電力設備用MCU嵌入式程序分塊更新技術

江蘇林洋能源股份有限公司 陳昊琦 沈煜迪 黃柳勝

電力設備用MCU嵌入式程序分塊更新技術

江蘇林洋能源股份有限公司 陳昊琦 沈煜迪 黃柳勝

【摘要】文章介紹電力設備MCU的嵌入式程序按功能或按函數級別對增加、修改、刪除代碼進行精確分塊更新的工作原理，指出采用分散加載機制方法，可對MCU劃分代碼區域，敘述使用偽指令、函數殼、void ★、void ★★、void ★★★方法保證因修改程序代碼或變量，需要更新的程序范圍不會擴大的設計方法。該技術已經在實際項目中使用，可以根據產品功能需求的變化精確、快速更新程序。

【關鍵詞】嵌入式程序分塊更新；分散加載機制；函數殼；空類型指針

一、引言

隨著智能電網建設的不斷推進，在電力設備中MCU的應用越來越廣泛，在很多情況下，如現場使用的設備需要增加新功能、現場應用運行后發現了BUG等等，都要求更新MCU內部的嵌入式程序；同時由于電力設備往往工作在無人值守的環境下，且數量眾多，一旦需要對數以萬計的終端進行現場更新，就會耗費大量現場服務的人力、物力和時間。

隨著通信技術的發展，電力設備使用GPRS/CDMA進行遠程通信成為現實；同時IAP在線應用編程技術的出現使得MCU不必增加專用編程接口，就可實現本地或遠程下載來實現程序的更新。

一些廠家采用了IAP + GPRS/CDMA通信方式實現遠程程序更新。該方案雖然解決了現場升級的繁重工作量。但由于目前廣泛使用的程序更新方式都是將MCU的嵌入式程序全部更新，即如果僅僅修改了一個函數的代碼或增加、刪除一個功能甚至只修改一行代碼都需要更新整個程序。

同時由于GPRS/CDMA的傳輸速度低、并根據流量收費，當程序代碼量大、需要頻繁升級時，仍會導致升級的時間長、流量大、收費高等問題的產生。

本文敘述的嵌入式程序分塊更新技術，可以按功能或按函數級別對修改的代碼進行精確的分塊更新，從根本上避免在任何情況下都必須更新全部程序的低效率工作方式，同時也有效解決通過GPRS/CDMA遠程更新設備程序所造成的升級時間長、流量大、收費高的問題。

二、嵌入式程序編譯、運行原理

目前，國內使用的MCU大部分屬于中低端設備，不具備運行Linux的條件，普遍采用前后臺系統或嵌入式實時操作系統如uCos運行程序。同時，為了提高開發效率，很多嵌入式程序采用C、C++語言編寫。

根據編譯原理如圖1所示，源代碼形成可執行文件需要經過預處理、編譯、匯編、鏈接四個階段。最終生成的目標程序包含了代碼段（Code）、只讀數據段（RO-data）、已初始化讀寫數據段（RW-data）、未初始化數據段（BSS）、堆棧段等信息。

圖1 生成目標程序流程

圖2 目標程序運行時布局

1、代碼段（Code）由程序中可執行的機器代碼組成。程序語句進行編譯后，形成機器代碼。在執行程序的過程中，CPU的程序計數器指向代碼段的每一條機器代碼，并由處理器依次運行。

2、只讀數據段（RO-data）是程序運行時不會被更改的數據，如常量。使用這些數據類似查表式操作，由于不需要更改，因此只需放置在只讀存儲器中。

3、已初始化讀寫數據段（RW-data）是在程序中聲明且具有初值的變量，如已初始化的全局變量、靜態變量。這些變量需要占用存儲器的空間，在程序執行時它們需要位于可讀寫的內存區域內，并具有初值，以供程序運行時讀寫。

4、未初始化數據段（BSS）也是在程序中聲明，但沒有初始化的變量，如未初始化的全局變量和靜態變量。這些變量在程序運行之前不需要占用存儲器的空間。

5、堆內存只在程序運行時出現，一般由程序員分配和釋放空間，如new、delete操作。

6、棧內存也只在運行時出現，程序臨時創建的局部變量、函數內部使用的變量、函數的參數以及返回值將使用棧空間，棧空間由編譯器自動分配。

Code、RO-data、RW-data、BSS屬于靜態存儲區域；堆和棧屬于動態區域。Code、RO-data和RW-data在鏈接之后生成，BSS在程序初始化時候開辟，而堆和棧在程序運行中分配和釋放。

目標程序運行時分為映像文件和運行兩種狀態，具體布局如圖2所示。通過工具將映像文件固化在MCU的ROM或Nor-Flash中，映像文件中包含了Code、RO-data以及RW-data；

程序運行的初始化階段，各段必須載入到內存RAM的恰當位置，其中RW-data復制到內存的Data區域中，各個BSS區域將在內存中開辟空間并清零，堆和棧空間一般是向前擴展，棧由編譯器管理，程序運行后堆大小分配由程序決定（見圖2）。

三、分塊更新要點和設計思路

通過上文對嵌入式程序的編譯和運行原理分析介紹，需要關注以下2點：

1、程序編譯后生成的目標代碼順序存放，緊密地靠在一起。若增刪程序后再編譯，生成的目標代碼將和原來大相徑庭。

2、目標程序使用的存儲空間見表1：

表1 目標程序使用存儲空間匯總

程序編譯后，由于RW-data段會保存在目標代碼中，并和其他段緊靠一起。若增刪RW-data中的變量，也會導致再編譯生成的目標代碼和原來區別非常大。

RO-data段存放在ROM中，由于程序運行時不會被修改，所以也可以看成Code段。

分塊更新的目標是“嵌入式程序可以按功能或按函數級別對增加、修改、刪除代碼進行精確分塊更新，減少更新的代碼量”，即只更新增加、修改、刪除的代碼，而且是按照功能模塊或函數級別更新。但本節提到的2個關注點已經指出，若直接修改代碼或RW-data段中的變量，會導致編譯生成的目標代碼改動非常大，給人一種“牽一發而動全身”的感覺，無法滿足分塊更新的要求。

為實現分塊更新的目標，需要滿足以下3點：

1、按功能模塊或函數級別對代碼劃分區域

源程序編譯后，目標代碼順序緊靠存放。修改源程序后必然導致目標代碼的大小變化，其后的代碼位置也隨之改動。按功能模塊或函數級別對目標代碼劃分開獨立的區域，區域的位置按更新的頻率設定，更新頻率低的區域放置在ROM低地址處，更新頻率高的區域放置在ROM高地址處；區域的大小根據實際情況預留一部分備用空間，在實際使用過程中若區域不夠時，可在ROM中劃出一塊還未使用的區域繼續。

源程序中函數一定是很多的，按函數級別劃分區域帶來的工作量相當大。在實際使用時，建議采用按功能模塊級別劃分區域。

使用偽指令劃分區域，根據編譯原理應在預處理階段實施。本文將在下一節介紹使用分散加載機制方法劃分代碼。

2、代碼精確更新，減少更新程序的范圍

如圖3所示，功能模塊之間、函數之間、模塊和函數之間需要相互調用。若僅僅對代碼劃分區域，一個區域內的代碼修改編譯后，與之相互調用函數的區域會改變，隨之又影響到其他有關聯的區域。

圖3 區域關聯

圖4 區域之間調用函數流程

這種情況導致更新一個區域時，與之有關聯的區域，甚至與關聯區域有關聯的區域都需要更新。

使用偽指令和函數殼既切斷區域之間連帶更新，又保證關聯區域正常工作。本文將在下一節闡述處理的方法。

3、RAM中變量改變時減少更新程序的范圍

由于模塊、函數之間相互調用，若函數的參數或模塊內的變量需要改變時，也會導致更新一個區域后，與之有關聯的其它區域都需要更新。

為了減少更新程序的范圍，使用1級、2級甚至3級空類型指針變量，使變量修改后再編譯減少對目標代碼的影響。

四、實施分塊更新的方法

上一節討論了需要滿足3要點以實現分塊更新的目標，這節詳細闡釋每個要點實施的方法。

（一）分散加載機制劃分代碼區域

在第2節中已經介紹了映像文件及其組成，要構建映像文件的存儲器映射，鏈接器必須有：描述如何分組成區的分組信息、描述映像區在存儲器映射中放置地址的放置信息。

分散加載機制允許為鏈接器指定映像文件的存儲器映射信息，可實現對映像組件分組和布局的全面控制，如固定函數的位置，即使周圍程序已經被修改并重新編譯。分散加載通常用于具有復雜存儲器映射的映像（盡管也可用于簡單映像），適合在加載和執行時映射中多個區域是分散的情況。

源程序在編譯前，利用開發平臺如Keil μVision自帶的分散加載機制功能，按程序設計的功能模塊劃分多個區域，并設置區域位置及大小。下面例子是相關代碼及注釋。

使用分散加載機制將所有程序文件按功能級別劃分ROM的地址空間。區域劃分后，功能模塊內部的函數相互調用、修改，不影響其他區域。

（二）偽指令和函數殼減少更新程序的范圍

功能模塊劃分完區域，區域之間會相互調用函數，為減少程序更新的范圍，需要在不影響正常運行的前提下切斷區域之間的連帶更新。對需要相互調用的函數建立相應函數殼，同時使用偽指令固定函數殼在區域內的位置。下面例子是相關代碼及注釋。

2個區域之間調用函數的流程如圖4所示。

函數殼起到“中間人”的角色，區域之間調用函數時都需要先通過函數殼。同時固定了函數殼的位置后，對應的函數修改代碼只會改變該函數所在的區域，不會影響到調用它的其他區域，從而切斷區域之間的連帶更新，達到了減少更新程序范圍的目的。

（三）使用空類型指針減少更新程序的范圍

4.2節的例子中函數沒有使用參數，實際情況下函數經常需要傳遞各種參數。同時功能模塊中還有各種變量需要使用或被其他模塊調用。本節對這2種情況的處理做詳細說明。

函數傳遞各種參數、或更新代碼后傳遞的參數改變了，如果直接使用函數殼加xxx參數，還是會造成關聯區域更新范圍擴大。使用1級（或2級）空類型指針傳遞實際參數，即使實際參數改變也不會擴大關聯區域的更新范圍。下面例子是相關代碼及注釋。

前文中對目標程序使用的存儲空間做了匯總，詳見表1。功能模塊中已初始化的全局變量、靜態變量（屬于RW-data段）需要占用ROM存儲空間，而且其他模塊也能調用這些變量。若修改變量也會造成關聯區域更新范圍擴大。使用2級（或3級）空類型指針代替變量，保證了即使實際變量改變也不會擴大關聯區域的更新范圍。下面例子是相關代碼及注釋。

void** pVariate；// 2級空指針變量

pVariate = new void *［RowCount］； // 動態申請變量數組

// 指針變量關聯實際變量

使用n級空類型指針可以避免編譯器為RW-data段分配ROM存儲空間。

五、結語

采用本文介紹的分塊更新技術，將電力設備用MCU的嵌入式程序按功能模塊或函數級別進行精確的分塊，產品投運后可以根據功能需求變化，只對更改了功能的模塊進行更新，從而避免了在任何情況下都必須更新全部程序的低效率工作方式，同時也有效解決了通過GPRS/CDMA遠程更新設備程序所造成的升級時間長、流量大、收費高的問題。

分塊更新技術已經在公司多個項目中實際應用，效果極佳。我們在II型集中器項目中以修改LED驅動為例做過統計，若沒有使用分塊更新技術編譯、鏈接后生成的Bin文件達到330k左右，通過GPRS網絡遠程更新時每2秒傳輸1024字節，需要11～15分鐘傳輸完畢。使用分塊更新技術后生成的LED驅動Bin文件只有3k左右，通過GPRS網絡僅需6～10秒傳輸完畢。分塊更新技術降低了產品投運后的維護成本，增強了產品的市場競爭力。

當然，分塊更新技術在實施過程中，需要注意到動態申請空類型指針變量會多占用一些內存，在內存不足的情況下需要及時釋放；而且，在編寫調試程序的時候也會有一定的難度。

參考文獻

［1］陳火旺.程序設計語言∶編譯原理（第3版）［M］.國防工業出版社， 2014.

［2］ Kenneth A.Reek. C和指針［M］.人民郵電出版社，2008.

［3］ Keil uVision4中文教程，2009.