基于Power PC系列处理器的BootLoader设计与应用

李兴国，周 荣，李 旭

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 概述

BootLoader 技术是应用在Flash 程序存储器的一种编程模式。它可以在应用程序正常运行的情况下，通过调用特定IAP 程序对另外一段Flash 空间进行读与写操作，这样就可以按照传入数据重新配置Flash 空间，从而实现对MCU 程序的更新。相较使用JTAG 工具的传统烧录方法，这种技术为铁路现场固件升级带来了更大的灵活性。

在实际应用中，需要在编译器上开发2 个固件程序：BootLoader 程序和用户程序。首先必须使用烧录工具下载BootLoader 代码，用户代码可以使用BootLoader 代码IAP 功能下载，也可以使用烧录工具下载，一般在现场应用中都使用BootLoader更新用户程序。这两部分项目代码需要同时烧录在 Flash 中，BootLoader 程序用于更新用户程序，用户程序用于实现具体应用。单片机上电进入BootLoader 程序区，如果收到更新程序指令，则对APP 区的程序进行改写操作。如果未收到更新程序指令，程序指针跳到APP 区，开始执行放在APP 区的程序，这样便实现了升级程序的功能。传统使用BootLoader 更新固件程序，大致流程如下。

1)当给芯片上电后，首先执行BootLoader 程序。

2)检查是否需要更新用户代码。

3)如果不需要更新，执行原用户程序。

4)如果需要更新，擦除用户程序区，写入新用户程序，并执行新用户程序。

BootLoader 是以从串口上接收更新标志后进入烧写程序状态的。进入烧写程序状态后，BootLoader 程序做的第一件事情就是擦除原用户程序的空间。如果在程序升级过程中，发生掉电或者通信连接断开的情况，单片机就会处于新程序未更新完毕，原程序已丢失的情景，导致程序更新失败。

为解决这个问题， 本文提出一种解决方法，在Flash 空间划出一个区域用于备份用户程序，MCU进入BootLoader 引导程序后，在收到更新程序指令时，先将程序写入备份区，写入完成后置位待更新标志Upsig，通知MCU 需要更新程序，然后再将备份区程序写入用户程序区，写入完成后清零待更新标志Upsig。因此在每次进入BootLoader 程序，通过读取Upsig 值用来判断是否需要更新程序，相较于传统BootLoader 下载程序的方法，本文提出的方法可以降低风险，保障下载程序的完整性。

2 下载系统硬件构成

基于在C3+ATO 项目的应用中，所述下载系统包括：远程控制模块、通信模块、程序下载控制模块、存储模块，功能结构框如图1 所示。远程控制模块用于提供交互式操作入口，通过交互式操作入口控制所述程序下载，控制模块执行下载流程，远程控制终端为SecureCRT 终端软件。通信模块将系统与所述远程控制模块相连接，本应用使用串口通信。程序下载控制模块包括：下载单元和执行单元，下载单元用于下载应用程序到所述存储模块，执行单元用于执行或更新应用程序。嵌入式系统的处理器是Power PC 系列处理器。

图1 下载系统功能结构框图Fig.1 Block diagram of functions of download system

2.1 CPU模块结构设计

在本应用中使用的硬件环境如下：MCU 选用Freescale 公司的处理器MPC8323E，闪存采用16 M Flash，内存采用2 GB DDR2，设置串口波特率230 400。硬件结构框如图2 所示。

图2 CPU模块硬件结构框图Fig.2 Block diagram of hardware of CPU module

在本应用中，MCU采用Freescale公司的MPC8323E 微处理器， 具有强大的功能。MPC8323E 是Freescale 公司PowerQUICC ™ II Pro 系列的微处理器，此系列微处理器在Power Architecture 架构的e300c2 内核基础上，配置单RISC 版本的QUICC Engine ™通信引擎形成MPC8323E 网络功能的核心，最高可达300 MIPS处理能力。

2.2 Flash存储区分割

根据前面的介绍，需要将Flash 存储分为4 部分：第1 部分为BootLoader 程序区，第2 部分为BootLoader 参数区，第3 部分为应用程序区，第4 部分分配为应用程序备份区。如图3 所示，将Flash 分区划分为如下4 个部分：BootLoader 程序区用于存储引导程序，BootLoader 参数区用于存储程序更新参数， 应用程序备份区用于备份应用程序，应用程序区用于存储应用程序。Flash 空间分布如图3 所示。

图3 Flash空间分布图Fig.3 Distribution of FLASH storage area

首次使用系统时，通过专用JTAG 下载器将BootLoader 程序下载到Flash 存储的0x00000000～0x000BFFFF 区 域，BootLoader。BootLoader 程序烧制完成后，系统上电启动，MCU 从地址0x00000000 开始运行BootLoader程序，通过USB 向远程终端secureCRT 发送交互信息。程序更新完毕后，CPU 直接跳转至应用程序区0x00100000 地址，运行应用程序。

2.3 YModem协议简介

本应用通过串口通信使用YModem 协议进行文件传输， 通过secureCRT 远程控制终端选择YModem 传输文件模式。YModem 协议是由XModem 协议演变而来的，具有快速，稳定传输的优点。每包数据可以传输1 024 Byte，同时支持多文件传输，也就是批文件传输，是一个非常高效的文件传输协议。发送数据时使用CRC 校验，保证数据传输的正确性。它每传输一个信息块数据时，就会等待接收端回应ACK 信号，接收到回应后，才会继续传输下一个信息块，保证数据已经全部正确接收。

3 BootLoader程序设计

BootLoader 是嵌入式系统在上电后执行的第一段代码，用于完成CPU 和相关硬件的初始化之后，更新应用程序，再将应用程序装到内存中运行。本实例中，BootLoader 用于与远程控制终端的交互，执行应用程序下载、应用程序备份、应用程序更新和应用程序启动执行。

预先使用专用下载器将BootLoader 程序烧录进Flash 指定空间，给系统上电后，MCU 首先进入BootLoader 程序，系统启动后进入预定时间的倒计时；若所述预定时间的倒计时结束且系统没有接收到预定输入，获取参数区升级标志。若为“1”，则系统进入下载模式第二步。若为“0”，则系统进入执行应用程序流程；若所在述预定时间的倒计时结束前，系统接收到预定的第一键入信息，则系统进入配置模式；在配置模式下，若系统接收到预定的第二键入信息，则系统进入执行原应用程序流程；在配置模式下，若系统接收到预定的第三键入信息，则系统进入应用程序下载模式；在下载模式下，第一步先擦除备份区数据，再将接收数据写入备份区，置位参数区升级标志Upsig；第二步先擦除应用区数据，再将备份区数据写入应用区，清零参数区升级标志Upsig，升级过程完成，系统进入执行应用流程。升级过程程序流程如图4 所示。

4 结论

本文介绍的升级程序方法不需要专用下载器、专用开发环境，不需要对下载软件进行下载地址设置、Flash 擦除，不需要拔出插入板卡等，给程序下载带来很大便利性，解决了Power PC 系列处理器在线升级不方便的问题，提高了列车自动运行系统的开发及测试效率。同时，本方法设置有安全下载控制，避免了下载遇到突发情况时，系统执行错误的目标应用程序，提高系统运行安全性。且下载完成后可以直接执行，提高了效率。

图4 程序流程图Fig.4 Program flowchart