2020年06月14日 | msp430单片机 程序升级实例

MSP430单片机简介

TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器,它采用16位精简指令集,集成了16个通用寄存器和常数发生器,极大的提高了代码的执行效率；简洁的27条内核指令方便学习;同时灵活的时钟源选择可最大限度的延长电池寿命。MSP430系列单片机的不同型号针对不同应用领域，集成了丰富的外围模块，包括: 看门狗(WDT)、定时器A(Timer-A)、定时器B(Timer-B)、比较器、串口0、1(USART0、1)、硬件乘法器、液晶驱动器、8路12/16位ADC、端口、基本定时器(Basic Timer)。

由于其杰出的低功耗设计和丰富的片上外围模块，使其非常适合于要求低功耗，高性能的嵌入式智能系统中。

MSP430程序升级方式

对MSP430系列单片机进行编程的方式有以下三种：利用JTAG接口，利用BSL固件和利用用户自定义的升级固件。由于利用自定义升级固件进行程序升级的方式比较灵活，并且用途广泛，本文将对它作重点介绍。

1. 利用JTAG接口

MSP430系列的单片机都集成了JTAG接口,该接口实现了遵循IEEESTD1149.1规定的测试访问端口状态机(TAP Controller)。它使用一个四线串行接口(TEST用于引脚较少的芯片)。数据或指令从TDI(测试数据输入)移入；串行数据从 TDO(测试数据输出)移出； TCK(测试时钟)作为时钟信号输入；TMS(测试模式选择)信号控制TAP 控制器的状态。利用该接口可以移入指令和数据，从而控制目标芯片的地址线和数据线，达到读写目标芯片FLASH和仿真调试的目的[1]。另外TI现在推出了新型的调试接口―SPY-BI-WIRE，它采用两线制，其中一根为数据线（双向），一根为时钟线。

利用该接口的优点是不需要设计额外的电路和程序，采用仿真器即可下载程序。缺点是一旦用户为了保证代码的安全，烧断了JTAG的熔丝，那么就永久性的破坏了该接口，也就不能再使用该接口了。

2.利用BSL接口

BSL是 Bootstrap Loader的缩写，中文名称是程序装载器。它实质是固化在芯片中的一段通信程序（占用0C00h-1000h的地址空间），利用它可实现对FLASH的擦除和读写。由于其是固化在芯片中的，因此不必担心其被更改或丢失。

该接口使用5根线：GND，TX（P1.1/P1.0），RX（P2.2/P1.1），RST，TCK（TEST），在RST和TCK（TEST）加特定的电平时序信号，即可启动BSL程序，从而实现与目标芯片的通信。通信的字符格式是8个数据位，一个停止位和一个偶校验位。起始波特率为9600bps（BSL 1.6版本可更改波特率到38400bps）。BSL协议要求首先接受一个80h字符用于同步时钟，然后发送应答字符90h。接着接受8个字符，并根据命令跳转到相应的处理例程。BSL程序的C语言描述如下

Void main()

{

Byte B，bArray[8]；

LOCKSTATE = LOCK;

InitPorts();

While(1)

{

B=ReceiveSyncByte();

SyncTimer(B);

SendAck();

For( I = 0 ; I < 8 ;i++) bArray[i] = ReceiveByte();

Switch(bArray[i])

{

0x12: //写FLASH

For(I = 0 ; i
{

B=ReceiveByte();

If(LOCKSTATE ==UNLOCK) WriteByte(B);

}

Break;

0x10://接收口令

Receive32Byte();

If(PassWordCorrect) LOCKSTATE = UNLOCK;

Break;

0x18..0xn:

If(PassWordCorrect) DoTask();

}

If(NoError) SendNak();

Else

If(TxData) SendData();

else

SendAck();

}

其实现细节可能因版本不同而变化。若用户想利用它来实现程序升级，可参考文[2][3]。 利用BSL程序进行升级的优点是节省代码空间，用户不需要实现自己的升级固件，而且现在已经有很多现成的BSL升级工具；缺点是需预留BSL接口，并且需要现场接线。


3.利用自定义升级固件

MSP430系列单片机的FLASH存储器模块是一个可独立操作的物理存储单元。全部模块安排在同一个线性地址空间中，存储器被分为多个512字节的段（信息段大小为128/64字节）。各段可单独擦除，并且在正常工作电压下程序可对FLASH进行擦写操作，因此特别适合在线程序升级（in-system program）。

自定义升级固件就是在程序中内置一段用于升级应用程序的代码，即可利用现有通信接口进行远程代码的升级。其实现原理是在目标芯片中放置2段代码：一段为应用程序，一段为升级程序。两者的地址段不重叠，这样就可以利用升级程序擦除应用程序并写入新的代码。


3.1引导程序

复位后先进入引导程序，由它来决定进入升级程序或应用程序。引导程序的意义在于当应用程序不存在或错误时能直接进入升级程序，从而保证升级不成功可进行再次升级。

引导程序的描述如下

Void main()

{

While(1)

{

If(ResetVectorValid()) Application();

Updata();

}

}

其中的ResetVectorValid()函数用于检测应用程序是否存在或是否有效。实现可以是检测EnterApplication的入口地址是否合法，一种简单的实现是

#define ResetVectorValid() (ResetVector !=FFFF)

其中ResetVector为应用程序的入口地址，该地址通常放在一个固定的地址中，升级程序后修改该入口地址。Application() 为应用程序，它若正常执行不会返回 , 只有在接受到升级指令后才返回。可在Application()中使用Return语句进入升级程序。

Updata()为升级程序，其入口处必须加检测指令，以确认是正常进入升级程序。进入升级程序后，通信端应先发送擦除指令，擦除原有代码，然后发送升级代码更新FLASH。若是具有外部扩展存储器或用户程序较小，可先接收整个程序段，若校验正确再写入，这样可靠性会更高。

这里有个策略就是最先擦除包含ResetVector的块，最后写入ResetVector的值，这样可以尽量保证不会进入不完整的应用程序。


3.2应用程序的编写

应用程序的编写没有什么大的变化，需要在通信协议中加入自定义的一个升级命令，用于进入升级程序。另外需更改链接文件（*.XCL），指定应用程序的地址范围，如下以应用程序地址范围为2500-F7DC为例（用//注释掉的为默认的设置）

// Code

//-Z(CODE)CSTART=2500-FFDF

//-Z(CODE)CODE=2500-FFDF

-Z(CODE)CSTART=2500-F7DF

-Z(CODE)CODE =2500-F7DF

// Constant data

//-Z(CONST)DATA16_C,DATA16_ID,DIFUNCT,CHECKSUM=2500-FFDF

-Z(CONST)DATA16_C,DATA16_ID,DIFUNCT,CHECKSUM=2500-F7DF


// Interrupt vectors

//-Z(CONST)INTVEC=FFE0-FFFF

-Z(CONST)INTVEC=F7E0-F7FF

修改完毕后将该文件添加到工程。编译后的代码即可作为升级代码。

3.3升级程序的编写

新建一个工程，按如上的方法将升级代码定位到与应用程序不重叠的区域，如F800-FFFF，此时不修改

-Z(CONST)INTVEC=FFE0-FFFF

在升级程序中将除复位中断外的所有中断映射到应用程序中，一种办法是嵌入汇编，采用汇编的定位指令ORG；或者写15个中断影射函数，如下

//重新映射中断向量地址

#pragma vector=0x0

__interrupt void intvec_0(void)

{

asm("br & 0F7E0h"); //假设F7E0中存放中断15的地址

}

另外也可以采用动态确定中断入口地址的方法，即将中断向量地址放入约定好的RAM中，如下

__no_init void (*intvec1[16])() @ 0x200; //定义指向函数指针的数组,用于映射新的中断向量

//重新映射中断向量地址

#pragma vector=0x0 //

__interrupt void intvec_0(void)

{

asm("push R15");

asm("mov #0x200,R15");

asm("call @R15");

asm("pop R15");

}

然后在应用程序中进行中断向量的映射，如

intvec1[TIMERA0_VECTOR/2]=Timer_A_0;

即在TIMERA0中断时执行Timer_A_0（）函数。这样做的优点是可以在运行时动态决定中断函数的入口，即如高级语言中的虚函数（Virtual Function）。

当这两个函数块编写完毕后就可以进行工程测试了。

3.4应用程序与升级程序同时完成

也许您还希望两个函数在一个工程里完成。这时除了需要修改链接文件外，还需要注意以下几点：

(1)将升级程序的所有函数定位到升级程序空间，即在函数前面加定位指令

#pragma location="UPDATECODE" // UPDATECODE为升级程序所在段的名称

(2)修改函数返回调用的例程。当函数返回时会调用弹出寄存器的默认例程，而这些例程可能并不在升级程序的地址空间内。一种解决方法是利用编译环境生成的LST文件（汇编代码），逐个修改函数返回时调用的弹出寄存器例程，这样就可以保证两者代码独立。这样做的缺点是每次更改C语言代码后，就要重新修改汇编代码，比较繁琐。另一种方法是考虑到升级程序所做的就是接受和发送数据，一般不需要使用中断。这样就可以在升级函数前面加入__monitor 编译指令，指明该函数为原子操作。这类函数入口处先压入SR并禁止中断，返回时使用RETI返回，此时编译器并不调用例程弹出保存的寄存器，而是根据进栈情况逐个弹出寄存器。

（3）更改SWITCH语句。使用SWITCH语句时编译器也会产生默认例程调用，很难屏蔽掉，故只有将SWITCH修改为多个判断语句。

结语

本文对MSP430系列单片机的升级方案作了详细的介绍，读者只要按照一定的步骤，就可以轻松实现远程程序升级，这在实际应用中具有重要的意义。并且本文的升级方法并不极限于MSP430系列，它也可以应用到类似单片机系列中。


参考文献

1 《Programming a Flash-Based MSP430 Using the JTAG Interface》Literature no. SLAA149

2 《Features of the MSP430 Bootstrap Loader》 Literature no. SLAA089A

3 《Application of Bootstrap Loader in MSP430 With Flash Hardware and Software Proposal》Literature no. SLAA096B

4 《MSP430 Family Mixed-Signal Microcontroller Application Reports》Literature no. SLAA024

5 《MSP430 IAR C/C++ Compiler Reference Guide》

6 刘宏志　谢利理.《FLASH单片机自编程技术的探讨》 单片机与嵌入式系统应用 2004.3