W78E516及其在系统编程的实现_单片机论文
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，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。
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，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。
(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。
表1
| bit | name | 功 能 |
| 7 | 软件复位f04kmode | 该位置1且fbootsl和fprogen都置1时，微控制顺笔位，重新操作。读该位结果为逻1辑时，可双确认cpu处于f04kboot模式 |
| 6 | - | 保留 |
| 5 | - | 保留 |
| 4 | enauxram | 0：使aux-ram无效； 1：使aux-ram有效 |
| 3 | 0 | 必须置为0 |
| 2 | 0 | 必须置为0 |
| 1 | fbpptsl | 程序地址选择。 1：装载程序位64kb的aprom。4kbldrom是重新的目标地址。 0：装载程序位于4kb的存储器。64kb的aprom是重新编程的目标地址 |
| 0 | fprogen | mtp-rom编程使能。 1：使编程功能有效。微控制器进入在系统编程状态。在这种编程模式下，清降、编程、读操作在设备进空闲模式后可以实现。 0：可能对rom执行写操作 |
（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。
表2
| bit | name | 功 能 |
| 7 | - | 保留 |
| 6 | wfwin | 选择isp操作目标存储器。 0：对ldrom重新编程； 1：对aprom重新编程 |
| 5 | oen | mtp-rom输出使能 |
| 4 | cen | mtp-rom使能 |
| 3，2，1，0 | ctrl[3:0] | rom控制信号 |
(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。
w78e516处于在系统编程模式时，mtp-rom可以被反复编程和检验。向mtp-rom中完整、正确地写入新代码后，新代码即被保护起来。w78e516有专用设置寄存器组（special setting re-gisters），其中包括安全性寄存器（security register）和公司/器件识别寄存器（company/device id registers），处于编程模式时不能访问这些寄存器。安全性寄存器在ldrom空间的地址是0ffffh，当它的各个位被从1编程为0后就不能再被改变，将它们重新置位的惟一方式是执行全部擦除操作，这样就能保证其安全性。
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。
2.w78e516的 isp功能特点
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。
结束语
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，
isp技术也为其他许多领域带来了变革。总之，在系统编程技术具有广阔的开发应用前景。