來源：單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用  作者：李琳 金韋信

單片機的出現(xiàn)是現(xiàn)代計算機技術(shù)發(fā)展的里程碑，它的誕生標(biāo)志著計算機正式形成了通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)兩大分支。近年來，計算機理論研究、半導(dǎo)體工藝和超大規(guī)模集成電路技術(shù)取得了長足的進步，以此為支撐的嵌入式計算機也逐漸成為各種嵌入式系統(tǒng)的核心部件。

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適用于系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)，是一種軟硬件高度結(jié)合的產(chǎn)物，其系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關(guān)鍵在于經(jīng)過高效率設(shè)計的各類應(yīng)用軟件。和通用計算機軟件不同，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在只讀存儲器中，而不是以磁盤為載體可以隨意更換，所以嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件和嵌入式產(chǎn)品一樣都具有較長的生命周期。另外，各個行業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)和產(chǎn)品很少發(fā)生突然性的跳躍，嵌入式系統(tǒng)中的軟件也因此更強調(diào)可繼承性和技術(shù)銜接性，發(fā)展比較穩(wěn)定。以上兩點使得基于原有的硬件平臺即可完成嵌入式系統(tǒng)的軟件升級，從而節(jié)省用戶的成本，提高系統(tǒng)供應(yīng)商的產(chǎn)品競爭力和服務(wù)效率。軟件注入就是能夠?qū)崿F(xiàn)這種軟件升級方式的技術(shù)之一。

就嵌入式系統(tǒng)而言，軟件注入是指將嵌入式系統(tǒng)中的軟件模塊使用在線可編程 
存儲器存儲，可在需要時通過外部注入設(shè)備的注入技術(shù)。它十分有利于機電一體化產(chǎn)品等需要嚴(yán)密封裝的嵌入式系統(tǒng)的軟件升級和完善。

1 軟件注入的可行性分析

在各類嵌入式計算機中，微控制器MCU（Micro Controller Unit）以其低功耗、高可靠性、片內(nèi)外設(shè)資源豐富且易于擴展的優(yōu)勢而成為各種控制應(yīng)用的主流，這種用于控制的嵌入式系統(tǒng)也大量而廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。由于結(jié)構(gòu)特點、運算速度增快和存儲容量增大，使得單片MCU不僅用于控制，也逐步用于各類運算等應(yīng)用，因此在嵌入式系統(tǒng)中針對MCU的軟件注入應(yīng)用最為普遍，也最具代表意義。下面將討論基于C8051F023的軟件注入的實現(xiàn)。

要想實現(xiàn)軟件注入，嵌入式系統(tǒng)所采用的MCU必須具有在系統(tǒng)可編程能力，即程序存儲器支持應(yīng)用程序的擦除和重新寫入。此外，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)具有較大的程序存儲空間和較快的運行速度，以便能夠存儲和運算比較復(fù)雜的軟件算法。

C8051F023屬于Cygnal公司的C8051F系列。該芯片內(nèi)核CIP-51采用了流水線指令結(jié)構(gòu)，速度最高可達25MIPS（Million Instructions Per Second，每秒百萬條指令），且70%的指令可在1~2個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)完成，這為嵌入式設(shè)備采用復(fù)雜的算法提供了必要的條件。同時芯片內(nèi)部集成了容量達64KB的Flash存儲器，用于程序代碼和非易失性數(shù)據(jù)的存儲，可由軟件使用MOVX指令對Flash存儲器進行在系統(tǒng)編程。

由以上分析可知，C8051F023完全具備軟件注入的實現(xiàn)條件。

2 軟件注入的技術(shù)措施和實現(xiàn)方案

通用計算機具有完善的人機接口界面，在上面增加一些開發(fā)應(yīng)用程序和環(huán)境即可進行對自身的開發(fā)。而嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，因此必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)，這些工具和環(huán)境一般是基于通用計算機上的軟硬件設(shè)備以及各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。圖1給出的就是一種基于通用計算機平臺的軟件注入實現(xiàn)方案。

圖1 嵌入式系統(tǒng)軟件注入原理圖

由圖1可以看出，為了實現(xiàn)軟件注入，除了具備運行在通用計算機平臺上的相關(guān)開發(fā)工具（例如VC++、VB、Delphi等）外，還必須制訂軟件注入規(guī)程和研制軟件注入設(shè)備。注入規(guī)程包括嵌入式系統(tǒng)和注入設(shè)備的物理接口的機械特性和電氣特性、具有口令字校驗功能和差錯控制機制的通信協(xié)議等；注入設(shè)備分為注入卡和注入槍，前者采用通用計算機的標(biāo)準(zhǔn)接口如RS232、USB等與通用計算機互連，用于將軟件程序輸入到注入槍，也可直接對嵌入式設(shè)備注入，后者為移動式注入設(shè)備，便于為不在本地的嵌入式系統(tǒng)完成軟件的升級服務(wù)。

在制訂了軟件注入規(guī)程并擁有了相應(yīng)注入設(shè)備后，還需要解決新注入程序與MCU中的固化程序的連接問題，以實現(xiàn)新注入代碼的功能。圖2給出了基于C8051F023的一種解決方案。

圖2 基于C8051F023的軟件注入實現(xiàn)方案

該方案是一個基于MCU所實現(xiàn)的功能模塊化方案，在固化在Flash中的主程序模塊和引導(dǎo)裝入模塊的支持下，模塊1、模塊2、模塊3等均可實現(xiàn)程序代碼的更新。方案中的主程序模塊完成MCU的初始化工作以及可注入模塊所需的一些默認設(shè)置，而不可用扇區(qū)和保留扇區(qū)是C8051F023的特性。前者提供了芯片的安全選項，但不支持應(yīng)用程序在系統(tǒng)可編程；后者為工廠專用，不能存儲用戶程序。

在0x1000~0xFBFF的地址空間內(nèi)，每個模塊為具有某一功能的相對獨立的軟件代碼，其所占的地址空間可依據(jù)