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MSP430串行寫(xiě)入BOOTSTRAP與加密熔斷功能
摘要：BOOTSTRAP用于在MSP430設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)更新時(shí)對(duì)Flash存儲(chǔ)器的編程。它可以用經(jīng)串口協(xié)議的命令來(lái)激活，使得用戶(hù)可以通過(guò)PC控制MSP430，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。燒斷Flash的熔絲是用來(lái)保護(hù)用戶(hù)在Flash中的程序代碼。本文主要介紹我們制作的BOOTSTRAP這一開(kāi)發(fā)工具的功能、軟硬件結(jié)構(gòu)以及熔斷工具的制作方法。關(guān)鍵詞：MSP430 BOOTSTRAP 熔斷
引 言
對(duì)于MSP430單片機(jī)的開(kāi)發(fā)調(diào)試有多種技術(shù)方案，例如EPROM方式、OTP方式、仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)方式、JTAG和BOOTSTRAP方式。BOOTSTRAP（又名BootStrap Loader，簡(jiǎn)稱(chēng)BSL）可與另一種Flash仿真工具JTAG控制器配合使用。對(duì)于Flash型的MSP430單片機(jī)初期開(kāi)發(fā)進(jìn)行的仿真，只需要1臺(tái)PC機(jī)和1個(gè)FET(Flash Emulator Tool)的JTAG控制器即可實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入產(chǎn)品級(jí)開(kāi)發(fā)階段，為了保護(hù)用戶(hù)代碼，燒斷Flash的保護(hù)熔絲以后就無(wú)法再通過(guò)JTAG口訪(fǎng)問(wèn)單片機(jī)，這時(shí)用戶(hù)對(duì)Flash中的程序再進(jìn)行檢查或更新就只能通過(guò)BOOTSTRAP進(jìn)行。不用擔(dān)心用戶(hù)代碼會(huì)泄露，BOOTSTRAP提供了32字節(jié)256位的密碼保護(hù)，能完全確保代碼的安全性。
BOOTSTRAP的硬件制作并不費(fèi)力，只要與調(diào)試環(huán)境軟件配合（TI網(wǎng)站提供免費(fèi)下載限制功能的軟件，不過(guò)用戶(hù)可以輕松地制作完全功能軟件），就能很方便地構(gòu)建自己的開(kāi)發(fā)環(huán)境。對(duì)于熔斷的方法，從以前TI公布的資料看，只要在功能引腳上施加一個(gè)6.5V左右的電壓數(shù)ms就可以了。當(dāng)然，各類(lèi)芯片熔斷的方法也有一些差異。但是，除了11x系列的單片機(jī)有人用這種方法試驗(yàn)成功外，對(duì)其余系列的單片機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，甚至有毀壞芯片的可能�，F(xiàn)在，隨著為T(mén)I公司的各類(lèi)FET仿真器及BOOTSTRAP開(kāi)發(fā)工具的相繼推出，在一篇TI資料中，給出了MSP430熔斷的方案和指令結(jié)構(gòu)，這樣，我們用DIY的完全功能開(kāi)發(fā)調(diào)試系統(tǒng)就可以構(gòu)建成功了。
圖1和圖2
1 BOOTSTRAP的功能與啟動(dòng)
通過(guò)BOOTSTRAP可以訪(fǎng)問(wèn)單片機(jī)的全部存儲(chǔ)器，包括程序Flash、ROM、RAM，并可對(duì)其進(jìn)行擦除、讀寫(xiě)。它能用于批量下載程序，監(jiān)測(cè)程序使用情況和各個(gè)變量與寄存器的使用情況，并可對(duì)其進(jìn)行修改。因此，使用BOOTSTRAP能夠方便地進(jìn)行軟件升級(jí)。
用戶(hù)燒斷Flash熔絲的目的在于保護(hù)程序代碼，通過(guò)BOOTSTRAP讀取MSP430，需要32字節(jié)即256位的密碼口令；但是，BOOTSTRAP又表現(xiàn)了其極大的靈活性，其功能分為需要密碼保護(hù)的功能與不需要密碼保護(hù)的功能。其中，受密碼保護(hù)的操作有從MSP430的存儲(chǔ)器中讀數(shù)據(jù)、寫(xiě)數(shù)據(jù)、Flash段擦除和讀取程序計(jì)數(shù)器；不受密碼保護(hù)的操作就是接收密碼口令與Flash全擦除，擦除之后32個(gè)字節(jié)的密碼口令全為0xFFH。這樣使得用戶(hù)的程序代碼受到完全的保護(hù)，而且芯片也能保持應(yīng)用的靈活性。
對(duì)于MSP430系列Flash型單片機(jī)，依靠RST/NMI引腳與TCK引腳（有的型號(hào)如MSP430F11x1使用TEST引腳）和一定的時(shí)序就進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)位過(guò)程，即使用地址0FFFEH處的RESET向量，然后進(jìn)入正常的程序入口。改變RST/NMI引腳與TCK引腳的時(shí)序配合，就可以啟動(dòng)BOOTSTRAP，即地址0C00H處的BSL RESET向量用做程序入口，單片機(jī)執(zhí)行BOOT ROM里的程序。MSP430F13x/14x的正常復(fù)位時(shí)序如圖1所示，BSL復(fù)位時(shí)序如圖2所示。
如果發(fā)生以下情況，則不能啟動(dòng)BSL：
◇ 在RST/NMI引腳保持為低時(shí)，TCK引腳上出現(xiàn)的上升沿少于2個(gè)；
◇ 當(dāng)RST/NMI引腳電平從低跳變到高時(shí)，TCK引腳還是保持為高；
◇ JTAG接口已控制了MSP430的資源；
◇ 因Vcc下降引起POR（復(fù)位）。
退出BOOTSTRAP時(shí)，要釋放單片機(jī)的程序計(jì)數(shù)器PC，有兩種情況：一種是在BSL中使用加載PC命令，從指定的程序地址繼續(xù)執(zhí)行；另一種是用標(biāo)準(zhǔn)的RESET序列強(qiáng)制使MSP430用0FFFEH的向量地址開(kāi)始執(zhí)行程序。
圖3
2 BOOTSTRAP的軟硬件結(jié)構(gòu)
2.1 BOOTSTRAP的硬件結(jié)構(gòu)
BOOTSTRAP硬件完成PC機(jī)和MSP430單片機(jī)通信的接口功能，主要由電源供電、信號(hào)接口和電平轉(zhuǎn)換幾個(gè)部分構(gòu)成。
MSP430采用的是3.3 V電源，BOOTSTRAP可以采用外部給單片機(jī)供電再將電引到BOOTSTRAP板上，或直接利用PC機(jī)串口的電壓再轉(zhuǎn)換成3.3 V的方案。利用PC機(jī)串口電壓的方案由于不需要外部供電，適用于批量下載、修改程序，使用方便。PC機(jī)通過(guò)串口和MSP430通信，串口用的是232電平，MSP430單片機(jī)用的是3.3 V的供電系統(tǒng)，因此存在一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。對(duì)于電壓轉(zhuǎn)換，TI公司提供兩個(gè)系列的電壓調(diào)整芯片TPS770xx和TPS760xx系列。這兩款芯片都能滿(mǎn)足輸入從 -0.3~13.5 V，穩(wěn)定輸出50 mA 電流1.2~5 V的要求。
BOOTSTRAP使用的信號(hào)線(xiàn)與串口信號(hào)線(xiàn)的對(duì)應(yīng)情況如表1所列。信號(hào)線(xiàn)與MSP430系列引腳的對(duì)應(yīng)情況如表2所列。
表1
表2
信號(hào)線(xiàn) MSP430 11x(1)系列 F14x/F13x系列 F4xx系列 TXD P1.1 P1.1 P1．0 TCK 不連 TCK TCK RXD P2.2 P2.2 P1.1 RST RST/NMI RST/NMI TST/NMI TST Test 不連2.2 BOOTSTRAP的軟件結(jié)構(gòu)
對(duì)于PC機(jī)來(lái)講，主要就是解決通過(guò)串口與MSP430通信和可視化界面的問(wèn)題，可以使用VC、VB、Delphi等各種軟件開(kāi)發(fā)工具，界面如圖3所示。
對(duì)于MSP430來(lái)講，與PC機(jī)進(jìn)行串口通信，接收、發(fā)送數(shù)據(jù)與擦寫(xiě)Flash的程序是已經(jīng)固化在BOOT ROM里的，所以必須根據(jù)MSP430的設(shè)置來(lái)編寫(xiě)上位機(jī)程序。啟動(dòng)BSL后，MSP430會(huì)首先關(guān)閉看門(mén)狗、關(guān)中斷、定義基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊，由DCO（Digitally-Controlled Oscillator）產(chǎn)生系統(tǒng)主時(shí)鐘脈沖MCLK和輔助時(shí)鐘脈沖SMCLK，使最小時(shí)鐘頻率為1.5 MHz。用TIMER_A做軟串口實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通信，建立軟件異步通信協(xié)議，連續(xù)模式，時(shí)鐘源為MCLK，DIV＝1，CCR0用于比較，CCTL0用于查詢(xún)CCIFG0標(biāo)志。P1.1為T(mén)X發(fā)送端（設(shè)置為輸出高），P2.2為RX接收端（設(shè)置為輸入）。BSL初始化系統(tǒng)后，處于就緒狀態(tài)，等待PC機(jī)的同步序列和第一個(gè)命令。BOOTSTRAP的串口設(shè)置如表3所列。
表3
PC機(jī)設(shè)置好串口之后就可以發(fā)一個(gè)字節(jié)的同步信號(hào)給MSP430，MSP430正確接收后會(huì)返回一個(gè)ACK應(yīng)答信號(hào)，PC機(jī)判斷這個(gè)應(yīng)答信號(hào)正確后就可以按照設(shè)定的幀格式發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，MSP430每收到一幀，也會(huì)發(fā)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)以供PC機(jī)確認(rèn)。其幀格式如圖4所示。
BSL的程序代碼在BOOT ROM中（0C00H…0FEFH），0FF0H…0FFFH保存有芯片的標(biāo)識(shí)，其中BOOTSTRAP的版本信息就存儲(chǔ)在地址為0FFAH的地方。BSL的初期版本（1.10及其以下）需要一些補(bǔ)丁來(lái)寫(xiě)Flash（參見(jiàn)TI有關(guān)資料Bug Ids：BSL2、BSL3和BSL4），其補(bǔ)丁也是MSP430的程序代碼。先將其寫(xiě)到RAM中，使用LOAD PC的命令，將目標(biāo)程序的起始地址裝入程序計(jì)數(shù)器中，就可以執(zhí)行補(bǔ)丁程序了。然后，在程序最后加一句跳轉(zhuǎn)到0x0c00的語(yǔ)句就可以返回BOOTSTRAP了。通過(guò)這種方法，用戶(hù)也可以自己對(duì)BOOTSRTAP做一些改動(dòng)，以滿(mǎn)足用戶(hù)實(shí)際應(yīng)用中的需要。
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3 熔斷操作
MSP430Fxx的芯片中設(shè)置有保護(hù)熔絲。熔斷需要在TDI引腳上加上一個(gè)6.5 V±0.5 V的電壓再加上一定的時(shí)序才能進(jìn)行，一般采用PC機(jī)發(fā)出時(shí)序。TI的開(kāi)發(fā)工具中，串口JTAG編程器能熔斷，但它不能在線(xiàn)仿真。用戶(hù)可以自己制作一個(gè)全套的開(kāi)發(fā)工具，使之具有TI所有開(kāi)發(fā)工具的功能。
燒Flash的熔絲不能簡(jiǎn)單地以硬件給引腳加高電壓實(shí)現(xiàn)，還需要用軟件對(duì)MSP430發(fā)出指令來(lái)配合。以MSPF14x/13x為例，首先，通過(guò)IR_SHIFT指令使JTAG口控制MSP430單片機(jī)，通過(guò)DR_SHIFT_IN將TDO/TDI腳設(shè)置成TDI，發(fā)出指令I(lǐng)R_SHIFT(“IR_PREPARE_BLOW”）后等待1 ms，再將熔斷電壓Vpp加在TDI腳上，送IR_SHIFT(“IR_EX_BLOW”）后再等1 ms就可以將Vpp移開(kāi)了。具體指令情況可以參見(jiàn)TI文檔。
4 小 結(jié)
據(jù)了解，目前BSL的工具國(guó)外有SOFTBAUGH公司和GESLER公司制作的；國(guó)內(nèi)也有杭州一家公司制作的BSL與熔斷的綜合工具，目前正在測(cè)試中。不過(guò)對(duì)于入門(mén)級(jí)的用戶(hù)或個(gè)人，只要稍有一些軟硬件制作能力，就完全可以花很短的時(shí)間來(lái)制作自己的開(kāi)發(fā)工具，包括JTAG控制器、BSL和熔斷器。
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