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单片机片内存储器烧写

出处:eefocus 发布于:2018-05-07 | 149 次阅读

  单片机应用系统由硬件和软件组成,软件的载体是硬件的程序存储器,程序存储器采用只读存储器,这种存储器在电源关闭后,仍能保存程序,在系统上电后,CPU可取出这些指令重新执行。只读存储器(Read Only Memory,ROM)中的信息一旦写入,就不能随意更改,特别是不能在程序运行过程中写入新的内容,

  故称只读存储器。向ROM中写入信息称为ROM编程。根据编程方式不同,

  掩模ROM.

  在制造过程中编程,是以掩模工艺实现的,因此称为掩模ROM。这种芯片存储结构简单,集成度高,但是由于掩模工艺成本较高,只适合于大批量生产。

  可编程ROM(PROM).

  芯片出厂时没有任何程序信息,用独立的编程器写入。但是PROM只能写一次,写入内容后,就不能再修改。

  EPROM.

  用紫外线擦除,用电信号编程。在芯片外壳的中间位置有一个圆形窗口,对该窗口照射紫外线就可擦除原有的信息,使用编程器可将调试完毕的程序写入。

  E2PROM(EEPROM).

  用电信号擦除,用电信号编程。对E2PROM的读写操作与RAM存储器几乎没什么差别,只是写入速度慢一些,但断电后仍能保存信息。

  Flash ROM.

  闪速存储器(简称闪存),是在EPROM和E2PROM的基础上发展起来的一种电擦除型只读存储器。特点是可快速在线修改其存储单元中的数据,改写次数达一万次(ROM都有改写次数),读写速度快,存取时间可达70ns,而成本比E2PROM低得多,因此正逐步取代E2PROM。

  注意:更多存储器内容请参考,《电子技术基础》数字部分(第五版) 主编 康华光. 第七章,或者 电工学(第七版)(下册) 主编 秦曾煌 第22章.

  烧写器、烧录器、编程器、下载器、仿真器、调试器

  单片机编程器(烧写器、烧录器)是用来将程序代码写入存储器芯片或者单片机内部的工具。编程器主要修改只读存储器中的程序,编程器通常与计算机连接,再配合编程软件使用。如下图所示是一个典型的编程器外形。图中黑色的是集成电路插座(也有下载编程器,不用取下芯片,涉及ISP、ICP,后面有介绍),通过拨动手柄可以将置于其中的集成电路芯片锁紧或松开。编程时锁紧以保证接触好,编程完毕松开,可以更换下一片芯片。

    当芯片是双列直插形式时,直接插在座子上就可以烧写了,但是如果遇到下图所示的各种封装形式的芯片,又如何烧写呢?一种方法是使用适配器,下图是各种封装芯片所使用的适配器。 

 

  下载器(下载线)是将编译好的机器码写进单片机的工具。程序经过编译生成目标代码,然后通过下载软件和下载器下载到单片机的ROM或者Flash中。下载器主要来控制编程时序等。

  仿真器(调试器)指以调试单片机软件为目的而专门设计制作的一套专用的硬件装置。单片机在体系结构上与PC机是完全相同的,也包括中央处理器,输入输出接口,存储器等基本单元,因而与PC机等设备的软件结构也是类似的。因为单片机在软件开发的过程中需要对软件进行调试,观察其中间结果,排除软件中存在的问题。但是由于单片机的应用场合问题,其不具备标准的输入输出装置,受存储空间限制,也难以容纳用于调试程序的专用软件,因此要对单片机软件进行调试,就必须使用单片机仿真器。单片机仿真器具有基本的输入输出装置,具备支持程序调试的软件,使得单片机开发人员可以通过单片机仿真器输入和修改程序,观察程序运行结果与中间值,同时对与单片机配套的硬件进行检测与观察,可以大大提高单片机的编程效率和效果。(许多仿真器具有下载器的功能)

  片内Flash存储器的编程器

  Flash存储器是一种电擦除型只读存储器。它的主要特点是在不加电的情况下能长期保持存储的信息,又可快速在线修改其存储单元中的数据,其在线改写功能使单片机的程序改写和固化过程更加简便。目前很多单片机都用Flash作为片内程序存储器。当片内的Flash存储器满足要求时,不必扩展外部程序存储器。

  下面讨论如何把已经调试完毕的程序写入AT89S51单片机中的片内Flash存储器。

  AT89S51单片机片内4KB的Flash存储器的特点:

  可擦写寿命10,000次

  数据保存时间10年

  最大读取时间150ns,页编程时间10ns

  具有3级加密算法,使得AT89S系列单片机的解密变得不可能,程序的加密性大大加强

  AT89S51出厂时,Flash存储器处于全部空白状态(各单元均为FFH),可直接进行编程。若不全为空白状态(单元中有不是FFH的),应首先将芯片擦除后,方可写入程序。(某些单片机出厂前会固化在ROM中一段Bootloader代码,其作用就是在启动操作系统之前进行初始化并引导系统,并能把我们下载在存储器中的程序加载到RAM中运行然后把控制权交还给系统。就好比PC上的BIOS。ROM编程跟Bootloader没有直接关系)

  片内Flash存储器有低电压编程(Vpp=5V)和高电压编程(Vpp=12V)两类芯片。低电压编程可用于在线编程,高电压编程与一般常用的EPROM编程器兼容。在AT89S51芯片的封装面上标有低电压编程还是高电压编程的编程标志。不同的单片机的烧写电压,要视数据手册来定。

  应用程序在PC中与在线仿真器以及用户目标板一起调试通过后,PC中调试完毕的程序代码文件(.HEX目标文件),必须写入到AT89S51片内的Flash存储器中。目前常用的编程方法主要有两种:一种是使用通用编程器编程,另一种是使用下载型编程器进行编程。

  通用编程器

  通用编程器即不同的器件(比如不同的公司生产,不同架构)能普遍使用的编程器,它是编程器的功能分类下的一个子类,与之相对的是专用编程器。在硬件上,通用编程器的管脚驱动采用具有各种功能的通用结构,只需更新软件就能支持新的器件,具有很好的灵活性,满足目前和未来的器件需要。通常通用编程器锁紧座的每一个管脚可以用作时钟信号、数据总线、地址总线、控制总线、地线、电源线、VCCQ电压、VPP编程电压、管脚接触不良测量专用总线等等。驱动电压可以从1.8V-25.0V,起码分256级可调。

  下载型编程器 (自我理解)

  常见的下载型编程器

  ISPro下载型编程器、ISP编程器、ICP编程器、ISP-ICP编程器…

  几种烧写方式

  ICP(In Circuit Programing):在电路编程(单片机通电即可写入程序,包括bootloader)

  ISP(In System Programing):在系统编程(单片机通电加上晶振,有bootloader引导的情况下,即可写入应用程序)

  IAP(In Application Programing):在应用编程(单片机在正常运行的程序中,内部程序对单片机局部重写数据)

  ICP、ISP、IAP详细介绍

  ISP是指可以在板级上进行编程,而不用把芯片拆下来放到烧写器中,即不脱离系统,所以称作“在系统编程”,它是对整个程序的擦除和写入,通过单片机专用的串行编程接口对单片机内部的Flash存储器进行编程。即使芯片焊接在电路板上,只要留出和上位机接口的串行口就能进行烧写。(芯片一般固化了用来ISP升级的boot程序)

  IAP同样是在板级上进行编程,MCU获取新代码并对程序的某部分重新编程,即可用程序来改变程序,修改程序的一部分达到升级、消除bug的目的,而不影响系统的其它部分,烧写过程中程序可以继续运行,另外接口程序是自已写的,这样可以进行远程升级而不影响应用。IAP的实现更加灵活,通常可利用单片机的串行口接到计算机的RS232口,通过专门设计的固件程序来编程内部存储器。(通常自己编写一个bootloader程序) (注: 有时候, ISP/IAP的分别并不是那么清楚!)

  ICP在电路编程,ICP (In-circuit programmer),在电路编程方法允许使用商业编程器来实现编程和擦除功能,而无需将微控制器从系统中移出,可完全由微控器硬件完成,不需要外部引导器。(百度)

  ISP、IAP应用场合

  1、ISP 程序升级需要到现场解决,不过好一点的是不必拆机器了。

  2、IAP 如果有网管系统的话,用网管下载一切搞定,人不用跑来跑去。

  在线编程目前有两种实现方法:在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)。ISP一般是通过单片机专用的串行编程接口对单片机内部的Flash存储器进行编程,而IAP技术是从结构上将Flash存储器映射为两个存储体,当运行一个存储体上的用户程序时,可对另一个存储体重新编程,之后将控制从一个存储体转向另一个。ISP的实现一般需要很少的外部电路辅助实现,而IAP的实现更加灵活,通常可利用单片机的串行口接到计算机的RS232口,通过专门设计的固件程序来编程内部存储器。 ISP和IAP很相似,都是不需要把芯片从板子上拔出来,就达到了用PC-MCU的编程接口(JTAG、串口、双绞线、SPI等)搞定新版本的升级的目的。MCU内部都是首先执行一段独立的Boot代码(这段Boot代码一般是出厂预置,或使用编程器烧录的,通常只有1k或4k,SST通常是占用一块独立的Block,Philips通常是让BootROM地址与其他Flash重叠,以达到隐藏的效果),Boot负责控制擦除程序存储器及给程序存储器编程的代码(或是处理器外部提供的执行代码),然后通过某种与PC计算机的通信方式(如,ether网口),将用户指定的某个在PC上

  编译完成的MCU可运行的二进制代码文件编程入MCU内的程序存储器。

  IAP的实现

  通常在用户需要实现IAP功能时,即用户程序运行中作自身的更新操作,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)接收程序或数据,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。这两部分项目代码都同时烧录在User Flash中,当芯片上电后,首先是第一个项目代码开始运行,它作如下操作:

  1)检查是否需要对第二部分代码进行更新

  2)如果不需要更新则转到4)

  3)执行更新操作

  4)跳转到第二部分代码执行

  第一部分代码必须通过其它手段,如JTAG或ISP烧入;第二部分代码可以使用第一部分代码IAP功能烧入,也可以和第一部分代码一道烧入,以后需要程序更新是再通过第一部分IAP代码更新。

  对于STM32来说,因为它的中断向量表位于程序存储器的最低地址区,为了使第一部分代码能够正确地响应中断,通常会安排第一部分代码处于Flash的开始区域,而第二部分代码紧随其后。

  在第二部分代码开始执行时,首先需要把CPU的中断向量表映像到自己的向量表,然后再执行其他的操作。

  STM32 正常的程序运行流程:

    当加入 IAP 程序之后,程序运行流程:

  从第二个图,STM32 复位后,还是从 0X08000004 地址取出复位中断向量的地址,并跳转到复位中断服务程序,在运行完复位中断服务程序之后跳转到 IAP 的 main 函数,如图标号①所示,此部分同图 53.1.1 一样;在执行完 IAP 以后(即将新的 APP 代码写入 STM32的 FLASH,灰底部分。新程序的复位中断向量起始地址为 0X08000004+N+M),跳转至新写入程序的复位向量表,取出新程序的复位中断向量的地址,并跳转执行新程序的复位中断服务程序,随后跳转至新程序的 main 函数,如图标号②和③所示,同样 main 函数为一个死循环,并且注意到此时 STM32 的 FLASH,在不同位置上,共有两个中断向量表。

  在 main 函数执行过程中,如果 CPU 得到一个中断请求,PC 指针仍强制跳转到地址

  0X08000004 中断向量表处,而不是新程序的中断向量表,如图标号④所示;程序再根据我们设置的中断向量表偏移量,跳转到对应中断源新的中断服务程序中,如图标号⑤所示;在执行完中断服务程序后,程序返回 main 函数继续运行,如图标号⑥所示。通过以上两个过程的分析,我们知道 IAP 程序必须满足两个要求:

  1) 新程序必须在 IAP 程序之后的某个偏移量为 x 的地址开始;

  2) 必须将新程序的中断向量表相应的移动,移动的偏移量为 x;

  如果IAP程序被破坏,产品必须返厂才能重新烧写程序,这是很麻烦并且非常耗费时间和金钱的。针对这样的需求,STM32在对Flash区域实行读保护的同时,自动地对用户Flash区的开始4页设置为写保护,这样可以有效地保证IAP程序(第一部分代码)区域不会被意外地破坏。

  ISP与ICP的差别

  For ISP

  (1) MCU必须处于可执行程序的状态 (除了上电, 还要接XTAL), 且必须预烧ISP-code在LDROM里面

  (2) 烧录范围只限于APROM, DataFlash或CONFIG (但对使用者来说, 应经够了!)

  (3) chip在LOCK的状态下, 仍然可以只更新某一区块 (APROM, DataFlash或CONFIG)

  (4) 因为烧录的动作取决于ISP-code的写法, 所以给系统设计者的弹性较大

  For ICP

  (1) MCU只要处于上电状态即可, 不必预烧任何code在MCU里面

  (2) 烧录范围涵盖整颗MCU, 包括 APROM, DataFlash, CONFIG, LDROM 和 ROMMAP

  (3) chip在LOCK的状态下, 无法只更新某一区块, 只能在erase-ALL之后, 更新某一区块, 再逐一烧回其它区块(因为ICP的本质就是走串行接口的Writer Mode, chip被LOCK之后, 除了erase-ALL, 所有烧录动作皆会被禁止)

  (4) 因为烧录纯粹是ICP硬件的行为, MCU无法自己更新自己, 所以给系统设计者的弹性较小(例如: 无法藉由ICP去实现IAP的功能)

  ISP与ICP的使用场合

  依这两者的特性, 配合客户的系统需求, 而后才建议客户使用ISP或ICP.

  注:上述差别的第(3)点和第(4)点, 可能是ICP带给使用者的最大限制. 站在使用者的观点, 若ISP与ICP只能择一的话, ISP会是必要的选择。

  ISP、IAP、ICP与传统烧写方式的区别

  1)在开发阶段

  改code时, 不再需要将MCU从板子上拔起来, 拿到烧录器上烧, 然后再装回去. 可以直接利用ISP/ICP Programmer做板上烧录, 为开发者提供了极大的便利性.

  2)在量产阶段

  客户可以采用”先焊到板子上再烧code”的方式, 将烧code的动作安排在生产线的某一站.

  那么传统的方式 (先将code烧好再焊到板子上)有什么缺点?

  传统的方式是这样的: 拆封–>从tray盘取出chip–>烧录–>把chip放回tray盘.

  这样的流程比起上面建议的方式: 增加了烧录时间, 容易造成QFP包装的chip弯脚, 或忘了烧code即放回tray盘.

  3)在成品阶段

  已组装好的成品若要改code, 可以透过预留的接口, 利用ISP或ICP, 更新MCU, 不需要拆机。


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