嵌入式設(shè)備遠(yuǎn)程在線升級技術(shù)的研究

黃繩雄，張榮芬

（貴州大學(xué) 理學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，各種行業(yè)對嵌入式設(shè)備的系統(tǒng)功能、性能以及規(guī)模的要求都在日益提高，開發(fā)者必須能夠針對客戶的需求及時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和升級，以延長系統(tǒng)的使用周期，改善系統(tǒng)的性能。目前遠(yuǎn)程升級方式主要有：采用Boot加雙Loader的結(jié)構(gòu)式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完整升級、基于 TFTP（Trivial File Transfer Protocol）協(xié)議的 ARM 軟件遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)等。筆者對基于LM3S6965微控制器的嵌入式系統(tǒng)軟件遠(yuǎn)程在線升級技術(shù)進(jìn)行研究，并提出了一種已成功驗(yàn)證的在線升級實(shí)現(xiàn)方法，該方法對減少嵌入式設(shè)備的維護(hù)成本、提高設(shè)備的工作效率具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 嵌入式系統(tǒng)功能及在線升級原理

1.1 嵌入式系統(tǒng)的功能

嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行主要分為工作模式和升級模式，其中工作模式為默認(rèn)模式，工作模式指設(shè)備正常工作狀態(tài)，嵌入式系統(tǒng)按預(yù)定的程序完成相應(yīng)的測控任務(wù)，并且通過internet、GPRS等方式向監(jiān)控管理中心上報(bào)監(jiān)測參數(shù)。升級模式是指嵌入式處于升級狀態(tài)，包括接收服務(wù)器發(fā)送的程序代碼，以及在flash區(qū)域固化程序代碼等[1]。

1.2 遠(yuǎn)程在線升級原理

整個升級系統(tǒng)主要由服務(wù)器和遠(yuǎn)程終端組成，其中遠(yuǎn)程終端包括基于ARM內(nèi)核的嵌入式控制芯片和Modem模塊。二者之間通過RS232總線連接，服務(wù)器與遠(yuǎn)程終端通過Internet進(jìn)行通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of system

服務(wù)器作為軟件升級任務(wù)的主動發(fā)起者，首先向嵌入式系統(tǒng)發(fā)送升級命令，嵌入式系統(tǒng)在硬件啟動后，首先執(zhí)行引導(dǎo)程序Bootloader進(jìn)行一系列的初始化操作，同時(shí)選擇執(zhí)行升級控制程序，待服務(wù)器接收到嵌入式系統(tǒng)的確認(rèn)升級回復(fù)后即開始發(fā)送升級程序代碼，在發(fā)送升級程序代碼前，服務(wù)器會將這些代碼拆分成固定長度的多個數(shù)據(jù)單元，以每個數(shù)據(jù)單元為核心組成數(shù)據(jù)包 （數(shù)據(jù)包內(nèi)容包含數(shù)據(jù)包頭標(biāo)志、命令頭、包序列、數(shù)據(jù)單元、CRC校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)包尾標(biāo)志、總包數(shù)等）[2]，嵌入式系統(tǒng)每接收到一個數(shù)據(jù)包，都將返回確認(rèn)信息，若數(shù)據(jù)包校驗(yàn)無誤，則在規(guī)定的FLASH區(qū)域進(jìn)行舊程序的擦除以及新程序的復(fù)制，從而達(dá)到遠(yuǎn)程終端的嵌入式系統(tǒng)軟件的在線升級目的。在線升級實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

2 嵌入式系統(tǒng)在線升級的設(shè)計(jì)

2.1 硬件平臺

圖2 在線升級實(shí)現(xiàn)流程Fig.2 Procedures of online update

筆者設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括一個片外EEPROM、微處理器LM3S6965及相應(yīng)的接口電路。LM3S6965處理器是Luminary Micro公司生產(chǎn)的Stellaris系列微控制器，該芯片內(nèi)部具有256 kB FLASH和64 kB SRAM，LM3S6965芯片能夠提供高效的性能，廣泛的集成功能，適用于各種關(guān)注成本并明確要求具有過程控制以及連接能力的應(yīng)用方案，此微處理器是針對工業(yè)的應(yīng)用方案而設(shè)計(jì)的，這些方案包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、測試和測量設(shè)備等。

2.2 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 Bootloader工作原理

Bootloader位于FLASH的起始處，主要是用來啟動系統(tǒng)，并且裝載用戶程序執(zhí)行，如果沒有Bootloader，硬件啟動成功后，將直接運(yùn)行用戶應(yīng)用程序。反之，Bootloader的啟動代碼將先被執(zhí)行，進(jìn)行一系列的初始化操作后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的條件，選擇執(zhí)行用戶應(yīng)用程序或升級控制程序。

Bootloader包含兩種不同的操作模式：“啟動加載”模式和“下載”模式。啟動加載模式：這種模式也稱為“自主”模式。也就是Bootloader從目標(biāo)機(jī)上的某個固態(tài)存儲設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到RAM中運(yùn)行，整個過程并沒有用戶的介入。這種模式是Bootloader的正常工作模式。下載模式：在這種模式下，目標(biāo)機(jī)上的Bootloader將通過串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從PC下載文件，比如：下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等。從主機(jī)下載的文件通常首先被Bootloader保存到目標(biāo)機(jī)的RAM中，然后再被Bootloader寫到目標(biāo)機(jī)上的FLASH類固態(tài)存儲設(shè)備中[3]。Bootloader工作原理流程圖如圖3所示。

圖3 Bootloader工作原理流程Fig.3 Procedures of working principle for Bootloader

2.2.2 FLASH存儲器編程及升級流程

遠(yuǎn)程終端的升級主要是對ARM芯片內(nèi)部的FLASH存儲器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擦除以及新數(shù)據(jù)的下載的過程。本研究采用IAP（In-Application Programming）技術(shù)進(jìn)行FLASH編程，在應(yīng)用編程IAP是從結(jié)構(gòu)上將FLASH存儲器映射為兩個存儲體，當(dāng)運(yùn)行一個存儲體上的用戶程序時(shí)，可對另一個存儲體重新編程，之后將程序從一個存儲體轉(zhuǎn)向另一個；同時(shí)還可以在應(yīng)用程序控制下，對程序某段存儲空間進(jìn)行讀取、擦除和寫入操作。IAP的實(shí)現(xiàn)極為靈活，可利用單片機(jī)的串行口接到計(jì)算機(jī)的RS232口，通過專門設(shè)計(jì)的固件程序來編程內(nèi)部存儲器，可以通過現(xiàn)有的Internet或其他通訊方式很方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級和維護(hù)[4]。

為了實(shí)現(xiàn)升級將ARM芯片內(nèi)部的FLASH存儲器劃分為Bootloader區(qū)（程序啟動區(qū)）、升級處理區(qū)、用戶代碼0區(qū)、用戶代碼1區(qū)。如圖4所示。

圖4 FLASH內(nèi)部劃分Fig.4 Internal division of FLASH

啟動區(qū)主要用于存放系統(tǒng)初始化代碼以及引導(dǎo)程序Bootloader，當(dāng)CPU復(fù)位后，自動執(zhí)行該段程序代碼，該程序的主要功能是讀取片外EEPROM中相關(guān)標(biāo)志，判定嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行模式，若是工作模式，則根據(jù)片外EEPROM中其他標(biāo)志，跳轉(zhuǎn)到規(guī)定的應(yīng)用程序區(qū)的首地址；若是升級模式，則進(jìn)入軟件升級處理部分的首地址。

升級處理區(qū)主要是負(fù)責(zé)接收程序代碼數(shù)據(jù)包、校驗(yàn)、固化程序代碼等；當(dāng)升級完畢后，將修改片外EEPROM中相關(guān)標(biāo)志，指示CPU復(fù)位后的運(yùn)行模式和復(fù)位后應(yīng)運(yùn)行的程序區(qū)。

用戶代碼0區(qū)和用戶代碼1區(qū)用于交替存放當(dāng)前用戶代碼以及升級代碼，若當(dāng)前用戶代碼放在0區(qū)，則將接收到的升級代碼存放在1區(qū)，此時(shí)用戶代碼1區(qū)便成為當(dāng)前終端指向的用戶程序，而用戶代碼0區(qū)則用于存放下次升級時(shí)的新代碼。

遠(yuǎn)程終端上電后首先進(jìn)入Bootloader區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，接著終端從片外的EEPROM中讀取升級配置，包括升級標(biāo)志位，已收到的最后一個數(shù)據(jù)包的ID等，若終端處于升級狀態(tài)，則發(fā)出向服務(wù)器索要升級數(shù)據(jù)的指令，此時(shí)指令中將包含終端上次已接收到的最后一個數(shù)據(jù)包的ID，這樣可以避免服務(wù)器重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)續(xù)傳的功能。終端通過Internet接收數(shù)據(jù)包并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)判斷以保證接收到正確的數(shù)據(jù)。由于FLASH中進(jìn)行編程的最小單位是頁，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)達(dá)到一頁后，通過IAP進(jìn)行編程，編程結(jié)束后將最后一條數(shù)據(jù)包的ID保存在EEPROM中，所有升級數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束并編程成功后，通過IAP指示CPU復(fù)位后應(yīng)運(yùn)行的應(yīng)用程序區(qū)域[5]。具體的軟件升級流程圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)測試

本方案中的通信部分采用面向連接的TCP（Transport Control Protocol）通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。TCP協(xié)議屬于傳輸層協(xié)議，提供IP環(huán)境下的數(shù)據(jù)可靠傳輸，它提供的服務(wù)包括數(shù)據(jù)流傳送、可靠性、有效流控、全雙工操作和多路復(fù)用。通過面向連接、端到端和可靠的數(shù)據(jù)包發(fā)送。通俗說，它是事先為所發(fā)送的數(shù)據(jù)開辟出連接好的通道，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，這樣可以減少數(shù)據(jù)傳輸過程的出錯率[6]。利用TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟糠执a如下：

圖5 軟件升級流程圖Fig.5 Procedures of software update

err_t APP_recv（void*arg，struct tcp_pcb*pcb，struct pbuf*p ， err_t err）

{ char Date[3000]；

struct pbuf*pcopy=p；

tAPPState*pState；

pState=arg；

pbuf_copy_partial（pcopy， Date，300，0）；

if（（err==ERR_OK） && （p!=NULL））

{

GPIOPinWrite （GPIO_PORTE_BASE， GPIO_PIN_1，GPIO_PIN_1）；

Send_to_memorizer（ ）；

GPIOPinWrite （GPIO_PORTE_BASE， GPIO_PIN_1，～ GPIO_PIN_1）；

Lcd_display

while（pcopy） {

tcp_write （pcb，jin，pcopy －＞len，TCP_WRITE_FLAG_COPY）；

pcopy=pcopy－＞next；

}

pbuf_free（p）；

pbuf_free（pcopy）；

}

if（（err==ERR_OK） && （p==NULL））

{

tcp_arg（pcb， NULL）；

tcp_sent（pcb， NULL）；

tcp_recv（pcb， NULL）；

mem_free（pState）；

tcp_close（pcb）；

}

return ERR_OK；

}

根據(jù)以上程序，利用TCP&UDP測試工具對本方案進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖6及表1所示。

圖6 測試結(jié)果Fig.6 Test results

表1 測試報(bào)告Tab.1 Test report

4 結(jié) 論

通過數(shù)百次的實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的這種嵌入式遠(yuǎn)程升級的方案在利用TCP通信協(xié)議進(jìn)行軟件的遠(yuǎn)程升級時(shí)，具有較高的升級成功率，較快的升級速度，且代碼容量的大小基本符合FLASH存儲器的要求。

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