汇编语言(mov指令)很容易就可以把蚂蚁搬家程序导入到RAM中。
由于IAR编译出来的最终文件为*．a43文件，建议使用类似(HexToBin．exe)软件将*．a43文件转化成二进制文件，就可直接下载了。

4 注意事项
这段代码必须在RAM里运行，所以暂时不使用SP来“RET”。也就是说，不可以使用CALL指令，也不可以使用压栈处理(如PUSH或者POP等指令)，所以这里将不可以开设堆栈区。通过某种无线手段执行代码(BIN文件)，然后根据自定义无线协议，将该可执行代码下载并保存到片外的Flash相应地址空间，最后启动升级程序。最后通过启动看门狗并复位来启动系统。

结语
通过长期的实践证明，本方案具有非常高的可靠性。这里虽然只介绍了MSP430系列产品的IAP升级方法，但对于其他没有自带IAP功能单片机的升级，其设计思路却都一样。这里提醒广大的开发爱好者，对于一串串的二进制文件数据，我们不要害怕；只要独立思考，抓住单片机的特性，灵活应用，只有想不到，没有做不到。祝大家共同进步.