单片机系统Flash存储器在系统编程设计

随着排放法规的加严,发动机电子控制单元(ECU)成为了现代汽车中一个必备部分。在发动机控制单元这种单片机系统中,Flash存储器已成为其一个基本配置,主要用来存放控制程序代码。

将程序代码装入Flash存储器的方法有3种:第1种方法是要求供应商在存储器发货前将数据写入,但无法满足产品开发阶段修改程序的要求;第2种方法是使用编程器编程,但由于Flash存储器正在向小型化、贴片式发展,从而使Flash存储器难以利用编程器编程;第3种方法是将存储器安装到电路板上进行编程,即在系统编程(In System Programming,ISP),这种编程方式是通过系统的微处理器实现对Flash存储器的编程,不需要其他编程设备和附加编程电源,具有灵活、方便的优点。因此,在设计发动机控制单元时,结合M68HC11上电引导程序设计实现了存储器AM29F010B的在系统编程。

1　Flash存储器的在系统编程技术

AM29F010B是AMD公司生产的Flash存储器,这种Flash存储器编程简单。此芯片仅需5V单电源供电便可使内部产生高电压进行编程和擦除操作。用户只需向其命令寄存器写入标准的微处理器指令,具体编程、擦除操作便由内部电路实现。

在编写程序时需要注意,由于只有擦除指令能使“0”变为“1”,擦除结果为“1”;而编程指令不能使“0”写为“l”,所以用户在进行Flash存储器编程时,应先擦除,再进行编程。

2　M68HC11与上电引导模式(Bootstrap Mode)

M68HC11是由Motorola公司推出的微处理芯片(Microcontroller Unit,MCU),由于其优越的性能,目前在发动机控制领域有着广泛地使用。M68HC11具有一种上电引导模式,使得用户程序可以通过串行接口(SCI)下载到内部的RAM区中,然后将M68HC11转到用户程序中执行。下载的程序可以像任何普通用户程序一样运行。虽然上电引导模式是一种单芯片模式,但是在这种模式下可以改变模式控制字,因此同样可以访问外部资源。

硬件的模式选择通过MCU复位时MODA和MODB管脚进行控制,MODA和MODB的逻辑状态在RESET管脚电平变高之前被锁存。当RE2SET管脚变高后,模式选择管脚对MCU的运行模式不再起作用。复位时如果MODA和MODB管脚全为低电平,则MCU进入上电引导模式。

3　在系统编程的实现

3.1　硬件方案
为了通过M68HC11对AM29F010B进行在系统编程,除了基本组件的设计之外,本系统在硬件方面做了以下准备:
1)为了能够从计算机上下载程序代码,即与计算机进行通讯,本系统设计了MAX232进行TTL电平和RS232电平的转换;
2)为了使MCU开机或者复位能够进入上电引导模式,需要在MODA和MODB管脚处设计跳线,使复位时为低电平。硬件方案简图见图1。

图1　硬件方案

3.2　在系统编程的软件方案
当单片机复位进入上电引导模式后,会自动进行串口的初始化等操作,然后通过串口接收程序,放到RAM内,并自动跳到此程序执行。设计中依靠这个程序实现对外部Flash存储器的编程。

3.2.1　单片机程序
此程序需要下载到M68HC11内部RAM中,在引导程序完成后开始执行。在本系统中用于实现与计算机继续通讯接收程序代码,并且用接收的代码对外部Flash存储器AM29F010B进行编程。

程序的执行过程为1)进行初始化操作;2)等待开始字节“W”;3)等待编程开始地址;4)擦除Flash EPROM,并发送擦除后的地址FFFE和FFFF处数据;5)接收二进制数据,执行编程操作;6)发送AA表明编程成功,并开始执行外部程序。由于M68HC11的RAM只有256个字节,因此程序用汇编语言进行编写,下面是其中几个子程序。

/3初始化,程序在RAM地址中存放,将单片切换到扩展模式,并设置波特率96003/
ORG＄0
START　LDS　#＄FF
LDX #＄1000
BSET hprio,X,#00100000B
BCLR hprio,X,#00010000B
BCLR hprio,X,#01000000B
LDAA #00110000B
STAA BAUD
/3片擦除子程序3/
ERASE_FLASH　　ldab　　　#＄AA
stab　　＄555
ldab　　#＄55
stab　　＄2AA
ldab　　#＄80
stab　　＄555
ldab　　#＄AA
stab　　＄555
ldab　　#＄55
stab　　＄2AA
ldab　　#＄10
stab　　＄555
rts
/3编程子程序3/
FlashProgByte　　ldab　　#＄AA
stab　　＄555
ldab　　#＄55
stab　　＄2AA
ldab　　#＄A0
stab　　＄555
staa　　X

这是根据AM29F010B编程的时序要求编写的程序,其时序见表1、表2。

3.2.2　计算机程序
计算机程序的任务是负责与单片机系统进行通讯,把要在单片机RAM内运行的用户程序代码和需要装入Flash存储器内的代码传给单片机系统,并监视单片编程过程的执行,及时反馈编程信息。

在本系统中采用C语言进行计算机编程,由于单片机上电引导程序需要的数据信息是二进制格式,因此根据上面的汇编程序编译后的结果制作一个数据数组,每1个单元存放1个字节的数据。

关于监视单片机的编程过程,本系统没有采用复杂的状态位检查机制,而是采用了一种简单的方法。当单片机对1个地址写入数据后再读出其中内容,如果与原来数据不同,则在此处反复执行读操作。计算机程序发出数据后便监视串口,如果一定时间内在串口处没有返回数据,则视为超时,编程失败。计算机程序流程见图2。

图2　计算机程序流程图

4　结束语

本文结合M68HC11上电引导功能,介绍了利用在系统编程技术将程序代码编写到Flash存储器中的方法,给出了相应环节的程序流程图和部分操作的程序示例。将这种方法应用在发动机控制系统的开发中,使得编程非常方便,加快了项目的进度,缩短了开发的周期。相信这种方法在其他领域也可以得到广泛地应用。