W78E516及其在系统编程的实现

摘要：近年来，在系统编程（ISP）技术的不断发展和成熟，使得硬件设计逐步软件化，硬件结构的通用性日益增强，系统设计、生产、维护、升级等环节都发生着深刻的变革。本文以WINBOND公司的W78E516为例介绍ISP器件的结构及其在系统编程原理。 关键词：W78E516在系统编程微控制器 使用传统方法对CPU重新编程存在诸多不便， 在系统编程技术（以下简称ISP技术）的出现是对传统编程方法的突破。ISP(In System Programming)技术是指，在用户设计的目标系统中或印刷电路板上，为重新配置逻辑或实现新的功能，而对器件进行编程或反复编程的能力。ISP技术的出现和发展开创了数字电子系统设计技术新的一页。ISP技术无需编程器和较高的编程电压，打破了先编程后装配的惯例，形成产品后还可以在系统内反复编程，使具有MTP-ROM可多次编程或反复编程的微控制器的优越性得以更充分的发挥。尤其是在互联网时代，依据系统环境和需要，经调制解调装置（MODEM）、串行口或专用的编程接口就能够通过软件控制，实现系统远程升级和调试，提高产品的适应性，延长产品生存周期，经济效益显著。真正的可编程系统的时代即将到来。 一、W78E516的结构 　　W78E516是一种8位微控制器，内部含有在系统可编程的MTP-ROM，用于系统更新。W78E516与标准的8052完全兼容。 　　1. 特征 　　(1) 全静态设计，最高工作频率为40MHz。 　　(2) 64KB APROM存储应用程序和4KB LDROM存储控制ISP操作的程序。2块存储器均为MTP-ROM。 　　(3) 512字节的片内RAM（包括256字节AUX-RAM，可由软件选择）内部数据RAM有512字节。它分成2个存储单元：256字节高速暂存和256字节辅存。这些地址有不同的确定方式： 　　① RAM 0H"127H：同8052一样直接或间接寻址，地址指针是被选中的寄存器单元中的R0和R1。 　　② RAM 128H"255H：同8052一样只能间接寻址，地址指针是被选中的寄存器单元中的R0和R1。 　　③ AUX-RAM 0H"255H：采用外部数据存储器的方式间接寻址， 用MOVX指令，地址指针是选中寄存器单元的R0和R1以及DPTR寄存器。在CHCON寄存器中的第4位置位后，AUX-RAM有效，访问AUX-RAM使用“MOVX@Ri”指令。当执行内部程序存储器的指令时，访问AUX-RAM不会影响P0，P2，WR和RD。AUX-RAM在复位后失效。 　　(4) 程序存储器和数据存储器可寻址空间范围为64KB。 　　(5) 4个8位双向口：P0"P3，1个4位双向多用途编程口P4。 　　(6) 3个16位的定时器/计数器：T0，T1，T2。T0和T1功能与8051相同。T2是一个16位定时器/计数器，它由T2CON配置和控制。T2能作为外部时钟计数器，也能作为内部定时器，这取决于T2CON的C/T2位的配置情况。T2有3种操作方式：清零、自动重写、波特率发生器。在清零和自动重写方式时，时钟频率与T0和T1相同。 　　（7） 具有一个全双工串行口。 　　（8） 具有6个中断源和2级中断能力。 　　（9） 内部电源管理：空闲方式和掉电方式，这两种方式可由软件选择。 　　（10） 具有编程后的编码保护功能。 　　2. 与ISP操作相关的特殊功能寄存器 　　（1） 在系统编程控制寄存器CHPCON（BFH）功能如表1所列。 表1 BIT NAME 功 能 7 软件复位F04KMODE 该位置1且FBOOTSL和FPROGEN都置1时，微控制顺笔位，重新操作。读该位结果为逻1辑时，可双确认CPU处于F04KBOOT模式 6 - 保留 5 - 保留 4 ENAUXRAM 0：使AUX-RAM无效； 1：使AUX-RAM有效 3 0 必须置为0 2 0 必须置为0 1 FBPPTSL 程序地址选择。 1：装载程序位64KB的APROM。4KBLDROM是重新的目标地址。 0：装载程序位于4KB的存储器。64KB的APROM是重新编程的目标地址 0 FPROGEN MTP-ROM编程使能。 1：使编程功能有效。微控制器进入在系统编程状态。在这种编程模式下，清降、编程、读操作在设备进空闲模式后可以实现。 0：可能对ROM执行写操作 　　（2） 编程状态下MTP-ROM的控制字节寄存器SFRCN（C7H）功能如表2所列。 表2 BIT NAME 功 能 7 - 保留 6 WFWIN 选择ISP操作目标存储器。 0：对LDROM重新编程； 1：对APROM重新编程 5 OEN MTP-ROM输出使能 4 CEN MTP-ROM使能 3，2，1，0 CTRL[3:0] ROM控制信号 　　(3) SFRAH，SFRAL：在系统编程状态下的目标地址。SFRAH包含地址的高位字节；SFRAL包含地址的低位字节。 　　（4） SFRFD：编程状态下MTP-ROM的编程数据。 二、W78E516的在系统编程方法 　　1. ISP操作实现过程 　　微控制器通常执行APROM中的程序。如果APROM中的程序需要修改，用户需要通过设置CHPCON寄存器来激活在系统编程模式。在默认情况下，CHPCON是只读的，必须依次向寄存器中写入#87H和#59H，才能使CHPCON的写特性有效。激活CHPCON的写特性后，在其0位置位，进入在系统编程模式。ISP操作包括进入/退出在系统编程模式、编程、擦除、读等，它们是在CPU处于空闲模式时完成的，因此，设置CHPCON寄存器后使CPU进入空闲模式，并由定时器中断的发生来控制执行每一种ISP操作的时间。定时器中断到来时，转入LDROM中执行相关的中断服务程序。第一次执行RETI指令后， PC指针清零，指向LDROM中的00H。当APROM中的内容被完全更新后，将CHPCON的第0，1，7位设置为逻辑1，通过软件复位的方式返回APROM执行其中的新程序。在应用程序需要频繁更新的情况下，这种在系统编程方式使工作简单而高效。 　　在默认情况下，上电复位后W78E516从程序中启动。在某些情况下，可以使W78E516从LDROM中启动。当APROM中的程序不能正常运行，W78E516无法跳到LDROM中执行ISP操作时，CPU进入F04KBOOT模式。在应用系统设计中一定要注意P2，P3，ALE，EA和PSEN引脚在复位时的值，以避免意外激活编程模式或F04KBOOT模式。复位时进入F04KBOOT MODE时P43，P2.7，P2.6引脚电平及时序如图1及图2所示。 　　W78E516处于在系统编程模式时，MTP-ROM可以被反复编程和检验。向MTP-ROM中完整、正确地写入新代码后，新代码即被保护起来。W78E516有专用设置寄存器组（special setting re-gisters），其中包括安全性寄存器（security register）和公司/器件识别寄存器（company/device ID registers），处于编程模式时不能访问这些寄存器。安全性寄存器在LDROM空间的地址是0FFFFH，当它的各个位被从1编程为0后就不能再被改变，将它们重新置位的惟一方式是执行全部擦除操作，这样就能保证其安全性。 　　一般情况下，具有ISP功能的微控制器一般都具备2块程序存储区（暂时称为A-ROM和B-ROM），其中A-ROM用于存储通常状况下的应用程序，B-ROM用于存储控制ISP操作的程序，向A-ROM中写入新代码。有些微控制器，A-ROM和B-ROM中的程序代码均能控制ISP操作，由特殊功能寄存器来选择其一，为设计人员提供了灵活的设计应用空间。针对不同类型的ISP器件，对CPU进行在系统编程的方法具有共同之处。 　　执行ISP操作时，2块程序存储器中的程序流程图分别如图3、图4所示。 2.W78E516的 ISP功能特点 　　在MTP产品中，W78E516颇具特色。它在ISP功能方面具有突出的优点： 　　（1） 开发灵活性。可由设计者自定任何编程通信协议，经计算机或简单工具，将要修改的程序通过任何I/O口或UART口送入单片机内，不能像其他具有ISP功能的芯片那样，而必须针对其特定引脚及特殊的TIMMING协议来实现。 　　（2） 操作连续性。市场上目前具有ISP功能的单片机在执行ISP操作时（在未带配件的情况下）必须停止其他操作；而有些应用希望此时UART或TIMER/COUNTER等功能仍然能够运作。W78E516可以满足这种要求。因为在执行ISP操作时只是控制权从64KB APROM变换到4KB LDROM，故仍可由4KB中的程序来继续操作控制。 　　（3） 断电时具有存储数据能力。因W78E516拥有2块大小不同的闪速存储器，其中1块可用于存储断电后仍必须被单片机保留的数据，因此，设计者可减少外接EE2PROM芯片的线路与成本。 除具有上述特点外， W78E516在执行ISP操作时不需辅以任何配件，受到用户的欢迎。 三、应用实例 　　此实例是在机车故障检测记录仪系统内对W78E516进行ISP操作的实验。这是一个由PC机和微控制器组成的主从式系统。 PC机经串行通信将新程序的二进制代码以数据形式下载，微控制器接收数据，由软件控制更新64KB APROM中的程序代码。实验中微控制器经RS-232接口接收数据并暂存于内部AUX-RAM中，不需扩展外部数据存储器，节省了板上空间。检测记录仪与PC机的通信采用RS-232标准，为简化硬件，只使用了该标准中的TXD、RXD以及地线3根连线，电平转换由MAXIM232专用芯片完成。实验电路原理图如图5所示。 　　实现ISP操作的软件由两部分组成：一是微控制器部分（包括APROM和LDROM中的程序），用MCS-51汇编语言编写；二是PC机部分，由Microsoft Visual Basic开发而来，主要应用MSCOMM控件与W78E516通信，完成数据下载。 　　微控制器上电后一般从64KB APROM中启动。64KB APROM中，包括了在系统编程子程序，还有其他检测记录系统的子程序。微控制器必须读取拨码盘的输入，决定进入哪一种工作状态，是否进行在系统编程。值得注意的是,在写CHPCON寄存器时，应将其第4位置1，使AUX-RAM有效；64KB APROM中的程序应该始终包含图3流程所示的程序段,以使系统具有进入下一次在系统编程的能力。4KB LDROM中的程序主要作用是接收来自PC机的下载数据，并控制各项ISP操作。执行在系统编程时，利用SFRAL、SFRAH、SFRFD、SFRCN这几个特殊功能寄存器，选择在系统编程的地址单元，准备待写入的数据，选择待执行的操作类型。当从F04BOOT模式启动时，软件复位失效，必须硬件复位。在系统编程的数据由在此期间仍能正常工作的串行通信口进入。这部分流程如图6所示。 　　PC机通过 RS-232串口发送数据。每一帧的前3个字节都为7EH，作为帧同步信号。随后2个字节内容均为帧指针，表明本帧数据的帧号。PC机在发送1帧数据后，等待单片机发回确认数据帧，该帧数据应包括数据接收正确与否的标志及接收到的数据的帧号。数据帧格式及PC机通信软件流程分别如图7、图8所示。 结束语 　　根据本文介绍的方法，在机车故障检测记录仪系统内实现了对W78E516的在系统编程。 　　ISP技术高度的灵活性使同一种硬件结构能够实现多种系统功能，成为多功能硬件,减少了系统所需电路板的品种，简化了生产流程；多功能硬件还能够减少板上元件数目和系统电路板数目，使系统成本显著降低。在机车系统中要对各部分进行多种不同的测试，比如轴温、轴速以及车门的开关状态等等，以便了解机车的运行状况。在现阶段，处理这些模拟量或数字量需要设计生产多种不同的模块。应用ISP技术以后这一现状会得以改变：设计人员设计出包括微控制器、A/D和D/A转换芯片、I/O口等在内的通用模块，将其安装到需要进行检测的各个部分，然后利用ISP技术把不同的应用程序下载到微控制器中，就可以完成各种不同的测试功能，其综合经济效益不可低估。此外， ISP技术也为其他许多领域带来了变革。总之，在系统编程技术具有广阔的开发应用前景。