0 引言
dsPIC33F系列單片機是美國微芯公司(Microchip)推出的一款高性能單片機，它將數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)的高速運算能力與單片機的控制特性無縫地集成在一起，為嵌入式系統(tǒng)設計提供了高性價比的單芯片、單指令流的解決方案，在音頻處理、視頻處理及工業(yè)控制等方面得到了廣泛應用。但是在實際應用中，由于客戶需求變化或程序BUG修改等原因，經(jīng)常出現(xiàn)需要使單片機應用程序升級的情況，本文利用dsPIC33F單片機運行時的自編程(Run-Time Serf-Programming，RTSP)特性，實現(xiàn)了基于該單片機應用程序的升級功能。
1 基本原理
dsPIC33F系列單片機提供了兩種方式用于對其內部程序存儲器進行編程：在線串行編程(In-Circuit Serial Programming，ICSP)和運行時自編程(Run-TimeSelf-Programming，RTSP)。ICSP使用5根線對單片機編程，主要用于產(chǎn)品調試或生產(chǎn)過程中，顯然不適合用于產(chǎn)品運行時的程序升級。RTSP是通過使用TBLRD(表讀)和TBLWT(表寫)指令來完成的，使用RTSP可以一次將64條指令(192 B)的塊(或“行”)或單個程序存儲字寫入程序存儲器，也可以一次擦除512條指令(1 536 B)的塊(或“頁”)，由于該方法采用程序指令實現(xiàn)了自編程，可應用于產(chǎn)品運行時的程序升級，因此本文采用RTSP方法實現(xiàn)基于dsPIC33F系列單片機的應用程序升級功能。程序升級的實質是對程序存儲器內容的更新，所以有必要先了解一下dsPIC33F單片機的程序存儲器內部結構。
1．1 dsPIC33F單片機的程序存儲器內部結構
dsPIC33F單片機的程序存儲器結構如圖1所示。一般情況下，“復位地址”的內容為全0，單片機復位后均從程序存儲器地址0的位置上開始執(zhí)行，即從圖1中的“GOTO指令”位置開始執(zhí)行。在這里存放了一個跳轉指令，直接指向用戶程序的首址，默認情況下該位置的指令為“GOTO 0x200”，即默認跳轉到首址為0x200的用戶程序(圖1中的“用戶程序存儲空間”)開始執(zhí)行。dsPIC33F單片機具有2個中斷向量表，即“中斷向量表”和“備用中斷向量表”，地址分別從0x000004～0x0000FF和0x000100～0x0001FF這兩個中斷向量表允許使用不同的中斷服務程序來處理每個中斷源。程序升級功能正是基于程序存儲器內部結構的以上特性而實現(xiàn)。
1．2 程序升級功能的實現(xiàn)流程
將圖1中的“用戶程序存儲空間”分為引導程序和應用程序2部分，如圖2(a)所示。引導程序用于引導用戶程序是進入升級狀態(tài)，還是進入正常運行狀態(tài)，若進入升級狀態(tài)則接收新的程序數(shù)據(jù)，并更新程序存儲器的內容；若進入正常運行狀態(tài)則程序跳轉到應用程序區(qū)。應用程序是為了實現(xiàn)產(chǎn)品功能而編寫的程序，也就是本文所謂“程序升級”的對象。
實際應用中，將外部非易失性存儲器(如E2PROM)的某些存儲單元值當作是否進行程序升級的標志(以下簡稱程序升級標志)。單片機上電或復位后首先執(zhí)行“GOTO0x400”指令，即跳轉到引導程序。默認情況下程序升級標志是處于“正常運行”狀態(tài)下的，引導程序調用跳轉指令將用戶程序引導到應用程序區(qū)，若運行過程中發(fā)現(xiàn)服務器有新的應用程序版本或接收到服務器發(fā)來的升級程序命令時，單片機將程序升級標志設置為“程序升級”狀態(tài)，然后軟件復位單片機。這時程序再次跳轉到引導程序，根據(jù)程序升級標志，單片機進入程序升級狀態(tài)，接收新的程序，并更新程序存儲器的內容，升級完成后，單片機將程序升級標志設置為“正常運行”狀態(tài)，然后再次軟件復位，此時單片機運行于新的應用程序中。
由于引導程序和應用程序都可能用到中斷，因此應用程序采用中斷向量表，引導程序采用備用中斷向量表，以執(zhí)行各自相應的中斷服務子程序。值得注意的是，在圖2(a)中引導程序的首址為0x000400，這是因為dsPIC33F單片機執(zhí)行一次擦除指令會擦除512條指令空間(即1“ 塊”，占用1 024個地址單元)，這意味著程序升級必須以1 024(即0x400)為單位。同理，應用程序的首址必須為0x400的整數(shù)倍，本文采用0x00C800。
從以上基本原理的分析可看出，程序升級功能的實現(xiàn)主要就是引導程序的實現(xiàn)。
2 引導程序的實現(xiàn)
2．1 程序流程
進入引導程序后，程序的執(zhí)行流程如下：
(1)初始化電路板，包括單片機的工作頻率、外圍接口等，尤其要注意啟用單片機的“備用中斷向量表”。因為dsPIC33F單片機復位后默認啟用“中斷向量表”，而由基本原理的說明可看出，引導程序必須采用“備用中斷向量表”。
(2)判斷程序走向，通過程序升級標志判斷是跳轉到應用程序，還是執(zhí)行程序升級流程。
(3)若程序升級標志為“正常運行”，則調用GOTO指令跳轉到應用程序。
(4)若程序升級標志為“程序升級”，則執(zhí)行程序升級流程，這是引導程序的重點。
程序升級按“塊”更新，每“塊”包含1 024個存儲單元(以字為單位)，即每幀數(shù)據(jù)需包含2 048個字節(jié)的程序代碼。在更新程序時并不是簡單地用接收到的新程序代碼覆蓋舊程序，對于一些特殊幀需特殊處理，通過對比應用程序編譯后的程序存儲器結構與實際應用中的程序存儲器結構可以很好地理解這點。圖2(a)所示為實際應用中的程序存儲器內部結構；(b)為應用程序編譯后的程序存儲器結構。通過對比這兩張圖可以看出，“GOTO指令”、“備用中斷向量表”、“引導程序”這些區(qū)間的程序不能直接覆蓋，若“GOTO指令”被覆蓋，則程序升級后程序直接跳轉到應用程序，不會執(zhí)行引導程序；若“備用中斷向量表”被覆蓋，則引導程序中的中斷服務程序無法執(zhí)行；若“引導程序”區(qū)間的內容被覆蓋，則引導程序被清空，顯然會帶來災難性的后果。因此對于第1幀數(shù)據(jù)需特別處理，該幀數(shù)據(jù)對應程序存儲器第1塊(地址為0～0x3FF)的內容，包含“GOTO指令”、“復位地址”、“中斷向量表”和“備用中斷向量表”的內容，為了保證"GOTO指令”和“備用中斷向量表”的內容不被修改，需要先讀出原“GOTO指令”和“備用中斷向量表”的內容，替代接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中對應位置的內容，然后寫入程序存儲區(qū)的第1塊；對于第2幀到第50幀(0xe800／0x400)，這些是引導程序的內容，顯然不能做任何修改，因此這幾幀數(shù)據(jù)接收后直接丟棄；從第51幀到最后一幀，這是應用程序的內容，也是真正要升級的內容，所以可直接覆蓋舊內容。程序升級后，將程序更新標志恢復為“正常運行”狀態(tài)，然后復位CPU，則經(jīng)引導程序又進入了新的應用程序，從而實現(xiàn)了應用程序的升級。
基于以上說明可得引導程序的詳細流程如圖3所示。
2．2 關鍵細節(jié)的實現(xiàn)
(1)啟用“備用中斷向量表”。設置INTCON2寄存器中ALTIVT控制位的值，其值設置為“1”則啟用“備用中斷向量表”；設置為“0”則啟用“中斷向量表”。
(2)程序首址的設置。在以上流程的說明中談到引導程序的首址為0x400，而應用程序的首址為0xc800，則設置程序的首址可通過修改鏈接描述文件(．gld文件)實現(xiàn)。以dsPIC33FJ256GP710單片機為例，將引導程序首址改為0x400，其實現(xiàn)步驟為：打開p33FJ256GP710．gld文件，將其中的“program(xr)：ORIGIN=0x200，LENGTH=0x2AA00”改為“pro-gram(xr) ：ORIGIN=0x400，LENGTH=0x2A900”；將“_ _CODE_ BASE=0x200”改為“_ _CODE_BASE=0x400”。應用程序首址的修改也采用相同方法。
(3)讀／寫程序存儲器。在參考文獻中有很完整的原理說明，也有完整的源代碼，可直接使用。
(4)軟件復位CPU。在應用程序運行過程中發(fā)現(xiàn)需升級程序或在引導程序中升級程序完畢時，均需對CPU進行軟件復位，這可通過dsPIC33F單片機提供的“reset”指令實現(xiàn)，可在程序相應位置執(zhí)行“reset”指令即可。
3 實際應用中若干問題的探討
3．1 程序升級正確性問題
上文僅重點說明了程序升級的方法，未對程序升級的正確性展開討論，但在實際應用中，由于傳輸干擾的存在，接收的新程序數(shù)據(jù)可能出錯，這時如果沒有相應的應對措施，顯然會影響到產(chǎn)品的正常運行。為了保證程序升級的正確性，常用的應對措施有以下幾種：
(1)對每幀數(shù)據(jù)進行嚴格的校驗(如CRC校驗)，校驗通過后再更新相應的程序存儲區(qū)；更新程序存儲區(qū)后，重新讀出程序存儲區(qū)數(shù)據(jù)，并與接收到的數(shù)據(jù)進行比較。只有當數(shù)據(jù)比較無誤后才開始接收下一幀數(shù)據(jù)。
(2)若不考慮硬件成本，也可外置一個數(shù)據(jù)存儲器，將所有新程序數(shù)據(jù)完全接收并校驗通過后才統(tǒng)一更新程序存儲器，最后把整個程序存儲器的數(shù)據(jù)與接收到的數(shù)據(jù)逐一比對，若比對無誤則升級結束。
(3)若應用程序占用空間不大，也可將程序存儲器中應用程序區(qū)再分為兩部分。程序升級時輪流覆蓋這兩部分，這種操作方式使程序存儲器同時保存舊版本和新版本兩個應用程序，當新版本程序因某種原因運行不正常時，可由引導程序將應用程序切換到舊版本。
第(1)種方法最容易實現(xiàn)，但是應用程序只有在整個升級過程完全結束后才可以正常運行，若升級過程因某種原因通信中斷，則應用程序一直無法運行，這是該方法最大的缺陷。
第(2)種方法也很容易實現(xiàn)，而且由于它是在新程序數(shù)據(jù)全部接收后才開始升級，因此克服了第(1)種方法的缺陷，但是該方法需增加硬件成本，且要占用單片機更多的硬件資源(用于與外部存儲器之間的交互)。
第(3)種方法也可以克服第(1)種方法的缺陷，而且不需增加硬件成本，但是該方法的實現(xiàn)顯然比前兩種方法復雜得多。以上3種方法各有優(yōu)缺點，在實際應用中可根據(jù)實際情況選擇。
3．2 斷點續(xù)傳問題
在實際應用中，可能因某種原因(如斷電復位)而需重新開始程序升級，這時如果還是從第1幀數(shù)據(jù)開始傳輸，則會造成時間上的浪費，而且對于一些以流量計費的通信網(wǎng)絡(如GPRS)還會造成通信費用的浪費，因此在實際應用中有必要實現(xiàn)“斷點續(xù)傳”功能。這可通過模仿FTP斷點續(xù)傳原理來實現(xiàn)，即單片機每正確接收并存儲一幀數(shù)據(jù)則刷新存儲于外部非易失性存儲器(如EEPROM)中的升級信息(含當前幀號)，若重新開始程序升級，則將當前升級信息發(fā)給服務器，服務器可從“斷點”開始發(fā)送數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了“斷點續(xù)傳”功能。
4 結語
基于dsPIC33F系列單片機的應用程序升級方法已在開發(fā)設計的IPPhone和安防系統(tǒng)等產(chǎn)品中成功應用，且運行穩(wěn)定可靠。雖然本文討論的程序升級方法是基于dsPIC33F系列單片機，但其基本原理同樣適用于其他具備運行時自編程或有應用編程(In Appplication Program，IAP)功能的單片機中。