P89C51RD2的Boot ROM与ISP功能的实现

1 概 述

P89C51RD2是PHILIPS公司内核基于8位80C51单片机的派生产品，在完全保留80C51指令系统和硬件结构的大框架下，进行了多方面的加强、扩展和创新，最大限度地利用了原有结构的方方面面。P89C51RD2将原有的对外数据和程序存储器的 16位寻址机制加以利用，把片上的RAM扩展到1KB、片上的FLASH EPROM扩展到64KB，满足当今用嵌入式高级语言对片上大存储容量的需要。

P89C51RD2最显著的特点莫过于其ISP（In-System Programming，在系统可编程）功能和IAP（In-Application Programming，在应用可编程）功能。ISP指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。IAP指MCU可以在系统中获取新代码并对自己重新编程，即可用程序来改变程序。ISP和IAP技术是未来仪器仪表的发展方向。PHILIPS公司为了使ISP技术和IAP技术得以推广，在芯片上免费提供了Boot ROM固件，并且巧妙地解决了固件和FLASH的地址覆盖问题及一些具体实现细节问题，使它们的实现变得简单而现成。

对于Boot ROM中的内容，PHILIPS公司是不公开的。但很多技术人员对于Boot ROM固件中ISP(IAP)功能的实现非常感兴趣。就ISP状态而言，上位机直接跟Boot ROM固件中的程序打交道，因此，必须根据PHILIPS公司提供的流程和协议来编制上位机程序，至于Boot ROM内部是如何实现ISP功能的，则不得而知。如果能够搞明白ISP功能实现的具体方法，则对于上位机软件的编制是大有好处的。以下是对Boot ROM中有关ISP功能实现所作的一些初步探讨。

2 Boot ROM固件代码的读出方法

要对其 ISP功能进行分析，必须读出Boot ROM中的源代码。为此，必须弄清楚Boot ROM空间和FLASH空间的关系。P89C51RD2采用了最先进的FLASH（快闪）EPROM，其容量为64KB，并且分成8KB和16KB的存储块。我们知道，80C51系列8位单片机的最大寻址能力就是64KB，FLASH EPROM已经将全部寻址空间占据。同时，PHILIPS公司为P89C51RD2在片内提供了一个名叫引导ROM(Boot ROM)的1KB的固件。固件上有引导装载程序，可以接收主机经串口传来的命令和数据（如经PC机的RS-232C口），这个固件是放在64KB程序存储器的最高端的，与片内FLASH地址0FC00H~0FFFFH相覆盖。两者之间的切换是通过特殊功能寄存器AUXR1的ENBOOT位来进行的。

ENBOOT=1 地址在0FC00H~0FFFFH范围，寻址到固件
ENBOOT=0 地址在0FC00H~0FFFFH范围，寻址到FLASH

既然当ENBOOT=1时，能够寻址到固件，则利用程序就可以将固件代码读出。下面是实现代码读出时的硬件部分和软件部分。

（1）硬件部分

为了读出Boot ROM中的内容，必须给P89C51RD2搭一个包括复位、晶振和串口通信功能的基本硬件系统，如图1所示。ICL232为单电源串口转换芯片，可以完成TTL电平与RS-232C电平之间的转换。

（2）软件编制

编制软件的目的，是为了从Boot ROM中读出源代码，并送往上位机显示。为了使用现成的软件（如超级终端），程序中将读出的二进制代码转换成ASCII码，并组成HEX文件格式直接传给上位机，这样，将显示的内容存盘并反汇编，就可以对Boot ROM中的内容进行分析。由于程序中涉及到二进制转换成HEX文件格式，故将有关HEX文件格式的有关内容表述如下：

HEX文件的INTEL格式，是INTEL公司提出的按地址排列的数据信息，数据宽度为字节，所有数据使用十六进制数字表示，如Boot ROM从地址FC00H开始的前16个数据为（已经转换成ASCII码）：

75 89 02 75 C8 30 E4 F5 CD F5 CC 30 B0 FD 20 B0（十六进制）

则转换成HEX文件格式为：
：10FC000075890275C830E4F5CDF5CC30B0FD20B073

"："符号表明记录的开始；后面的2个字符表明记录的长度，这里是10H，即16个十六进制数字；后面的4个字符给出调入的地址，这里是FC00H；再后面的2个字符表明记录的类型，00表示数据记录，01表示记录文件结束；再后面的16个数据即为真正的数据记录；最后的2位73是校验和，它加上前面所有的数据和为0。

所有HEX格式文件的最后一行为结尾行，它比较特殊，总是如下所示：
:00000001FF
读Boot ROM代码的主程序编制如下：
AUXR1 EQU 0A2H ；特殊功能寄存器
BOOT_ROM EQU 0FC00H ；Boot ROM的起始地址
DAT_BUFFER EQU 30H ；数据暂存器
DAT_SUM EQU 31H ；校验和
ORG 0000H
AJMP START
ORG 0030H
START:
MOV SP,#50H
MOV SCON,#50H
MOV T2CON,#30H ；以T2作为波特率发生器
MOV TL2,#0E0H ；波特率为2400 bps
MOV TH2,#0FEH
MOV RCAP2L,#0E0H
MOV RCAP2H,#0FEH
SETB TR2 ；启动T2
MAIN: LCALL READ_ROM ；Boot ROM内容读出子程序
LCALL SEND_END ；结尾行送出子程序
AJMP $

主程序中用到了两个子程序：READ_ROM和SEND_END。

READ_ROM子程序功能：从FC00H开始将代码读出，将其转变成ASCII码并拼凑成HEX文件记录的形式传给上位机。

读Boot ROM代码所调用的子程序见本刊网站发表的全文。

3 Boot ROM固件的功能分析

通过对Boot ROM中的程序进行分析，可以对ISP的有关指令进行更深入的理解，在一些编程方法上也可以向国外学习。下面对ISP的有关知识点进行阐述。

3.1 关于自动确定波特率

PHILIPS给出的ISP功能的第一个步骤为：上位机向下位机发送一个大写的英文字符"U"，供下位机确定波特率。

3.1.1 工作原理

大写的英文字符"U"有它的特殊性，它的ASCII码为55H，转换成二进制为"01010101B"，也就是说它是一个"0"、"1"相间的数据，如图2所示。如果能够算出其一个位的传输时间tp，则对应的波特率就可以计算出来。

3.1.2 tp对应的计数值

首先看一下在Boot ROM中是如何计算一个位所对应的计数值的。以下为Boot ROM从地址FC00H ~FC17H之间的源代码及反汇编程序：

源代码 反汇编程序
FC00 75 89 02 MOV TMOD,#02H ;T1工作模式2，定时器
FC03 75 C8 30 MOV T2CON,#30H ;T2工作为串行口波特
;率发生器
FC06 E4 CLR A
FC07 F5 CD MOV TH2,A
FC09 F5 CC MOV TL2,A ;T2=0000H
FC0B 30 B0 FD JNB P3.0,$ ;若P3.0=0，则等待，
;直到其变为1
FC0E 20 B0 FD JB P3.0,$ ;若P3.0=1，则等待，
;直到下降沿到来
FC11 D2 CA SETB TR2 ;启动T2定时器
FC13 30 B0 FD JNB P3.0,$ ;若P3.0=0，则等待，
;直到上升沿到来
FC16 C2 CA CLR TR2 ;关闭T2定时器，此时
;T2中的数值为tp

首先将T2清0，然后测下降沿，测到下降沿后，开始置TR2=1，T2开始计数，等测到上升沿后，置TR2=0，停止计数，则此时T2中为传送 1bit（低电平）的计数值。以波特率2400 bps为例，则传送1bit所用的时间为1/2400 s，即416.67μs。P89C51RD2主频为11.0592 MHz，再由PHILIPS公司的数据手册可知，当T2工作于波特率发生器模式时，OSC未经分频直接进入T2计数器，由此可得在tp时间内T2的理论计数值为：(T2)=0.000 416 67×110 592 00= 4608(十进制)=1200H。在这里，特别要强调的是：该数只是一个理论值。对波特率为2400 bps时的实际值进行测试，发现实测值为11FAH左右。不管怎样测，实测值总是小于理论值6个数左右。这个数据为下面的波特率计算提供了重要依据。

3.1.3 波特率的计算

程序中对波特率的计算颇有特色，下面是地址FC18H~FC36H之间的源代码和反汇编程序：

源代码 反汇编程序
FC18 E5 CC MOV A,TL2
FC1A C4 SWAP A
FC1B 54 0F ANL A,#0FH ;取TL2高4位
FC1D F8 MOV R0,A
FC1E E5 CD MOV A,TH2
FC20 C4 SWAP A
FC21 54 F0 ANL A,#0F0H;取TH2低4位
FC23 48 ORL A,R0
FC24 F8 MOV R0,A ;组合后送入R0
FC25 E5 CD MOV A,TH2
FC27 C4 SWAP A
FC28 54 0F ANL A,#0FH ;取TH2高4位
FC2A F9 MOV R1,A
FC2B E8 MOV A,R0 ;以上程序实现T2中数据除以
;16，送R1和R0保存
FC2C F4 CPL A ;低位取反
FC2D F5 CC MOV TL2,A
FC2F F5 CA MOV RCAP2L,A
FC31 E9 MOV A,R1
FC32 F4 CPL A ;高位取反
FC33 F5 CD MOV TH2,A
FC35 F5 CB MOV RCAP2H,A

上述程序就是将tp对应值转换成波特率的程序，先来看一下波特率是怎样定义的。定时器2工作在波特率发生器模式，外部时钟信号由T2脚进入，波特率为

所以程序中首先将T2中的计数值进行处理，相当于右移4位，将低4位去掉，11FAH变为011FH，对应式（1）中除以16，送R1和R0保存，然后将R1和R0中的值取反，其值为FEE0H。该值恰恰与根据式（1）计算出的数值相同。将该数值送T2和RCAP2，即得2400bps对应的赋值。

3.1.4 波特率的校验

在波特率确定以后，首先设定TR2=1以启动波特率，并对串口控制字进行设定。然后，程序对其进行校验。方法是接收上位机的数据并以设定波特率回送该值，一方面通知上位机送出和接收的数据是否相同，如果相同，则上位机认为下位机的波特率设置正确，通信成功；另一方面程序也将接收的数据?quot;U" 的ASCII码相对照，如果相等，则往下执行，如果不等，则继续重复上述过程，直到成功为止，否则进入死循环，只有程序复位才能退出。下面是其源程序与反汇编程序（FC37H至FC40H）：

源代码 反汇编程序
FC37 D2 CA SETB TR2
FC39 75 98 52 MOV SCON,#52H ;方式1，TI=1
FC3C 91 A0 RREV0: ACALL REV_SEND0
FC3E B4 55 FB CJNE A,#55H,RREV0 ;判断A="U"?

其中，REV_SEND0子程序的功能是接收一个数据并回传给上位机。由上述程序可以看出，实际上要通信成功，上位机至少要向下位机发送两个"U"：第一个用于确定波特率，另一个用于校验波特率，并且这两个字符之间必须隔一段时间，以便于波特率计算完毕并有效。所以，有关手册中关于ISP第一步要发送一个"U"来确定波特率的说法本身没有错，但如果在编制上位机程序时，仅仅发送一个"U"是不能够通信成功的，特提醒读者注意。

3.2 命令字的接收

在通信成功后，就可以接收ISP的命令字了。

3.2.1 ISP命令格式说明

ISP编程由Boot ROM中的一系列引导子程序完成。这些子程序采用Intel-Hex记录格式接收PC主机的命令和数据。Intel-Hex记录格式上面已经有所介绍，其命令格式为
:NNAAAARRDD…DDCC<crlf>

其中，:NNAAAA以及DDCC的含义皆与上面论述的相同，只需对"RR"作以下说明：
"RR"表示记录类型，其中
00--数据记录，即传编程数据并完成编程；
01--文件结束标志；
02--指定振荡器频率；
03--杂项编程功能，和后面的数据相配合完成擦除、加密等功能；
04--显示指定地址端FLASH的数据或做空白检查；
05--各种读功能。

3.2.2 命令字的处理

为了更容易看懂，将使用的通用寄存器和部分地址进行代换如下：
DATA_ADDRL EQU 30H
DATA_ADDRH EQU 31H
DATA_SUM EQU 32H
DATA_LEN EQU 33H
DATA_FOSC EQU 34H
DATA_MODE EQU 35H
DATA_BUFFER EQU 36H
REV_DAT_ADDR EQU 80H

　　下面来看一下Boot ROM中的源代码与反汇编程序。

源程序 反汇编程序

FC41 75 32 00 MAIN: MOV DATA_SUM,#00H;校验和
FC44 91 A0 ACALL REV_SEND0
FC46 B4 3A F8 CJNE A,#3AH,MAIN;判断A=":"?
FC49 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM
FC4B 85 36 33 MOV DATA_LEN,DATA_BUFFER ;33H字节数
FC4E 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM
FC50 85 36 31 MOV DATA_ADDRH,DATA_ BUFFER ;31H数据首地址高8位
FC53 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM
FC55 85 36 30 MOV DATA_ADDRL,DATA_ BUFFER ;30H数据首地址低8位
FC58 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM
FC5A 85 36 35 MOV DATA_MODE,DATA_ BUFFER ;35H数据操作类型
FC5D E5 33 MOV A,DATA_LEN
FC5F FA MOV R2,A ;循环接收数据指针
FC60 60 09 JZ RREV3 ;字节数=0 转RREV3
FC62 79 80 MOV R1,#REV_DAT_ADDR
FC64 91 79 RREV2: ACALL REV_DAT1_SUM
FC66 A7 36 MOV @R1,DATA_MODE
FC68 09 INC R1
FC69 DA F9 DJNZ R2,RREV2
FC6B AC 32 RREV3: MOV R4,DATA_SUM ;校验和
FC6D 91 79 ACALL REV_DAT1_SUM
FC6F EC MOV A,R4
FC70 B5 36 02 CJNE A,DATA_BUFFER,RREV4
;校验和不等转
FC73 81 BF AJMP RUN_MODE
FC75 74 58 RREV4：MOV A,#58H ; A="X"
FC77 81 FA AJMP SEND_DT

　　首先，对程序中用到的子程序作如下的说明。
REV_SEND0子程序：接收1个数据并回传给上位机；
REV_DAT1_SUM子程序：接收2个ASCII字符并回传，将2个ASCII码合成1字节二进制数并计算校验和；
SEND_DT：该地址执行送字符"X"给上位机；
RUN_MODE：该地址解释并执行命令字。

对上段程序分析如下：首先，将校验和单元清零，开始接收第1个ASCII码，并判断是否为"："。如果是，则说明是一个命令字的开始，下面便依次接收字节数DATA_LEN、数据首地址高8位DATA_ ADDRH、数据首地址低8位DATA_ADDRL和数据操作类型DATA_MODE。这跟其命令字格式是完全对应的。然后，程序根据接收数据字节数 DATA_ LEN来决定下面的数据接收，并将接收的数据存储在从80H开始的内部数据存储器中，以备下一步的处理。最后，进入校验和的接收，将程序计算所得的校验和与上位机传输的校验和作比较，如果不等，回传"X"字符，通知上位机进行异常处理；如果相等，则转入相应的命令执行。

3.3 命令的执行

　　命令解释和执行的源代码和反汇编程序如下：

源程序 反汇编程序

FCBF E5 35 RUN_MODE: MOV A,DATA_MODE
;35H数据操作类型
FCC1 23 RL A ;A=A*2
FCC2 90 FC C6 MOV DPTR,#BASE_ADDR ;程序散转
FCC5 73 JMP @A+DPTR
FCC6 81 D4 BASE_ADDR: AJMP PRO_DATA
;00=传送编程数据并完成编程
FCC8 81 F8 AJMP SEND_CHAR_OK
;01=传文件结束符
FCCA 81 FE AJMP SETUP_FOSC
;02=指定振荡器频率
FCCC A1 70 AJMP MPRO_DAT
;03=杂项编程功能
FCCE A1 04 AJMP READ_CHECK
;04=显示指定地址段FLASH数据或查空
FCD0 A1 9F AJMP READ_DATA
;05=各种读功能
FCD2 A1 B3 AJMP SETUP_BPS
;06=直接装载波特率

　　在正确地接收命令后，通过DATA_MODE项（即命令格式中的RR）来判断功能并转入相应的程序。程序中对每一个跳转地址都作出了相应的注释。

4 几点说明

　　① 上述带源代码的程序均是Boot ROM中反汇编得来的，并且大部分是连续的。这一点可以从地址分布上看出来，读者可以将其合并在一起看，相信可以加强理解。有兴趣的读者也可以参照以上给出的方法将全部代码读出，电路图和源程序几乎都不必重编了。

　　② Boot ROM中既包括了ISP的程序，也包括了IAP的程序。限于篇幅，只给出了ISP的部分源程序，部分子程序只作了说明而未列出源程序。

参考文献
1 广州周立功单片机发展有限公司. P89C51Rx+/Rx2/66x系列单片机的在线编程
2 P89C51RB2/P89C51RC2/P89C51RD2 DATA SHEET. Philips Semiconductors, 2001 Jun 27
3 何立民. MCS-51系列单片机应用系统设计. 北京：北京航空航天大学出版社,1990