引言
Bootloader是操作系統在內核運行之前運行的一段小程序，其功能主要是完成軟硬件設備初始化，建立內存空間映射，從而將系統的軟硬件環境帶到一個合適的狀態，或者加載操作系統映像文件實現系統軟件升級。針對PIC18系列單片機，目前市面上僅存在HI-TECH公司提供的Bootloader程序，并且需要借助串口調試助手。本文基于Microchip公司的MPLAB軟件開發環境設計了一種新穎的Bootloader，并配套編寫了PC機端上位機界面程序。其特點是控制靈活，使用便利，系統升級安全可靠。
1 Bootloader的實現
1．1 Bootloader的操作模式
Bootloader在單片機上電／復位后、用戶程序之前先運行，運行后判斷當前是否需要進入升級狀態。如果不需要升級，就直接運行原有的程序；如果需要升級，首先擦除舊的程序，然后從串口接收用戶程序，同時寫入Flash中。Bootloader有2種操作模式：
①啟動加載模式，也稱為“內核啟動”模式。即Bootloader從目標機上的某個固態存儲設備上將操作系統加載到RAM中運行，整個過程并沒有用戶的介入。
②下載模式。在這種模式下，目標機上的Bootloader將通過串口、網絡連接或者USB等，從上位機下載操作系統文件，然后保存到目標機上的Flash類固態存儲設備中。Bootloader的這種模式通常在第一次安裝內核與根文件系統時被使用，此外，以后的系統更新也會使用Bootl-oader的這種工作模式。
本文設計的Bootloader同時支持這兩種工作模式，一開始啟動時處于正常的啟動加載模式，但并不立即啟動進入內核，而是提示延時3 s，上位機用戶如果發送某些信息給目標機，則切換到下載模式，否則繼續啟動內核。
1．2 Intel HEX文件
Intel HEX文件是由一行行符合Intel HEX文件格式的文本所構成的ASCII文本文件。在Intel HEX文件中，每一行包含一個HEX記錄。這些記錄由對應機器語言碼和／或常量數據的十六進制編碼數字組成。每個記錄包含5個域：數據長度域，它代表記錄當中數據字節的數量；地址域，它代表記錄當中數據的起始地址；代表HEX記錄類型的域；數據域，它代表一個字節的數據，一個記錄可以有許多數據字節，記錄當中數據字節的數量必須和數據長度域中指定的數字相符；校驗和域，它表示這個記錄的校驗和，通過將記錄當中所有十六進制編碼數字對應的值相加，模除256，所得余數的補碼即校驗和。
1．3 Bootloader的設計
本文所設計的Bootloader程序采用的編譯器是MPLAB軟件開發環境的mcc18編譯器，升級文件格式為Intel HEX格式。根據Intel HEX文件的格式，將文件內容的每一行封裝成一幀，加上幀頭和幀尾以確保數據傳輸的可靠性，并采用半雙工的通信模式，對錯誤幀進行重傳。
主程序代碼如下：
主程序流程如圖1所示。下載系統映像文件并寫入程序存儲器的程序流程如圖2所示。
1．4 PC端操作界面的設計
PC端操作界面主要用來實現以下幾個功能：
①串口參數設置。設置串口通道號、數據位數、波特率等參數。
②用戶登錄。輸入用戶名、密碼，與下位機進行驗證。
③選擇系統映像文件。選擇系統映像HEX文件，逐行讀入并通過串口發送給下位機，如有錯誤重新選擇。
④提示用戶系統更新完成(或失敗)。顯示系統更新進度，提示用戶系統更新結果。
2 設計中的幾項關鍵技術及注意事項
①如果一次性將HEX文件中全部數據通過串口發送給目標芯片，則在通信過程中發生一字節的錯誤傳輸，就將導致全部數據需要重新發送；并且還要考慮到芯片的寫Flash處理速度與串口速率的大小關系，否則將導致接收數據的丟失。為加強通信的可靠性與串口速率的可變性，本文所設計的Bootloader采用半雙工的通信模式與上位機進行通信：以HEX文件的一行作為一幀數據，每幀數據校驗結束后向上位機發送回復數據，上位機根據回復數據判斷發送數據幀的正誤來選擇重發或繼續發送下一幀；并且在進行升級之前與上位機通信進行用戶名和密碼的核對，以確保當前的升級操作不是誤操作。
②對PIC18系列的程序存儲器的寫操作每次寫入8字節的塊，并且程序Flash單位寫入只能由1變為0。但是HEX文件的內容并不是按照需要生成的，每幀的數據長度可以不同，相鄰幀的地址域的內容也可以不同。為此，在對程序存儲器進行寫操作時，需要根據地址域內容將數據域內容以8字節為單位合并成數據塊，不足8字節的要填充0xFF。本文所設計的Bootloader程序采用一個環形Buffer的結構體來實現這一操作：
③芯片的默認中斷向量的起始是0x08和0x18，這是不能改變的，要想改變中斷向量入口地址就要在這兩個地址位置添加跳轉指令，以跳轉到用戶程序的中斷向量入口地址。PIC18系列的程序存儲器的部分地址區域具有寫保護性，為防止此區域之外的Bootloader程序被擦除或改寫，需要對接收數據的地址域內容進行判斷。如果小于用戶程序起始地址，則需要向上位機回復“寫地址錯誤”，并丟棄當前數據幀。
結語
實驗證明，本文設計的Bootloader功能穩定，且控制方便，可根據用戶的需要靈活改變。譬如，在用戶程序中添加系統復位機制即可實現在線升級，為PC端操作界面添加網絡下載模塊即可實現遠程控制系統升級，這對于嵌入式產品的發布和軟件升級極其重要。