MSP430單片機簡介

TI公司的MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器,它采用16位精簡指令集,集成了16個通用寄存器和常數發生器,極大的提高了代碼的執行效率；簡潔的27條內核指令方便學習;同時靈活的時鐘源選擇可最大限度的延長電池壽命。MSP430系列單片機的不同型號針對不同應用領域，集成了豐富的外圍模塊，包括: 看門狗(WDT)、定時器A(Timer-A)、定時器B(Timer-B)、比較器、串口0、1(USART0、1)、硬件乘法器、液晶驅動器、8路12/16位ADC、端口、基本定時器(Basic Timer)。

由于其杰出的低功耗設計和豐富的片上外圍模塊，使其非常適合于要求低功耗，高性能的嵌入式智能系統中。

MSP430程序升級方式

對MSP430系列單片機進行編程的方式有以下三種：利用JTAG接口，利用BSL固件和利用用戶自定義的升級固件。由于利用自定義升級固件進行程序升級的方式比較靈活，并且用途廣泛，本文將對它作重點介紹。

1. 利用JTAG接口

MSP430系列的單片機都集成了JTAG接口,該接口實現了遵循IEEESTD1149.1規定的測試訪問端口狀態機(TAP Controller)。它使用一個四線串行接口(TEST用于引腳較少的芯片)。數據或指令從TDI(測試數據輸入)移入；串行數據從 TDO(測試數據輸出)移出； TCK(測試時鐘)作為時鐘信號輸入；TMS(測試模式選擇)信號控制TAP 控制器的狀態。利用該接口可以移入指令和數據，從而控制目標芯片的地址線和數據線，達到讀寫目標芯片FLASH和仿真調試的目的[1]。另外TI現在推出了新型的調試接口―SPY-BI-WIRE，它采用兩線制，其中一根為數據線（雙向），一根為時鐘線。

利用該接口的優點是不需要設計額外的電路和程序，采用仿真器即可下載程序。缺點是一旦用戶為了保證代碼的安全，燒斷了JTAG的熔絲，那么就永久性的破壞了該接口，也就不能再使用該接口了。

2.利用BSL接口

BSL是 Bootstrap Loader的縮寫，中文名稱是程序裝載器。它實質是固化在芯片中的一段通信程序（占用0C00h-1000h的地址空間），利用它可實現對FLASH的擦除和讀寫。由于其是固化在芯片中的，因此不必擔心其被更改或丟失。

該接口使用5根線：GND，TX（P1.1/P1.0），RX（P2.2/P1.1），RST，TCK（TEST），在RST和TCK（TEST）加特定的電平時序信號，即可啟動BSL程序，從而實現與目標芯片的通信。通信的字符格式是8個數據位，一個停止位和一個偶校驗位。起始波特率為9600bps（BSL 1.6版本可更改波特率到38400bps）。BSL協議要求首先接受一個80h字符用于同步時鐘，然后發送應答字符90h。接著接受8個字符，并根據命令跳轉到相應的處理例程。BSL程序的C語言描述如下

Void main()

{

Byte B，bArray[8]；

LOCKSTATE = LOCK;

InitPorts();

While(1)

{

B=ReceiveSyncByte();

SyncTimer(B);

SendAck();

For( I = 0 ; I < 8 ;i++) bArray[i] = ReceiveByte();

Switch(bArray[i])

{

0x12: //寫FLASH

For(I = 0 ; i
{

B=ReceiveByte();

If(LOCKSTATE ==UNLOCK) WriteByte(B);

}

Break;

0x10://接收口令

Receive32Byte();

If(PassWordCorrect) LOCKSTATE = UNLOCK;

Break;

0x18..0xn:

If(PassWordCorrect) DoTask();

}

If(NoError) SendNak();

Else

If(TxData) SendData();

else

SendAck();

}

其實現細節可能因版本不同而變化。若用戶想利用它來實現程序升級，可參考文[2][3]。 利用BSL程序進行升級的優點是節省代碼空間，用戶不需要實現自己的升級固件，而且現在已經有很多現成的BSL升級工具；缺點是需預留BSL接口，并且需要現場接線。


3.利用自定義升級固件

MSP430系列單片機的FLASH存儲器模塊是一個可獨立操作的物理存儲單元。全部模塊安排在同一個線性地址空間中，存儲器被分為多個512字節的段（信息段大小為128/64字節）。各段可單獨擦除，并且在正常工作電壓下程序可對FLASH進行擦寫操作，因此特別適合在線程序升級（in-system program）。

自定義升級固件就是在程序中內置一段用于升級應用程序的代碼，即可利用現有通信接口進行遠程代碼的升級。其實現原理是在目標芯片中放置2段代碼：一段為應用程序，一段為升級程序。兩者的地址段不重疊，這樣就可以利用升級程序擦除應用程序并寫入新的代碼。


3.1引導程序

復位后先進入引導程序，由它來決定進入升級程序或應用程序。引導程序的意義在于當應用程序不存在或錯誤時能直接進入升級程序，從而保證升級不成功可進行再次升級。

引導程序的描述如下

Void main()

{

While(1)

{

If(ResetVectorValid()) Application();

Updata();

}

}

其中的ResetVectorValid()函數用于檢測應用程序是否存在或是否有效。實現可以是檢測EnterApplication的入口地址是否合法，一種簡單的實現是

#define ResetVectorValid() (ResetVector !=FFFF)

其中ResetVector為應用程序的入口地址，該地址通常放在一個固定的地址中，升級程序后修改該入口地址。Application() 為應用程序，它若正常執行不會返回 , 只有在接受到升級指令后才返回。可在Application()中使用Return語句進入升級程序。

Updata()為升級程序，其入口處必須加檢測指令，以確認是正常進入升級程序。進入升級程序后，通信端應先發送擦除指令，擦除原有代碼，然后發送升級代碼更新FLASH。若是具有外部擴展存儲器或用戶程序較小，可先接收整個程序段，若校驗正確再寫入，這樣可靠性會更高。

這里有個策略就是最先擦除包含ResetVector的塊，最后寫入ResetVector的值，這樣可以盡量保證不會進入不完整的應用程序。


3.2應用程序的編寫

應用程序的編寫沒有什么大的變化，需要在通信協議中加入自定義的一個升級命令，用于進入升級程序。另外需更改鏈接文件（*.XCL），指定應用程序的地址范圍，如下以應用程序地址范圍為2500-F7DC為例（用//注釋掉的為默認的設置）

// Code

//-Z(CODE)CSTART=2500-FFDF

//-Z(CODE)CODE=2500-FFDF

-Z(CODE)CSTART=2500-F7DF

-Z(CODE)CODE =2500-F7DF

// Constant data

//-Z(CONST)DATA16_C,DATA16_ID,DIFUNCT,CHECKSUM=2500-FFDF

-Z(CONST)DATA16_C,DATA16_ID,DIFUNCT,CHECKSUM=2500-F7DF


// Interrupt vectors

//-Z(CONST)INTVEC=FFE0-FFFF

-Z(CONST)INTVEC=F7E0-F7FF

修改完畢后將該文件添加到工程。編譯后的代碼即可作為升級代碼。

3.3升級程序的編寫

新建一個工程，按如上的方法將升級代碼定位到與應用程序不重疊的區域，如F800-FFFF，此時不修改

-Z(CONST)INTVEC=FFE0-FFFF

在升級程序中將除復位中斷外的所有中斷映射到應用程序中，一種辦法是嵌入匯編，采用匯編的定位指令ORG；或者寫15個中斷影射函數，如下

//重新映射中斷向量地址

#pragma vector=0x0

__interrupt void intvec_0(void)

{

asm("br & 0F7E0h"); //假設F7E0中存放中斷15的地址

}

另外也可以采用動態確定中斷入口地址的方法，即將中斷向量地址放入約定好的RAM中，如下

__no_init void (*intvec1[16])() @ 0x200; //定義指向函數指針的數組,用于映射新的中斷向量

//重新映射中斷向量地址

#pragma vector=0x0 //

__interrupt void intvec_0(void)

{

asm("push R15");

asm("mov #0x200,R15");

asm("call @R15");

asm("pop R15");

}

然后在應用程序中進行中斷向量的映射，如

intvec1[TIMERA0_VECTOR/2]=Timer_A_0;

即在TIMERA0中斷時執行Timer_A_0（）函數。這樣做的優點是可以在運行時動態決定中斷函數的入口，即如高級語言中的虛函數（Virtual Function）。

當這兩個函數塊編寫完畢后就可以進行工程測試了。

3.4應用程序與升級程序同時完成

也許您還希望兩個函數在一個工程里完成。這時除了需要修改鏈接文件外，還需要注意以下幾點：

(1)將升級程序的所有函數定位到升級程序空間，即在函數前面加定位指令

#pragma location="UPDATECODE" // UPDATECODE為升級程序所在段的名稱

(2)修改函數返回調用的例程。當函數返回時會調用彈出寄存器的默認例程，而這些例程可能并不在升級程序的地址空間內。一種解決方法是利用編譯環境生成的LST文件（匯編代碼），逐個修改函數返回時調用的彈出寄存器例程，這樣就可以保證兩者代碼獨立。這樣做的缺點是每次更改C語言代碼后，就要重新修改匯編代碼，比較繁瑣。另一種方法是考慮到升級程序所做的就是接受和發送數據，一般不需要使用中斷。這樣就可以在升級函數前面加入__monitor 編譯指令，指明該函數為原子操作。這類函數入口處先壓入SR并禁止中斷，返回時使用RETI返回，此時編譯器并不調用例程彈出保存的寄存器，而是根據進棧情況逐個彈出寄存器。

（3）更改SWITCH語句。使用SWITCH語句時編譯器也會產生默認例程調用，很難屏蔽掉，故只有將SWITCH修改為多個判斷語句。

結語

本文對MSP430系列單片機的升級方案作了詳細的介紹，讀者只要按照一定的步驟，就可以輕松實現遠程程序升級，這在實際應用中具有重要的意義。并且本文的升級方法并不極限于MSP430系列，它也可以應用到類似單片機系列中。


參考文獻

1 《Programming a Flash-Based MSP430 Using the JTAG Interface》Literature no. SLAA149

2 《Features of the MSP430 Bootstrap Loader》 Literature no. SLAA089A

3 《Application of Bootstrap Loader in MSP430 With Flash Hardware and Software Proposal》Literature no. SLAA096B

4 《MSP430 Family Mixed-Signal Microcontroller Application Reports》Literature no. SLAA024

5 《MSP430 IAR C/C++ Compiler Reference Guide》

6 劉宏志　謝利理.《FLASH單片機自編程技術的探討》 單片機與嵌入式系統應用 2004.3