MSP430单片机串行写入BOOTSTRAP与加密熔断功能

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。

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。

图1

图2

　　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。

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

表2

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。

图3

　　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

　　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。

图4

　　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的版本信息就存储在地址为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。