基于MCU的嵌入式在線升級系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方 沖，任海蘭，王成麗

(武漢郵電科學(xué)研究院研究生院光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

在嵌入式系統(tǒng)投入實(shí)際環(huán)境運(yùn)行后，一旦用戶有新的需求或者原有系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，就需要嵌入式系統(tǒng)在不斷電或保持系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，能夠通過外圍接口(JTAG口，網(wǎng)口或串口)實(shí)現(xiàn)對自身程序的更新，完成系統(tǒng)的在線升級。

隨著在線升級越來越多的應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中，一些在線升級方案逐漸被提出，當(dāng)前嵌入式在線升級的方案主要有兩種典型的軟件架構(gòu):一是在Bootloader中嵌入通信模塊，對應(yīng)用程序運(yùn)行區(qū)直接進(jìn)行更新［1－2］，如圖1a所示;二是用兩個應(yīng)用程序進(jìn)行切換，即“雙系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)［3－4］，如圖1b所示。其中第一種軟件架構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)但可靠性不高，第二種軟件架構(gòu)的特點(diǎn)是可靠性高，但實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜，所占資源較多。結(jié)合這兩種解決方案的特點(diǎn)及其適用范圍，本文在第一種軟件架構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種可靠性好、靈活度高的在線升級解決方案，并給出了其具體的實(shí)現(xiàn)。

1 在線升級系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

圖1 升級系統(tǒng)典型的軟件架構(gòu)

為了適應(yīng)對可靠性、靈活性要求較高的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的方案，其軟件架構(gòu)由Bootloader工程和應(yīng)用程序工程構(gòu)成，如圖2所示。其與圖1a的主要區(qū)別如下:一是增加了應(yīng)用程序的備份區(qū)，每次升級時(shí)首先拷貝至備份區(qū)，而不直接覆蓋運(yùn)行區(qū)程序，這樣通信過程中出現(xiàn)錯誤不會導(dǎo)致破壞原有程序，提高了升級的可靠性;二是將升級過程劃分為兩個階段，第一階段將應(yīng)用程序拷貝至備份區(qū)，第二階段完成備份區(qū)到運(yùn)行區(qū)的拷貝，以便用戶靈活的控制升級傳輸與完成升級的時(shí)機(jī)，提高了升級的靈活性;三是將Bootloader劃分為不同的功能模塊，這樣只需要根據(jù)不同的硬件平臺完成相關(guān)的驅(qū)動及系統(tǒng)初始化模塊即可完成此系統(tǒng)的移植，提高了的通用性。

圖2 在線升級系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

此系統(tǒng)的主要工作流程為:1)Bootloader通過仿真器燒寫到MCU中，其作用是完成應(yīng)用程序的升級及其引導(dǎo);2)新的應(yīng)用程序在用戶啟動升級后，通過Bootloader或原應(yīng)用程序中的通信協(xié)議模塊拷貝到應(yīng)用程序的備份區(qū);3)對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位(跳轉(zhuǎn)到Bootloader的起始地址)，由Bootloader中的升級模塊實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用程序?qū)υ瓚?yīng)用程序的替換，并跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序執(zhí)行區(qū)的起始地址，完成了應(yīng)用程序的升級。

2 系統(tǒng)的軟硬件平臺及存儲分配

2.1 系統(tǒng)的硬件平臺

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)是基于 Freescale MC9S12XD256［7－8］芯片，該芯片以S12 CPU為內(nèi)核，帶有256 kbyte的片內(nèi)Flash，4 kbyte的片內(nèi)E2PROM，14 kbyte的RAM，其中256 kbyte的Flash劃分為16個Page，每個Page為16 kbyte，其邏輯地址為:

S12的CPU有一個Page寄存器，其尋址方式是Page寄存器(相當(dāng)于基址)+PC寄存器(相當(dāng)于偏移地址)，完成邏輯地址到物理地址的映射。

2.2 系統(tǒng)的軟件平臺

該系統(tǒng)的軟件環(huán)境為CodeWarrior開發(fā)工具，采用C語言進(jìn)行開發(fā)，經(jīng)過CodeWarrior編譯出來的S19程序文件，其格式為ASCII編碼的S－record格式。為了方便下位機(jī)進(jìn)行解析，可以把S19文件轉(zhuǎn)化為.bin文件，并自定義其格式，加入CRC校驗(yàn)部分以保證傳輸?shù)恼_性，關(guān)于此部分細(xì)節(jié)，請讀者查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，在此不作詳細(xì)闡述。

2.3 存儲分配

經(jīng)過CodeWarrior編譯出來的代碼，其地址是不連續(xù)的，經(jīng)過分析S19文件，可將生成的代碼分為代碼段(Code)、庫函數(shù)段(Lib)、中斷向量段(2nd ISR)，其中系統(tǒng)自帶的中斷向量段地址是不變的(MYMFF00－MYMFFFF)，為了方便升級，在此設(shè)計(jì)了二級中斷向量，完成系統(tǒng)中斷向量到自定義二級中斷向量的映射。根據(jù)以上分析，可對Flash作如下分割(邏輯劃分):

其中中斷向量是兩個工程所共用的，分配其存儲區(qū)時(shí)只需要劃分一組。

3 Bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 Bootloader程序設(shè)計(jì)流程

在此系統(tǒng)中，Bootloader劃分為4個模塊，系統(tǒng)初始化模塊、升級控制模塊、Xmodem通信模塊、命令行模塊，其流程圖如圖3所示。系統(tǒng)初始化模塊主要完成時(shí)鐘的初始化、串口的初始化、中斷的初始化以及定時(shí)器的初始化，為其他模塊的運(yùn)行準(zhǔn)備條件;升級控制模塊主要完成應(yīng)用程序備份區(qū)到運(yùn)行區(qū)拷貝的操作，以及應(yīng)用程序的引導(dǎo)，當(dāng)系統(tǒng)中只有Bootloader或者升級第二階段拷貝失敗時(shí)，會保持在Bootloader的主循環(huán)中運(yùn)行;Xmodem通信模塊實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)同上位機(jī)的通信;命令行模塊提供給用戶靈活控制升級的接口，下面詳細(xì)介紹Xmodem通信模塊及命令行模塊的實(shí)現(xiàn)。

3.2 Xmodem通信模塊的實(shí)現(xiàn)

Xmodem協(xié)議是一種串口通信中廣泛用到的異步文件傳輸協(xié)議。分為標(biāo)準(zhǔn)Xmodem和1k－Xmodem兩種，前者以128字節(jié)塊的形式傳輸數(shù)據(jù)，后者字節(jié)塊為1 kbyte，并且每個塊都使用一個校驗(yàn)和過程來進(jìn)行錯誤檢測。Xmodem協(xié)議的格式如圖4所示。其中，SOH為幀頭(1字節(jié));信息包序號為當(dāng)前信息包號(1字節(jié))，范圍為0～255;信息包序號的補(bǔ)碼為當(dāng)前信息包號的補(bǔ)碼(1字節(jié));數(shù)據(jù)區(qū)段為數(shù)據(jù)區(qū)段的長度固定為128字節(jié)(如果是1k－Xmodem則為1024 字節(jié));算術(shù)校驗(yàn)和為1字節(jié)的算術(shù)校驗(yàn)和，只對數(shù)據(jù)區(qū)段計(jì)算后對256取模(如果是1k－Xmodem則為CRC校驗(yàn))。

在此系統(tǒng)中，通過一個狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)了Xmodem協(xié)議的接收端，發(fā)送端可用PC提供的超級終端，Xmodem狀態(tài)機(jī)如圖5所示。

圖5 Xmodem狀態(tài)機(jī)

其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下:

根據(jù)Xmodem的狀態(tài)機(jī)，用switch結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其主流程，并完成每個狀態(tài)下的處理函數(shù)，即可完成Xmodem協(xié)議的接受端。

3.3 命令行模塊的實(shí)現(xiàn)

命令行模塊是升級系統(tǒng)與用戶之間的接口，方便用戶靈活地控制升級時(shí)機(jī)，其至少需要提供兩個接口:1)啟動Xmodem進(jìn)行文件傳輸?shù)慕涌?2)提供對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位的接口。其中第一個接口配合Xmodem完成升級文件到應(yīng)用程序備份區(qū)的拷貝，第二個接口是系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到Bootloader起始地址，完成程序的更新。

命令行可以實(shí)現(xiàn)為，通過匹配命令接口，然后調(diào)用其對應(yīng)的回調(diào)方式，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下:

通過實(shí)現(xiàn)命令處理函數(shù)CLI_ProcFWDL(VOID)，CLI_ProcSWRST(VOID)即可完成命令行模塊的設(shè)計(jì)。

4 測試結(jié)果

按照前面所述的硬件結(jié)構(gòu)和軟件實(shí)現(xiàn)搭建好測試環(huán)境后，將1.0版本的 Bootloader燒寫到Flash，將1.0版本的應(yīng)用程序通過PC機(jī)提供的超級終端下載至備份區(qū)并升級到運(yùn)行區(qū)，如圖6所示。

1)功能性測試。由圖6可知，應(yīng)用程序能夠成功的從1.0版本升級到1.1版本，Bootloader版本在必要時(shí)(一般不需要升級Bootloader)也能夠升級到1.1版本。

2)穩(wěn)定性測試。在通信的過程中斷電或者取消Xmodem的傳輸，升級標(biāo)志位不會被置，系統(tǒng)均能夠保持在應(yīng)用程序的當(dāng)前版本運(yùn)行;在從備份區(qū)拷貝至執(zhí)行區(qū)的過程中斷電，當(dāng)前版本的應(yīng)用程序被破壞，但系統(tǒng)能夠維持在Bootloader中的while(1)循環(huán)中運(yùn)行，由于此過程所需時(shí)間很少(100 ms級)，此種情況發(fā)生的概率很小，而且一旦出現(xiàn)，系統(tǒng)能夠通過再次升級，恢復(fù)至原應(yīng)用程序。

3)靈活性測試。在此系統(tǒng)中用戶可以靈活地控制下載新程序，以及升級到新程序的時(shí)機(jī)，在新程序成功下載到備份區(qū)之后，只要用戶不發(fā)Boot命令或遇到異常重啟，系統(tǒng)均不會更新至新版本，而保持在當(dāng)前版本運(yùn)行。

圖6 在線升級系統(tǒng)測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文結(jié)合嵌入式產(chǎn)品的在線升級的需求，對比了兩種升級方案的實(shí)現(xiàn)，提出了一種改進(jìn)的在線升級方案，由測試結(jié)果可以看出，該方案可靠性好、靈活度高、通用性強(qiáng)，設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于基于Freescale MC9S12XD系列單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)中，對實(shí)際的嵌入式應(yīng)用有一定的參考意義。

［1］武國平，史儀凱.ARM7處理器Bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微處理機(jī)，2010，31(5):103－106.

［2］鄧中亮，孫靜.嵌入式設(shè)備在線系統(tǒng)升級的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30(13):3085－3087.

［3］尹恒，嚴(yán)華.一種針對嵌入式遠(yuǎn)程升級安全的存儲解決方案［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，31(4):992－994.

［4］王恒，王颋，王泉，等.基于Bootloader的可靠嵌入式軟件遠(yuǎn)程更新機(jī)制［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，20:57－59.

［5］聶章龍，王宜懷.Freescale HC08系列MCU集成開發(fā)系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31(3):518－520.

［6］馬學(xué)文，朱名日，程小輝.嵌入式系統(tǒng)中Bootloader的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2005，31(7):96－97.

［7］孫同景，陳桂友.Freescale 9S12十六位單片機(jī)原理及嵌入式開發(fā)技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［8］邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.