MSP430串行写入BOOTSTRAP与加密熔断功能_单片机论文
关键词：msp430 bootstrap 熔断
引 言
对于msp430单片机的开发调试有多种技术方案，例如eprom方式、otp方式、仿真开发系统方式、jtag和bootstrap方式。bootstrap（又名bootstrap loader，简称bsl）可与另一种flash仿真工具jtag控制器配合使用。对于flash型的msp430单片机初期开发进行的仿真，只需要1台pc机和1个fet(flash emulator tool)的jtag控制器即可实现。进入产品级开发阶段，为了保护用户代码，烧断flash的保护熔丝以后就无法再通过jtag口访问单片机，这时用户对flash中的程序再进行检查或更新就只能通过bootstrap进行。不用担心用户代码会泄露，bootstrap提供了32字节256位的密码保护，能完全确保代码的安全性。
bootstrap的硬件制作并不费力，只要与调试环境软件配合（ti网站提供免费下载限制功能的软件，不过用户可以轻松地制作完全功能软件），就能很方便地构建自己的开发环境。对于熔断的方法，从以前ti公布的资料看，只要在功能引脚上施加一个6.5v左右的电压数ms就可以了。当然，各类芯片熔断的方法也有一些差异。但是，除了11x系列的单片机有人用这种方法试验成功外，对其余系列的单片机无法实现，甚至有毁坏芯片的可能。现在，随着为ti公司的各类fet仿真器及bootstrap开发工具的相继推出，在一篇ti资料中，给出了msp430熔断的方案和指令结构，这样，我们用diy的完全功能开发调试系统就可以构建成功了。
图1和图2
1 bootstrap的功能与启动
通过bootstrap可以访问单片机的全部存储器，包括程序flash、rom、ram，并可对其进行擦除、读写。它能用于批量下载程序，监测程序使用情况和各个变量与寄存器的使用情况，并可对其进行修改。因此，使用bootstrap能够方便地进行软件升级。
用户烧断flash熔丝的目的在于保护程序代码，通过bootstrap读取msp430，需要32字节即256位的密码口令；但是，bootstrap又表现了其极大的灵活性，其功能分为需要密码保护的功能与不需要密码保护的功能。其中，受密码保护的操作有从msp430的存储器中读数据、写数据、flash段擦除和读取程序计数器；不受密码保护的操作就是接收密码口令与flash全擦除，擦除之后32个字节的密码口令全为0xffh。这样使得用户的程序代码受到完全的保护，而且芯片也能保持应用的灵活性。
对于msp430系列flash型单片机，依靠rst/nmi引脚与tck引脚（有的型号如msp430f11x1使用test引脚）和一定的时序就进入标准的复位过程，即使用地址0fffeh处的reset向量，然后进入正常的程序入口。改变rst/nmi引脚与tck引脚的时序配合，就可以启动bootstrap，即地址0c00h处的bsl reset向量用做程序入口，单片机执行boot rom里的程序。msp430f13x/14x的正常复位时序如图1所示，bsl复位时序如图2所示。
如果发生以下情况，则不能启动bsl：
◇ 在rst/nmi引脚保持为低时，tck引脚上出现的上升沿少于2个；
◇ 当rst/nmi引脚电平从低跳变到高时，tck引脚还是保持为高；
◇ jtag接口已控制了msp430的资源；
◇ 因vcc下降引起por（复位）。
退出bootstrap时，要释放单片机的程序计数器pc，有两种情况：一种是在bsl中使用加载pc命令，从指定的程序地址继续执行；另一种是用标准的reset序列强制使msp430用0fffeh的向量地址开始执行程序。
图3
2 bootstrap的软硬件结构
2.1 bootstrap的硬件结构
bootstrap硬件完成pc机和msp430单片机通信的接口功能，主要由电源供电、信号接口和电平转换几个部分构成。
msp430采用的是3.3 v电源，bootstrap可以采用外部给单片机供电再将电引到bootstrap板上，或直接利用pc机串口的电压再转换成3.3 v的方案。利用pc机串口电压的方案由于不需要外部供电，适用于批量下载、修改程序，使用方便。pc机通过串口和msp430通信，串口用的是232电平，msp430单片机用的是3.3 v的供电系统，因此存在一个电压转换的问题。对于电压转换，ti公司提供两个系列的电压调整芯片tps770xx和tps760xx系列。这两款芯片都能满足输入从 -0.3~13.5 v，稳定输出50 ma 电流1.2~5 v的要求。
bootstrap使用的信号线与串口信号线的对应情况如表1所列。信号线与msp430系列引脚的对应情况如表2所列。
表1
| 引脚名 | 全名（pc） | bsl对应接口功能 |
| rxd | receive data | 发数据到pc |
| txd | transmit data | 从pc收数据（负电压） |
| dtr | data terminal ready | 复位控制（正压） |
| rts | request to send | test或tck控制（正电压） |
| gnd | ground | 地 |
表2
| 信号线 | msp430 | ||
| 11x(1)系列 | f14x/f13x系列 | f4xx系列 | |
| txd | p1.1 | p1.1 | p1．0 |
| tck | 不连 | tck | tck |
| rxd | p2.2 | p2.2 | p1.1 |
| rst | rst/nmi | rst/nmi | tst/nmi |
| tst | test | 不连 | |
2.2 bootstrap的软件结构
对于pc机来讲，主要就是解决通过串口与msp430通信和可视化界面的问题，可以使用vc、vb、delphi等各种软件开发工具，界面如图3所示。
对于msp430来讲，与pc机进行串口通信，接收、发送数据与擦写flash的程序是已经固化在boot rom里的，所以必须根据msp430的设置来编写上位机程序。启动bsl后，msp430会首先关闭看门狗、关中断、定义基础时钟模块，由dco（digitally-controlled oscillator）产生系统主时钟脉冲mclk和辅助时钟脉冲smclk，使最小时钟频率为1.5 mhz。用timer_a做软串口实现与pc机通信，建立软件异步通信协议，连续模式，时钟源为mclk，div＝1，ccr0用于比较，cctl0用于查询ccifg0标志。p1.1为tx发送端（设置为输出高），p2.2为rx接收端（设置为输入）。bsl初始化系统后，处于就绪状态，等待pc机的同步序列和第一个命令。bootstrap的串口设置如表3所列。
表3
| 波特率/baud | 9600 |
| 数据位/b | 8 |
| 奇偶校验 | 偶校验 |
| 停止位 | 1 |
pc机设置好串口之后就可以发一个字节的同步信号给msp430，msp430正确接收后会返回一个ack应答信号，pc机判断这个应答信号正确后就可以按照设定的帧格式发送、接收数据，msp430每收到一帧，也会发一个应答信号以供pc机确认。其帧格式如图4所示。
bsl的程序代码在boot rom中（0c00h…0fefh），0ff0h…0fffh保存有芯片的标识，其中bootstrap的版本就存储在地址为0ffah的地方。bsl的初期版本（1.10及其以下）需要一些补丁来写flash（参见ti有关资料bug ids：bsl2、bsl3和bsl4），其补丁也是msp430的程序代码。先将其写到ram中，使用load pc的命令，将目标程序的起始地址装入程序计数器中，就可以执行补丁程序了。然后，在程序最后加一句跳转到0x0c00的语句就可以返回bootstrap了。通过这种方法，用户也可以自己对bootsrtap做一些改动，以满足用户实际应用中的需要。
3 熔断操作
msp430fxx的芯片中设置有保护熔丝。熔断需要在tdi引脚上加上一个6.5 v±0.5 v的电压再加上一定的时序才能进行，一般采用pc机发出时序。ti的开发工具中，串口jtag编程器能熔断，但它不能在线仿真。用户可以自己制作一个全套的开发工具，使之具有ti所有开发工具的功能。
烧flash的熔丝不能简单地以硬件给引脚加高电压实现，还需要用软件对msp430发出指令来配合。以mspf14x/13x为例，首先，通过ir_shift指令使jtag口控制msp430单片机，通过dr_shift_in将tdo/tdi脚设置成tdi，发出指令ir_shift(“ir_prepare_blow”）后等待1 ms，再将熔断电压vpp加在tdi脚上，送ir_shift(“ir_ex_blow”）后再等1 ms就可以将vpp移开了。具体指令情况可以参见ti文档。
4 小 结
据了解，目前bsl的工具国外有softbaugh公司和gesler公司制作的；国内也有杭州一家公司制作的bsl与熔断的综合工具，目前正在测试中。不过对于入门级的用户或个人，只要稍有一些软硬件制作能力，就完全可以花很短的时间来制作自己的开发工具，包括jtag控制器、bsl和熔断器。