嵌入式設備遠程在線升級技術的研究

黃繩雄，張榮芬

（貴州大學 理學院，貴州 貴陽 550025）

隨著電子技術、通信技術以及計算機技術的迅猛發展，嵌入式系統已經廣泛應用于各領域，各種行業對嵌入式設備的系統功能、性能以及規模的要求都在日益提高，開發者必須能夠針對客戶的需求及時對系統進行維護和升級，以延長系統的使用周期，改善系統的性能。目前遠程升級方式主要有：采用Boot加雙Loader的結構式設計實現系統的完整升級、基于 TFTP（Trivial File Transfer Protocol）協議的 ARM 軟件遠程更新系統等。筆者對基于LM3S6965微控制器的嵌入式系統軟件遠程在線升級技術進行研究，并提出了一種已成功驗證的在線升級實現方法，該方法對減少嵌入式設備的維護成本、提高設備的工作效率具有很重要的現實意義。

1 嵌入式系統功能及在線升級原理

1.1 嵌入式系統的功能

嵌入式系統的運行主要分為工作模式和升級模式，其中工作模式為默認模式，工作模式指設備正常工作狀態，嵌入式系統按預定的程序完成相應的測控任務，并且通過internet、GPRS等方式向監控管理中心上報監測參數。升級模式是指嵌入式處于升級狀態，包括接收服務器發送的程序代碼，以及在flash區域固化程序代碼等[1]。

1.2 遠程在線升級原理

整個升級系統主要由服務器和遠程終端組成，其中遠程終端包括基于ARM內核的嵌入式控制芯片和Modem模塊。二者之間通過RS232總線連接，服務器與遠程終端通過Internet進行通信。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure of system

服務器作為軟件升級任務的主動發起者，首先向嵌入式系統發送升級命令，嵌入式系統在硬件啟動后，首先執行引導程序Bootloader進行一系列的初始化操作，同時選擇執行升級控制程序，待服務器接收到嵌入式系統的確認升級回復后即開始發送升級程序代碼，在發送升級程序代碼前，服務器會將這些代碼拆分成固定長度的多個數據單元，以每個數據單元為核心組成數據包 （數據包內容包含數據包頭標志、命令頭、包序列、數據單元、CRC校驗碼、數據包尾標志、總包數等）[2]，嵌入式系統每接收到一個數據包，都將返回確認信息，若數據包校驗無誤，則在規定的FLASH區域進行舊程序的擦除以及新程序的復制，從而達到遠程終端的嵌入式系統軟件的在線升級目的。在線升級實現流程如圖2所示。

2 嵌入式系統在線升級的設計

2.1 硬件平臺

圖2 在線升級實現流程Fig.2 Procedures of online update

筆者設計的嵌入式系統，其硬件結構主要包括一個片外EEPROM、微處理器LM3S6965及相應的接口電路。LM3S6965處理器是Luminary Micro公司生產的Stellaris系列微控制器，該芯片內部具有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，適用于各種關注成本并明確要求具有過程控制以及連接能力的應用方案，此微處理器是針對工業的應用方案而設計的，這些方案包括遠程監控、測試和測量設備等。

2.2 嵌入式系統軟件設計

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，并且裝載用戶程序執行，如果沒有Bootloader，硬件啟動成功后，將直接運行用戶應用程序。反之，Bootloader的啟動代碼將先被執行，進行一系列的初始化操作后，根據預先設定的條件，選擇執行用戶應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從目標機上的某個固態存儲設備上將操作系統加載到RAM中運行，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，目標機上的Bootloader將通過串口連接或網絡連接等通信手段從PC下載文件，比如：下載內核映像和根文件系統映像等。從主機下載的文件通常首先被Bootloader保存到目標機的RAM中，然后再被Bootloader寫到目標機上的FLASH類固態存儲設備中[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

遠程終端的升級主要是對ARM芯片內部的FLASH存儲器的原始數據進行擦除以及新數據的下載的過程。本研究采用IAP（In-Application Programming）技術進行FLASH編程，在應用編程IAP是從結構上將FLASH存儲器映射為兩個存儲體，當運行一個存儲體上的用戶程序時，可對另一個存儲體重新編程，之后將程序從一個存儲體轉向另一個；同時還可以在應用程序控制下，對程序某段存儲空間進行讀取、擦除和寫入操作。IAP的實現極為靈活，可利用單片機的串行口接到計算機的RS232口，通過專門設計的固件程序來編程內部存儲器，可以通過現有的Internet或其他通訊方式很方便地實現遠程升級和維護[4]。

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

圖4 FLASH內部劃分Fig.4 Internal division of FLASH

啟動區主要用于存放系統初始化代碼以及引導程序Bootloader，當CPU復位后，自動執行該段程序代碼，該程序的主要功能是讀取片外EEPROM中相關標志，判定嵌入式系統的運行模式，若是工作模式，則根據片外EEPROM中其他標志，跳轉到規定的應用程序區的首地址；若是升級模式，則進入軟件升級處理部分的首地址。

升級處理區主要是負責接收程序代碼數據包、校驗、固化程序代碼等；當升級完畢后，將修改片外EEPROM中相關標志，指示CPU復位后的運行模式和復位后應運行的程序區。

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

遠程終端上電后首先進入Bootloader區進行系統的初始化，接著終端從片外的EEPROM中讀取升級配置，包括升級標志位，已收到的最后一個數據包的ID等，若終端處于升級狀態，則發出向服務器索要升級數據的指令，此時指令中將包含終端上次已接收到的最后一個數據包的ID，這樣可以避免服務器重復發送數據包，實現續傳的功能。終端通過Internet接收數據包并對數據包進行校驗判斷以保證接收到正確的數據。由于FLASH中進行編程的最小單位是頁，當接收到的數據達到一頁后，通過IAP進行編程，編程結束后將最后一條數據包的ID保存在EEPROM中，所有升級數據發送結束并編程成功后，通過IAP指示CPU復位后應運行的應用程序區域[5]。具體的軟件升級流程圖如圖5所示。

3 系統測試

本方案中的通信部分采用面向連接的TCP（Transport Control Protocol）通信協議進行數據的傳輸。TCP協議屬于傳輸層協議，提供IP環境下的數據可靠傳輸，它提供的服務包括數據流傳送、可靠性、有效流控、全雙工操作和多路復用。通過面向連接、端到端和可靠的數據包發送。通俗說，它是事先為所發送的數據開辟出連接好的通道，然后再進行數據發送，這樣可以減少數據傳輸過程的出錯率[6]。利用TCP協議實現數據傳輸的部分代碼如下：

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；

}

根據以上程序，利用TCP&UDP測試工具對本方案進行測試，測試結果如圖6及表1所示。

圖6 測試結果Fig.6 Test results

表1 測試報告Tab.1 Test report

4 結 論

通過數百次的實驗表明，本文提出的這種嵌入式遠程升級的方案在利用TCP通信協議進行軟件的遠程升級時，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。

[1]王田苗.嵌入式系統設計與實例開發[M].北京:清華大學出版社，2002.

[2]馬豐璽，楊斌，衛洪春.非易失存儲器NANDFlash及其在嵌入式系統中的應用[J].計算機技術與發展，2007，17（1）:203－206.MA Feng-xi，YANG Bin，WEI Hong-chun.The non-volatile memory NANDFlash and the application in the embedded system[J].Computer Technology and Development，2007，17（1）:203－206.

[3]季昱，林俊超，宋飛.ARM嵌入式應用系統開發典型實例[M].北京:中國電力出版社，2005.

[4]韓山，郭云，付海艷.ARM微處理器應用開發[M].北京:清華大學出版社，2005.

[5]姜新.嵌入式控制系統軟件平臺的研究與實現 [D].武漢:華中科技大學，2003.

[6]趙榛，鮑飛，劉克鈞.一個改進的TCP三路握手方案[J].華中科技大學學報：自然科學版，2004，32（4）:77-79.ZHAO Zhen，BAO Fei，LIU Ke-jun.A scheme of three way handshake for TCP[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology：Natural Science Edition，2004，32（4）:77-79.