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1 概 述 P89C51RD2是PHILIPS公司內(nèi)核基于8位80C51單片機(jī)的派生產(chǎn)品，在完全保留80C51指令系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)的大框架下，進(jìn)行了多方面的加強(qiáng)、擴(kuò)展和創(chuàng)新，最大限度地利用了原有結(jié)構(gòu)的方方面面。P89C51RD2將原有的對(duì)外數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器的16位尋址機(jī)制加以利用，把片上的RAM擴(kuò)展到1KB、片上的FLASH EPROM擴(kuò)展到64KB，滿足當(dāng)今用嵌入式高級(jí)語(yǔ)言對(duì)片上大存儲(chǔ)容量的需要。 P89C51RD2最顯著的特點(diǎn)莫過(guò)于其ISP（In-System Programming，在系統(tǒng)可編程）功能和IAP（In-Application Programming，在應(yīng)用可編程）功能。ISP指電路板上的空白器件可以編程寫(xiě)入最終用戶代碼，而不需要從電路板上取下器件，已經(jīng)編程的器件也可以用ISP方式擦除或再編程。IAP指MCU可以在系統(tǒng)中獲取新代碼并對(duì)自己重新編程，即可用程序來(lái)改變程序。ISP和IAP技術(shù)是未來(lái)儀器儀表的發(fā)展方向。PHILIPS公司為了使ISP技術(shù)和IAP技術(shù)得以推廣，在芯片上免費(fèi)提供了Boot ROM固件，并且巧妙地解決了固件和FLASH的地址覆蓋問(wèn)題及一些具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)問(wèn)題，使它們的實(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單而現(xiàn)成。 對(duì)于Boot ROM中的內(nèi)容，PHILIPS公司是不公開(kāi)的。但很多技術(shù)人員對(duì)于Boot ROM固件中ISP(IAP)功能的實(shí)現(xiàn)非常感興趣。就ISP狀態(tài)而言，上位機(jī)直接跟Boot ROM固件中的程序打交道，因此，必須根據(jù)PHILIPS公司提供的流程和協(xié)議來(lái)編制上位機(jī)程序，至于Boot ROM內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)ISP功能的，則不得而知。如果能夠搞明白ISP功能實(shí)現(xiàn)的具體方法，則對(duì)于上位機(jī)軟件的編制是大有好處的。以下是對(duì)Boot ROM中有關(guān)ISP功能實(shí)現(xiàn)所作的一些初步探討。 2 Boot ROM固件代碼的讀出方法 要對(duì)其 ISP功能進(jìn)行分析，必須讀出Boot ROM中的源代碼。為此，必須弄清楚Boot ROM空間和FLASH空間的關(guān)系。P89C51RD2采用了最先進(jìn)的FLASH（快閃）EPROM，其容量為64KB，并且分成8KB和16KB的存儲(chǔ)塊。我們知道，80C51系列8位單片機(jī)的最大尋址能力就是64KB，F(xiàn)LASH EPROM已經(jīng)將全部尋址空間占據(jù)。同時(shí)，PHILIPS公司為P89C51RD2在片內(nèi)提供了一個(gè)名叫引導(dǎo)ROM(Boot ROM)的1KB的固件。固件上有引導(dǎo)裝載程序，可以接收主機(jī)經(jīng)串口傳來(lái)的命令和數(shù)據(jù)（如經(jīng)PC機(jī)的RS-232C口），這個(gè)固件是放在64KB程序存儲(chǔ)器的最高端的，與片內(nèi)FLASH地址0FC00H"0FFFFH相覆蓋。兩者之間的切換是通過(guò)特殊功能寄存器AUXR1的ENBOOT位來(lái)進(jìn)行的。 ENBOOT=1 地址在0FC00H"0FFFFH范圍，尋址到固件 ENBOOT=0 地址在0FC00H"0FFFFH范圍，尋址到FLASH 既然當(dāng)ENBOOT=1時(shí)，能夠?qū)ぶ返焦碳瑒t利用程序就可以將固件代碼讀出。下面是實(shí)現(xiàn)代碼讀出時(shí)的硬件部分和軟件部分。 （1）硬件部分 為了讀出Boot ROM中的內(nèi)容，必須給P89C51RD2搭一個(gè)包括復(fù)位、晶振和串口通信功能的基本硬件系統(tǒng)。ICL232為單電源串口轉(zhuǎn)換芯片，可以完成TTL電平與RS-232C電平之間的轉(zhuǎn)換。 （2）軟件編制 編制軟件的目的，是為了從Boot ROM中讀出源代碼，并送往上位機(jī)顯示。為了使用現(xiàn)成的軟件（如超級(jí)終端），程序中將讀出的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成ASCII碼，并組成HEX文件格式直接傳給上位機(jī)，這樣，將顯示的內(nèi)容存盤(pán)并反匯編，就可以對(duì)Boot ROM中的內(nèi)容進(jìn)行分析。由于程序中涉及到二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成HEX文件格式，故將有關(guān)HEX文件格式的有關(guān)內(nèi)容表述如下： HEX文件的INTEL格式，是INTEL公司提出的按地址排列的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)寬度為字節(jié)，所有數(shù)據(jù)使用十六進(jìn)制數(shù)字表示，如Boot ROM從地址FC00H開(kāi)始的前16個(gè)數(shù)據(jù)為（已經(jīng)轉(zhuǎn)換成ASCII碼）： 75 89 02 75 C8 30 E4 F5 CD F5 CC 30 B0 FD 20 B0（十六進(jìn)制） 則轉(zhuǎn)換成HEX文件格式為： ：10FC000075890275C830E4F5CDF5CC30B0FD20B073 "："符號(hào)表明記錄的開(kāi)始；后面的2個(gè)字符表明記錄的長(zhǎng)度，這里是10H，即16個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字；后面的4個(gè)字符給出調(diào)入的地址，這里是FC00H；再后面的2個(gè)字符表明記錄的類(lèi)型，00表示數(shù)據(jù)記錄，01表示記錄文件結(jié)束；再后面的16個(gè)數(shù)據(jù)即為真正的數(shù)據(jù)記錄；最后的2位73是校驗(yàn)和，它加上前面所有的數(shù)據(jù)和為0。 所有HEX格式文件的最后一行為結(jié)尾行，它比較特殊，總是如下所示： :00000001FF 讀Boot ROM代碼的主程序編制如下： AUXR1 EQU 0A2H ；特殊功能寄存器 BOOT_ROM EQU 0FC00H ；Boot ROM的起始地址 DAT_BUFFER EQU 30H ；數(shù)據(jù)暫存器 DAT_SUM EQU 31H ；校驗(yàn)和 ORG 0000H AJMP START ORG 0030H START: MOV SP,#50H MOV SCON,#50H MOV T2CON,#30H ；以T2作為波特率發(fā)生器 MOV TL2,#0E0H ；波特率為2400 bps MOV TH2,#0FEH MOV RCAP2L,#0E0H MOV RCAP2H,#0FEH SETB TR2 ；啟動(dòng)T2 MAIN: LCALL READ_ROM ；Boot ROM內(nèi)容讀出子程序 LCALL SEND_END ；結(jié)尾行送出子程序 AJMP $ 主程序中用到了兩個(gè)子程序：READ_ROM和SEND_END。 READ_ROM子程序功能：從FC00H開(kāi)始將代碼讀出，將其轉(zhuǎn)變成ASCII碼并拼湊成HEX文件記錄的形式傳給上位機(jī)。 讀Boot ROM代碼所調(diào)用的子程序網(wǎng)上查找下。 3 Boot ROM固件的功能分析 通過(guò)對(duì)Boot ROM中的程序進(jìn)行分析，可以對(duì)ISP的有關(guān)指令進(jìn)行更深入的理解，在一些編程方法上也可以向國(guó)外學(xué)習(xí)。下面對(duì)ISP的有關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行闡述。 3.1 關(guān)于自動(dòng)確定波特率 PHILIPS給出的ISP功能的第一個(gè)步驟為：上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送一個(gè)大寫(xiě)的英文字符"U"，供下位機(jī)確定波特率。 3.1.1 工作原理 大寫(xiě)的英文字符"U"有它的特殊性，它的ASCII碼為55H，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制為"01010101B"，也就是說(shuō)它是一個(gè)"0"、"1"相間的數(shù)據(jù)。如果能夠算出其一個(gè)位的傳輸時(shí)間tp，則對(duì)應(yīng)的波特率就可以計(jì)算出來(lái)。 3.1.2 tp對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值 首先看一下在Boot ROM中是如何計(jì)算一個(gè)位所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值的。以下為Boot ROM從地址FC00H "FC17H之間的源代碼及反匯編程序： 源代碼 反匯編程序 FC00 75 89 02 MOV TMOD,#02H ;T1工作模式2，定時(shí)器 FC03 75 C8 30 MOV T2CON,#30H ;T2工作為串行口波特 ;率發(fā)生器 FC06 E4 CLR A FC07 F5 CD MOV TH2,A FC09 F5 CC MOV TL2,A ;T2=0000H FC0B 30 B0 FD JNB P3.0,$ ;若P3.0=0，則等待， ;直到其變?yōu)? FC0E 20 B0 FD JB P3.0,$ ;若P3.0=1，則等待， ;直到下降沿到來(lái) FC11 D2 CA SETB TR2 ;啟動(dòng)T2定時(shí)器 FC13 30 B0 FD JNB P3.0,$ ;若P3.0=0，則等待， ;直到上升沿到來(lái) FC16 C2 CA CLR TR2 ;關(guān)閉T2定時(shí)器，此時(shí) ;T2中的數(shù)值為tp 首先將T2清0，然后測(cè)下降沿，測(cè)到下降沿后，開(kāi)始置TR2=1，T2開(kāi)始計(jì)數(shù)，等測(cè)到上升沿后，置TR2=0，停止計(jì)數(shù)，則此時(shí)T2中為傳送1bit （低電平）的計(jì)數(shù)值。以波特率2400 bps為例，則傳送1bit所用的時(shí)間為1/2400 s，即416.67μs。P89C51RD2主頻為11.0592 MHz，再由PHILIPS公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，當(dāng)T2工作于波特率發(fā)生器模式時(shí)，OSC未經(jīng)分頻直接進(jìn)入T2計(jì)數(shù)器，由此可得在tp時(shí)間內(nèi)T2的理論計(jì)數(shù)值為：(T2)=0.000 416 67×110 592 00= 4608(十進(jìn)制)=1200H。在這里，特別要強(qiáng)調(diào)的是：該數(shù)只是一個(gè)理論值。對(duì)波特率為2400 bps時(shí)的實(shí)際值進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)值為11FAH左右。不管怎樣測(cè)，實(shí)測(cè)值總是小于理論值6個(gè)數(shù)左右。這個(gè)數(shù)據(jù)為下面的波特率計(jì)算提供了重要依據(jù)。 3.1.3 波特率的計(jì)算 程序中對(duì)波特率的計(jì)算頗有特色，下面是地址FC18H"FC36H之間的源代碼和反匯編程序： 源代碼 反匯編程序 FC18 E5 CC MOV A,TL2 FC1A C4 SWAP A FC1B 54 0F ANL A,#0FH ;取TL2高4位 FC1D F8 MOV R0,A FC1E E5 CD MOV A,TH2 FC20 C4 SWAP A FC21 54 F0 ANL A,#0F0H;取TH2低4位 FC23 48 ORL A,R0 FC24 F8 MOV R0,A ;組合后送入R0 FC25 E5 CD MOV A,TH2 FC27 C4 SWAP A FC28 54 0F ANL A,#0FH ;取TH2高4位 FC2A F9 MOV R1,A FC2B E8 MOV A,R0 ;以上程序?qū)崿F(xiàn)T2中數(shù)據(jù)除以 ;16，送R1和R0保存 FC2C F4 CPL A ;低位取反 FC2D F5 CC MOV TL2,A FC2F F5 CA MOV RCAP2L,A FC31 E9 MOV A,R1 FC32 F4 CPL A ;高位取反 FC33 F5 CD MOV TH2,A FC35 F5 CB MOV RCAP2H,A 上述程序就是將tp對(duì)應(yīng)值轉(zhuǎn)換成波特率的程序，先來(lái)看一下波特率是怎樣定義的。定時(shí)器2工作在波特率發(fā)生器模式，外部時(shí)鐘信號(hào)由T2腳進(jìn)入，波特率為 （1） 所以程序中首先將T2中的計(jì)數(shù)值進(jìn)行處理，相當(dāng)于右移4位，將低4位去掉，11FAH變?yōu)?11FH，對(duì)應(yīng)式（1）中除以16，送R1和R0保存，然后將R1和R0中的值取反，其值為FEE0H。該值恰恰與根據(jù)式（1）計(jì)算出的數(shù)值相同。將該數(shù)值送T2和RCAP2，即得2400bps對(duì)應(yīng)的賦值。 3.1.4 波特率的校驗(yàn) 在波特率確定以后，首先設(shè)定TR2=1以啟動(dòng)波特率，并對(duì)串口控制字進(jìn)行設(shè)定。然后，程序?qū)ζ溥M(jìn)行校驗(yàn)。方法是接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)并以設(shè)定波特率回送該值，一方面通知上位機(jī)送出和接收的數(shù)據(jù)是否相同，如果相同，則上位機(jī)認(rèn)為下位機(jī)的波特率設(shè)置正確，通信成功；另一方面程序也將接收的數(shù)據(jù)?quot;U" 的ASCII碼相對(duì)照，如果相等，則往下執(zhí)行，如果不等，則繼續(xù)重復(fù)上述過(guò)程，直到成功為止，否則進(jìn)入死循環(huán)，只有程序復(fù)位才能退出。下面是其源程序與反匯編程序（FC37H至FC40H）： 源代碼 反匯編程序 FC37 D2 CA SETB TR2 FC39 75 98 52 MOV SCON,#52H ;方式1，TI=1 FC3C 91 A0 RREV0: ACALL REV_SEND0 FC3E B4 55 FB CJNE A,#55H,RREV0 ;判斷A="U"? 其中，REV_SEND0子程序的功能是接收一個(gè)數(shù)據(jù)并回傳給上位機(jī)。由上述程序可以看出，實(shí)際上要通信成功，上位機(jī)至少要向下位機(jī)發(fā)送兩個(gè)"U"：第一個(gè)用于確定波特率，另一個(gè)用于校驗(yàn)波特率，并且這兩個(gè)字符之間必須隔一段時(shí)間，以便于波特率計(jì)算完畢并有效。所以，有關(guān)手冊(cè)中關(guān)于ISP第一步要發(fā)送一個(gè)"U"來(lái)確定波特率的說(shuō)法本身沒(méi)有錯(cuò)，但如果在編制上位機(jī)程序時(shí)，僅僅發(fā)送一個(gè)"U"是不能夠通信成功的，特提醒讀者注意。 3.2 命令字的接收 在通信成功后，就可以接收ISP的命令字了。 3.2.1 ISP命令格式說(shuō)明 ISP編程由Boot ROM中的一系列引導(dǎo)子程序完成。這些子程序采用Intel-Hex記錄格式接收PC主機(jī)的命令和數(shù)據(jù)。Intel-Hex記錄格式上面已經(jīng)有所介紹，其命令格式為 :NNAAAARRDD…DDCC 其中，:NNAAAA以及DDCC的含義皆與上面論述的相同，只需對(duì)"RR"作以下說(shuō)明： "RR"表示記錄類(lèi)型，其中 00--數(shù)據(jù)記錄，即傳編程數(shù)據(jù)并完成編程； 01--文件結(jié)束標(biāo)志； 02--指定振蕩器頻率； 03--雜項(xiàng)編程功能，和后面的數(shù)據(jù)相配合完成擦除、加密等功能； 04--顯示指定地址端FLASH的數(shù)據(jù)或做空白檢查； 05--各種讀功能。 3.2.2 命令字的處理 為了更容易看懂，將使用的通用寄存器和部分地址進(jìn)行代換如下： DATA_ADDRL EQU 30H DATA_ADDRH EQU 31H DATA_SUM EQU 32H DATA_LEN EQU 33H DATA_FOSC EQU 34H DATA_MODE EQU 35H DATA_BUFFER EQU 36H REV_DAT_ADDR EQU 80H 下面來(lái)看一下Boot ROM中的源代碼與反匯編程序。 源程序 反匯編程序 FC41 75 32 00 MAIN: MOV DATA_SUM,#00H;校驗(yàn)和 FC44 91 A0 ACALL REV_SEND0 FC46 B4 3A F8 CJNE A,#3AH,MAIN;判斷A=":"? FC49 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM FC4B 85 36 33 MOV DATA_LEN,DATA_BUFFER ;33H字節(jié)數(shù) FC4E 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM FC50 85 36 31 MOV DATA_ADDRH,DATA_ BUFFER ;31H數(shù)據(jù)首地址高8位 FC53 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM FC55 85 36 30 MOV DATA_ADDRL,DATA_ BUFFER ;30H數(shù)據(jù)首地址低8位 FC58 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM FC5A 85 36 35 MOV DATA_MODE,DATA_ BUFFER ;35H數(shù)據(jù)操作類(lèi)型 FC5D E5 33 MOV A,DATA_LEN FC5F FA MOV R2,A ;循環(huán)接收數(shù)據(jù)指針 FC60 60 09 JZ RREV3 ;字節(jié)數(shù)=0 轉(zhuǎn)RREV3 FC62 79 80 MOV R1,#REV_DAT_ADDR FC64 91 79 RREV2: ACALL REV_DAT1_SUM FC66 A7 36 MOV @R1,DATA_MODE FC68 09 INC R1 FC69 DA F9 DJNZ R2,RREV2 FC6B AC 32 RREV3: MOV R4,DATA_SUM ;校驗(yàn)和 FC6D 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM FC6F EC MOV A,R4 FC70 B5 36 02 CJNE A,DATA_BUFFER,RREV4 ;校驗(yàn)和不等轉(zhuǎn) FC73 81 BF AJMP RUN_MODE FC75 74 58 RREV4：MOV A,#58H ; A="X" FC77 81 FA AJMP SEND_DT 首先，對(duì)程序中用到的子程序作如下的說(shuō)明。 REV_SEND0子程序：接收1個(gè)數(shù)據(jù)并回傳給上位機(jī)； REV_DAT1_SUM子程序：接收2個(gè)ASCII字符并回傳，將2個(gè)ASCII碼合成1字節(jié)二進(jìn)制數(shù)并計(jì)算校驗(yàn)和； SEND_DT：該地址執(zhí)行送字符"X"給上位機(jī)； RUN_MODE：該地址解釋并執(zhí)行命令字。 對(duì)上段程序分析如下：首先，將校驗(yàn)和單元清零，開(kāi)始接收第1個(gè)ASCII碼，并判斷是否為"："。如果是，則說(shuō)明是一個(gè)命令字的開(kāi)始，下面便依次接收字節(jié)數(shù)DATA_LEN、數(shù)據(jù)首地址高8位DATA_ ADDRH、數(shù)據(jù)首地址低8位DATA_ADDRL和數(shù)據(jù)操作類(lèi)型DATA_MODE。這跟其命令字格式是完全對(duì)應(yīng)的。然后，程序根據(jù)接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù) DATA_ LEN來(lái)決定下面的數(shù)據(jù)接收，并將接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在從80H開(kāi)始的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，以備下一步的處理。最后，進(jìn)入校驗(yàn)和的接收，將程序計(jì)算所得的校驗(yàn)和與上位機(jī)傳輸?shù)男ｒ?yàn)和作比較，如果不等，回傳"X"字符，通知上位機(jī)進(jìn)行異常處理；如果相等，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的命令執(zhí)行。 3.3 命令的執(zhí)行 命令解釋和執(zhí)行的源代碼和反匯編程序如下： 源程序 反匯編程序 FCBF E5 35 RUN_MODE: MOV A,DATA_MODE ;35H數(shù)據(jù)操作類(lèi)型 FCC1 23 RL A ;A=A*2 FCC2 90 FC C6 MOV DPTR,#BASE_ADDR ;程序散轉(zhuǎn) FCC5 73 JMP @A+DPTR FCC6 81 D4 BASE_ADDR: AJMP PRO_DATA ;00=傳送編程數(shù)據(jù)并完成編程 FCC8 81 F8 AJMP SEND_CHAR_OK ;01=傳文件結(jié)束符 FCCA 81 FE AJMP SETUP_FOSC ;02=指定振蕩器頻率 FCCC A1 70 AJMP MPRO_DAT ;03=雜項(xiàng)編程功能 FCCE A1 04 AJMP READ_CHECK ;04=顯示指定地址段FLASH數(shù)據(jù)或查空 FCD0 A1 9F AJMP READ_DATA ;05=各種讀功能 FCD2 A1 B3 AJMP SETUP_BPS ;06=直接裝載波特率 在正確地接收命令后，通過(guò)DATA_MODE項(xiàng)（即命令格式中的RR）來(lái)判斷功能并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的程序。程序中對(duì)每一個(gè)跳轉(zhuǎn)地址都作出了相應(yīng)的注釋。 4 幾點(diǎn)說(shuō)明 ① 上述帶源代碼的程序均是Boot ROM中反匯編得來(lái)的，并且大部分是連續(xù)的。這一點(diǎn)可以從地址分布上看出來(lái)，讀者可以將其合并在一起看，相信可以加強(qiáng)理解。有興趣的讀者也可以參照以上給出的方法將全部代碼讀出，電路圖和源程序幾乎都不必重編了。 ② Boot ROM中既包括了ISP的程序，也包括了IAP的程序。限于篇幅，只給出了ISP的部分源程序，部分子程序只作了說(shuō)明而未列出源程序。 |
