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W78E516及其在系统编程的实现 |
| 发布时间:2004年12月25日 点击次数:691 |
| 来源:单片机与嵌入式系统应用 作者:崔冬建 王立德 史大北 |
摘要：近年来,在系统编程（ISP）技术的不断发展和成熟,使得硬件设计逐步软件化,硬件结构的通用性日益增强,系统设计、生产、维护、升级等环节都发生着深刻的变革。本文以WINBOND公司的W78E516为例介绍ISP器件的结构及其在系统编程原理。 关键词：W78E516在系统编程微控制器 使用传统方法对CPU重新编程存在诸多不便, 一、W78E516的结构 W78E516是一种8位微控制器,内部含有在系统可编程的MTP-ROM,用于系统更新。W78E516与标准的8052完全兼容。 1. 特征 (1) 全静态设计,最高工作频率为40MHz。 (2) 64KB APROM存储应用程序和4KB LDROM存储控制ISP操作的程序。2块存储器均为MTP-ROM。 (3) 512字节的片内RAM（包括256字节AUX-RAM,可由软件选择）内部数据RAM有512字节。它分成2个存储单元：256字节高速暂存和256字节辅存。这些地址有不同的确定方式： ① RAM 0H~127H：同8052一样直接或间接寻址,地址指针是被选中的寄存器单元中的R0和R1。 ② RAM 128H~255H：同8052一样只能间接寻址,地址指针是被选中的寄存器单元中的R0和R1。 ③ AUX-RAM 0H~255H：采用外部数据存储器的方式间接寻址, (4) 程序存储器和数据存储器可寻址空间范围为64KB。 (5) 4个8位双向口：P0~P3,1个4位双向多用途编程口P4。 (6) 3个16位的定时器/计数器：T0,T1,T2。T0和T1功能与8051相同。T2是一个16位定时器/计数器,它由T2CON配置和控制。T2能作为外部时钟计数器,也能作为内部定时器,这取决于T2CON的C/T2位的配置情况。T2有3种操作方式：清零、自动重写、波特率发生器。在清零和自动重写方式时,时钟频率与T0和T1相同。 （7） 具有一个全双工串行口。 （8） 具有6个中断源和2级中断能力。 （9） 内部电源管理：空闲方式和掉电方式,这两种方式可由软件选择。 （10） 具有编程后的编码保护功能。 2. 与ISP操作相关的特殊功能寄存器 （1） 在系统编程控制寄存器CHPCON（BFH）功能如表1所列。
（2） 编程状态下MTP-ROM的控制字节寄存器SFRCN（C7H）功能如表2所列。
(3) SFRAH,SFRAL：在系统编程状态下的目标地址。SFRAH包含地址的高位字节;SFRAL包含地址的低位字节。 （4） SFRFD：编程状态下MTP-ROM的编程数据。 二、W78E516的在系统编程方法 1. ISP操作实现过程 微控制器通常执行APROM中的程序。如果APROM中的程序需要修改,用户需要通过设置CHPCON寄存器来激活在系统编程模式。在默认情况下,CHPCON是只读的,必须依次向寄存器中写入#87H和#59H,才能使CHPCON的写特性有效。激活CHPCON的写特性后,在其0位置位,进入在系统编程模式。ISP操作包括进入/退出在系统编程模式、编程、擦除、读等,它们是在CPU处于空闲模式时完成的,因此,设置CHPCON寄存器后使CPU进入空闲模式,并由定时器中断的发生来控制执行每一种ISP操作的时间。定时器中断到来时,转入LDROM中执行相关的中断服务程序。第一次执行RETI指令后, PC指针清零,指向LDROM中的00H。当APROM中的内容被完全更新后,将CHPCON的第0,1,7位设置为逻辑1,通过软件复位的方式返回APROM执行其中的新程序。在应用程序需要频繁更新的情况下,这种在系统编程方式使工作简单而高效。 在默认情况下,上电复位后W78E516从程序中启动。在某些情况下,可以使W78E516从LDROM中启动。当APROM中的程序不能正常运行,W78E516无法跳到LDROM中执行ISP操作时,CPU进入F04KBOOT模式。在应用系统设计中一定要注意P2,P3,ALE,EA和PSEN引脚在复位时的值,以避免意外激活编程模式或F04KBOOT模式。复位时进入F04KBOOT MODE时P43,P2.7,P2.6引脚电平及时序如图1及图2所示。 一般情况下,具有ISP功能的微控制器一般都具备2块程序存储区（暂时称为A-ROM和B-ROM）,其中A-ROM用于存储通常状况下的应用程序,B-ROM用于存储控制ISP操作的程序,向A-ROM中写入新代码。有些微控制器,A-ROM和B-ROM中的程序代码均能控制ISP操作,由特殊功能寄存器来选择其一,为设计人员提供了灵活的设计应用空间。针对不同类型的ISP器件,对CPU进行在系统编程的方法具有共同之处。 执行ISP操作时,2块程序存储器中的程序流程图分别如图3、图4所示。 在MTP产品中,W78E516颇具特色。它在ISP功能方面具有突出的优点： （1） 开发灵活性。可由设计者自定任何编程通信协议,经计算机或简单工具,将要修改的程序通过任何I/O口或UART口送入单片机内,不能像其他具有ISP功能的芯片那样,而必须针对其特定引脚及特殊的TIMMING协议来实现。 （2） 操作连续性。市场上目前具有ISP功能的单片机在执行ISP操作时（在未带配件的情况下）必须停止其他操作;而有些应用希望此时UART或TIMER/COUNTER等功能仍然能够运作。W78E516可以满足这种要求。因为在执行ISP操作时只是控制权从64KB APROM变换到4KB LDROM,故仍可由4KB中的程序来继续操作控制。 （3） 断电时具有存储数据能力。因W78E516拥有2块大小不同的闪速存储器,其中1块可用于存储断电后仍必须被单片机保留的数据,因此,设计者可减少外接EE2PROM芯片的线路与成本。 除具有上述特点外, W78E516在执行ISP操作时不需辅以任何配件,受到用户的欢迎。 三、应用实例 此实例是在机车故障检测记录仪系统内对W78E516进行ISP操作的实验。这是一个由PC机和微控制器组成的主从式系统。 PC机经串行通信将新程序的二进制代码以数据形式下载,微控制器接收数据,由软件控制更新64KB APROM中的程序代码。实验中微控制器经RS-232接口接收数据并暂存于内部AUX-RAM中,不需扩展外部数据存储器,节省了板上空间。检测记录仪与PC机的通信采用RS-232标准,为简化硬件,只使用了该标准中的TXD、RXD以及地线3根连线,电平转换由MAXIM232专用芯片完成。实验电路原理图如图5所示。 实现ISP操作的软件由两部分组成：一是微控制器部分（包括APROM和LDROM中的程序）,用MCS-51汇编语言编写;二是PC机部分,由Microsoft Visual Basic开发而来,主要应用MSCOMM控件与W78E516通信,完成数据下载。 微控制器上电后一般从64KB APROM中启动。64KB APROM中,包括了在系统编程子程序,还有其他检测记录系统的子程序。微控制器必须读取拨码盘的输入,决定进入哪一种工作状态,是否进行在系统编程。值得注意的是,在写CHPCON寄存器时,应将其第4位置1,使AUX-RAM有效;64KB APROM中的程序应该始终包含图3流程所示的程序段,以使系统具有进入下一次在系统编程的能力。4KB LDROM中的程序主要作用是接收来自PC机的下载数据,并控制各项ISP操作。执行在系统编程时,利用SFRAL、SFRAH、SFRFD、SFRCN这几个特殊功能寄存器,选择在系统编程的地址单元,准备待写入的数据,选择待执行的操作类型。当从F04BOOT模式启动时,软件复位失效,必须硬件复位。在系统编程的数据由在此期间仍能正常工作的串行通信口进入。这部分流程如图6所示。 PC机通过 RS-232串口发送数据。每一帧的前3个字节都为7EH,作为帧同步信号。随后2个字节内容均为帧指针,表明本帧数据的帧号。PC机在发送1帧数据后,等待单片机发回确认数据帧,该帧数据应包括数据接收正确与否的标志及接收到的数据的帧号。数据帧格式及PC机通信软件流程分别如图7、图8所示。 根据本文介绍的方法,在机车故障检测记录仪系统内实现了对W78E516的在系统编程。 ISP技术高度的灵活性使同一种硬件结构能够实现多种系统功能,成为多功能硬件,减少了系统所需电路板的品种,简化了生产流程;多功能硬件还能够减少板上元件数目和系统电路板数目,使系统成本显著降低。在机车系统中要对各部分进行多种不同的测试,比如轴温、轴速以及车门的开关状态等等,以便了解机车的运行状况。在现阶段,处理这些模拟量或数字量需要设计生产多种不同的模块。应用ISP技术以后这一现状会得以改变：设计人员设计出包括微控制器、A/D和D/A转换芯片、I/O口等在内的通用模块,将其安装到需要进行检测的各个部分,然后利用ISP技术把不同的应用程序下载到微控制器中,就可以完成各种不同的测试功能,其综合经济效益不可低估。此外,
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在系统编程技术（以下简称ISP技术）的出现是对传统编程方法的突破。ISP(In System Programming)技术是指,在用户设计的目标系统中或印刷电路板上,为重新配置逻辑或实现新的功能,而对器件进行编程或反复编程的能力。ISP技术的出现和发展开创了数字电子系统设计技术新的一页。ISP技术无需编程器和较高的编程电压,打破了先编程后装配的惯例,形成产品后还可以在系统内反复编程,使具有MTP-ROM可多次编程或反复编程的微控制器的优越性得以更充分的发挥。尤其是在互联网时代,依据系统环境和需要,经调制解调装置（MODEM）、串行口或专用的编程接口就能够通过软件控制,实现系统远程升级和调试,提高产品的适应性,延长产品生存周期,经济效益显著。真正的可编程系统的时代即将到来。
用MOVX指令,地址指针是选中寄存器单元的R0和R1以及DPTR寄存器。在CHCON寄存器中的第4位置位后,AUX-RAM有效,访问AUX-RAM使用“MOVX@Ri”指令。当执行内部程序存储器的指令时,访问AUX-RAM不会影响P0,P2,WR和RD。AUX-RAM在复位后失效。
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