一種高效的嵌入式系統(tǒng)固件局部更新方法

黃 鑫， 吳躍前， 王德明

(1. 華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院， 廣州 510006； 2. 廣東省工業(yè)和信息化廳， 廣州 510030)

嵌入式系統(tǒng)具有功耗低、集成度高的特點，隨著工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)和智能制造等快速的發(fā)展和推進，其結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、功能越來越強大，在生產(chǎn)和生活中具有廣闊的應(yīng)用前景[1]. 預(yù)計到2025年，投入使用的嵌入式設(shè)備將會有1～3萬億臺[2].

固件(包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、驅(qū)動程序、中間件、用戶接口資源文件和配置文件等)是嵌入式系統(tǒng)中基礎(chǔ)、底層的工作軟件. 嵌入式系統(tǒng)在開發(fā)過程中需要頻繁更新固件來進行調(diào)試，在使用過程中也需要偶爾更新固件來進行功能升級[3]. 根據(jù)運算和內(nèi)存資源的大小，將嵌入式系統(tǒng)分為資源豐富型嵌入式系統(tǒng)(Resource-rich Embedded System，RRES)[4-5]和資源緊缺型嵌入式系統(tǒng)(Resource-scarce Embedded System，RSES)[6]. 其中，RRES的內(nèi)存在MB級以上，其操作系統(tǒng)已集成了調(diào)試子系統(tǒng)，可以采用高效的基于GDBServer的固件局部更新方法(GDBServer-based Local Firmware Update，GDBL-FU)[7]；RSES的內(nèi)存在MB級以下，不足以支撐GDB調(diào)試機制，一般采用低效、耗時的固件整體更新方法. 然而，RSES因為其成本低的優(yōu)勢，在消費類電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用.

在使用過程中，嵌入式系統(tǒng)普遍采用在線升級的固件整體更新方法[8]：在不斷電或保持系統(tǒng)正常運行的情況下，通過JTAG(Joint Test Action Group)接口[9-10]、串口[11]、無線網(wǎng)絡(luò)[12]或有線網(wǎng)絡(luò)[13]實現(xiàn)對固件的整體更新. 目前，這方面的研究比較成熟，如：李苑等[11]提出了一種兼容串口糾錯協(xié)議和遠程文件傳輸協(xié)議的固件升級方法；許金宇等[14]提出了一種基于S3C2440A芯片的嵌入式設(shè)備在線系統(tǒng)升級的方法；陳長等[13]提出了一種基于SiTCP通信協(xié)議的FPGA可回滾遠程固件更新方法；袁鳳培[15]針對煤礦多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提出了一種遠程固件整體更新方法，其目的在于高效地批量更新多個設(shè)備的固件；何國鋒等[16]以可穿戴設(shè)備為例，通過模擬BIOS程序，對Flash分塊操作來實現(xiàn)設(shè)備的固件在線升級. 然而，上述固件整體更新方法[11,13-16]存在效率低的問題. 為此，王豫新和高美鳳[5]提出了一種內(nèi)存消耗低的固件局部更新方法，但是該方法僅適用于RRES，不適用于RSES. 在開發(fā)過程中，RSES普遍采用基于JTAG調(diào)試器的固件整體更新(JTAG Debugger-based Overall Firmware Update，JDO-FU)方法[1,17]：先打包整個新固件，然后利用外存燒寫工具將新固件燒寫到固件區(qū)，再使用調(diào)試器進行調(diào)試[18]. 采用JDO-FU需要耗時間打包和燒寫整個固件，同樣存在效率低的問題. 為了提高效率，郭俊等[6]針對RISC-V處理器，基于BootROM引導(dǎo)流程技術(shù)和IAP技術(shù)[19]提出了一種易操作、高效且穩(wěn)定的固件整體更新方法. 然而，目前尚未有文獻研究RSES在開發(fā)過程中的固件局部更新問題.

針對JDO-FU方法所存在的效率低問題，本文提出了一種高效的固件局部更新方法(Efficient Local Firmware Update，EL-FU)，并在實際系統(tǒng)中對使用該方法的RSES進行了性能測試.

1 基于JTAG調(diào)試器的固件整體更新(JDO-FU)方法

圖1 RSES的典型固件分布

RSES的開發(fā)人員在調(diào)試階段需要頻繁更新自己所負責(zé)的局部代碼，目前普遍采用JDO-FU方法更新整個固件(圖2). 因為JTAG協(xié)議接口不能訪問外存，所以該方法需要用到調(diào)試器和燒寫工具.

圖2 RSES采用JDO-FU方法更新固件的連接示意圖

JDO-FU方法的具體流程(圖3)為：

圖3 JDO-FU方法的流程

步驟1：將各個應(yīng)用程序、驅(qū)動程序和內(nèi)核程序分別編譯鏈接為hex文件；

步驟2：將操作系統(tǒng)、中間件、配置文件、hex文件和用戶接口資源文件整體打包成一個新固件；

步驟3：使用燒寫工具擦除外存中的整個舊固件，并將整個新固件燒寫到外存中；

步驟4：斷開燒寫工具，連接JTAG調(diào)試器，將宿主機上調(diào)試環(huán)境軟件(如IAR、KEIL等)發(fā)出的接收機數(shù)據(jù)接口(Receiver Data Interface,RDI)命令轉(zhuǎn)化為JTAG命令，以對RSES的內(nèi)存區(qū)域進行調(diào)試.

在上述過程中：打包(步驟2)是一個耗時操作，固件越大，耗時越長；切換燒寫工具和調(diào)試器(步驟4)也是一個耗時操作. 因此，JDO-FU方法需要耗費較長時間，使得RSES的開發(fā)存在效率低的問題.

通往空間想象能力深層的必由之路就是由基本知識、基本技能鋪設(shè)的，雙基內(nèi)容應(yīng)該是作為社會人生存、發(fā)展的必備平臺。沒有基礎(chǔ)，就缺乏發(fā)展?jié)撃堋?/p>

2 一種高效的固件局部更新(EL-FU)方法

為了縮短RSES的固件更新時間，提高開發(fā)效率，本文提出了一種高效的固件局部更新(EL-FU)方法. 采用該方法不需要使用燒寫工具，新的局部固件首先由調(diào)試器寫入內(nèi)存，然后由驅(qū)動程序?qū)懭胪獯嬷蓄A(yù)留的局部更新區(qū)域，再由調(diào)試器來調(diào)試(圖4).

圖4 RSES采用EL-FU方法更新固件的連接示意圖

EL-FU方法的核心在于修改操作系統(tǒng)，增加了更新觸發(fā)、固件更新、目錄添加和提醒4個模塊(圖5)，實現(xiàn)了更新局部固件的功能.

圖5 應(yīng)用了EL-FU方法的RSES的系統(tǒng)框圖

RSES采用EL-FU方法后的固件分布(圖6)與典型固件分布(圖1)的區(qū)別在于：(1)在固件區(qū)的末尾預(yù)留局部更新區(qū)域，用于寫入需要更新運行的程序；(2)由于存儲在外存(一般是FLASH)中的文件目錄項不能直接修改，需要在其末尾增加一條指向更新文件的目錄項記錄.

采用EL-FU方法后，RSES具有固件局部更新和程序加載2個狀態(tài)(圖7). 如EL-FU方法的流程(圖7)所示，系統(tǒng)上電后，由啟動模塊加載并運行操作系統(tǒng)，然后由更新觸發(fā)模塊判斷是否收到“更新固件”的命令. 若收到，則進入固件局部更新狀態(tài)，并執(zhí)行以下步驟:

(1)由操作系統(tǒng)加載固件更新模塊及外存對應(yīng)的驅(qū)動程序，運行固件更新模塊程序，接管CPU控制權(quán)，等待用戶通過調(diào)試器寫入新的局部固件;

(2)用戶利用調(diào)試器下載新的局部固件到內(nèi)存，然后將該固件的名稱、大小和起始地址寫入到預(yù)定內(nèi)存，下載時通過腳本控制，采用分塊下載的方式，根據(jù)實際可用內(nèi)存的大小來調(diào)整分塊的大小;

(3)當固件更新模塊監(jiān)控到上述預(yù)定內(nèi)存發(fā)生變化后，解析該預(yù)定內(nèi)存中的內(nèi)容，將新固件寫入到外存固件區(qū)的預(yù)留局部更新區(qū)域;

(4)目錄添加模塊在文件目錄項區(qū)的末尾新增一條指向更新文件的目錄項. 這時，指向新版本文件的目錄項位于目錄項區(qū)的末尾，而指向舊版本文件的目錄項位于目錄項區(qū)域的前面;

(5)提醒模塊提示更新結(jié)束，重啟系統(tǒng).

若沒有收到，則進入程序加載狀態(tài)，并執(zhí)行以下步驟:

(1)目錄檢索模塊從文件目錄項區(qū)的末尾開始往前檢索，即可最先找到最新版本的程序?qū)?yīng)的目錄項;

(2)程序加載模塊加載并運行更新后的程序;

(3)調(diào)試模塊啟動調(diào)試器，調(diào)試更新后的程序.

與JDO-FU方法相比，EL-FU方法不需要重新打包、擦除和燒寫整個固件，也不需要切換調(diào)試工具和燒寫工具，可縮短固件更新的時間，從而提高開發(fā)的效率. EL-FU方法適用于更新應(yīng)用程序、驅(qū)動程序、中間件、用戶接口資源文件和配置文件等固件，但該方法需要操作系統(tǒng)的協(xié)助來更新固件，因此該方法不適用于更新操作系統(tǒng).

3 性能測試

3.1 資源緊缺型嵌入式系統(tǒng)(RSES)上2種方法的固件更新效率對比

在某資源緊缺型嵌入式系統(tǒng)(RSES)上，比較分別使用EL-FU、JDO-FU方法更新局部固件的效率.

該RSES(圖8)的特征為：(1)屬于藍牙音頻片上系統(tǒng)；(2)內(nèi)核為MIPS32 M4K、主頻為104 MHz、內(nèi)存為128 KB；(3)上層應(yīng)用的代碼約200 KB，藍牙協(xié)議棧的代碼約500 KB，操作系統(tǒng)、中間件和驅(qū)動程序等代碼約400 KB；(4)主要應(yīng)用于有屏音箱方案，支持藍牙播放、錄音、迷你卡拉OK和電子書等功能；(5)調(diào)試器使用SWD(Serial Wire Debug)模式，下載速率為5 Mbit/s；(6)具有芯片原廠統(tǒng)一發(fā)布的針對NAND FLASH量產(chǎn)的燒寫工具. 為了實現(xiàn)EL-FU方法，需要修改該RSES的操作系統(tǒng)，但修改后的操作系統(tǒng)僅增加了3 KB代碼，對系統(tǒng)固件大小的改變可以忽略.

圖8 測試裝置圖

EL-FU方法的主要操作步驟包括：(1)切換到編譯目錄進行編譯；(2)重啟開發(fā)板，通過按鍵進入局部更新狀態(tài)；(3)利用調(diào)試器下載新的局部固件；(4)重啟開發(fā)板，進入正常運行狀態(tài)；(5)執(zhí)行調(diào)試命令，啟動調(diào)試. JDO-FU方法的主要操作步驟包括：(1)切換到編譯目錄進行編譯；(2)切換到打包目錄打包新的整體固件；(3)運行量產(chǎn)燒寫工具，下載新的整體固件；(4)重啟開發(fā)板，進入正常運行狀態(tài)；(5)切換到新的固件目錄；(6)執(zhí)行調(diào)試命令，啟動調(diào)試.

EL-FU方法能夠通過腳本控制來支持大容量(通常指超過100 KB)固件的更新. 在實際開發(fā)過程中，RSES需要更新的局部固件大小通常為30～100 KB. 因此，本文在該RSES上比較了分別采用EL-FU、JDO-FU方法更新大小分別為30、50、300 KB和1 MB的4個局部固件的時間. 其中，50、300 KB和1 MB的固件都是通過在30 KB固件的基礎(chǔ)上用0填充const data數(shù)據(jù)段來獲得的. 固件更新時間是指從某個應(yīng)用程序修改完源代碼算起，直至完成固件更新重新進入到程序調(diào)試入口所需要的時間，且為連續(xù)20次重復(fù)測試的平均值. 該過程中包含的切換開發(fā)工具、操作電腦目錄等動作均按照開發(fā)人員的日常操作速度來進行. 經(jīng)過80次的重復(fù)測試，在RSES上采用EL-FU方法更新固件的成功率為100%，且系統(tǒng)各項功能運行正常，無異常情況發(fā)生. 因此，在RSES上利用EL-FU方法更新固件是可靠和穩(wěn)定的.

由測試結(jié)果(表1)可知：(1)在開發(fā)過程中，RSES采用傳統(tǒng)JDO-FU方法更新固件需要耗費近480 s的時間，采用EL-FU方法后固件更新時間縮短為67 s，可見，EL-FU方法能夠解決RSES在固件更新時所存在的效率低問題;(2)EL-FU方法的固件更新時間隨著固件大小的增加而小幅增長，這是因為其需要通過腳本控制來分塊下載大容量的固件；(3)JDO-FU方法的固件更新時間隨著固件大小的增加基本保持不變.

表1 在RSES上利用2種方法更新固件的時間

3.2 資源豐富型嵌入式系統(tǒng)(RRES)的固件更新

為了進一步對比分析，在某資源豐富型嵌入式系統(tǒng)(RRES)上，測試了采用GDBL-FU方法更新大小分別為30、50、300 KB和1 MB的4個局部固件的效率(表2). 該RRES的特征為：(1)屬于樹莓派Raspberry Pi 3代B型；(2)內(nèi)核版本為linux-rpi-4.9.y；(3)CPU為四核ARM Cortex-A53，主頻為1.2 GHz；(4)內(nèi)存為1 GB. 可知，該系統(tǒng)的資源比上述RSES充裕很多，其操作系統(tǒng)已集成了調(diào)試子系統(tǒng)，可以采用高效的固件局部更新GDBL-FU方法. 該方法的主要操作步驟包括：(1)切換到編譯目錄進行編譯；(2)下載新的局部固件；(3)執(zhí)行調(diào)試命令，啟動調(diào)試.

由表2可知：在RRES上使用GDBL-FU方法的固件更新時間較短，且隨著局部固件大小的增加而略微增加(增加了1～2 s)，所增加的1～2 s主要由步驟(2)的編譯過程產(chǎn)生. 對比上述RSES和RRES的特征，兩者的運算和內(nèi)存資源相差懸殊. 由于嵌入式系統(tǒng)的資源和成本成正比，因此，成本低的RSES在消費類電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用. 然而，在RSES上使用傳統(tǒng)JDO-FU方法更新固件的效率低. 由表1和表2可知：在RSES上使用EL-FU方法更新固件的效率與在RRES上使用GDBL-FU方法更新固件的效率相近. 這表明：在RSES上使用EL-FU方法更新固件能夠克服運算和內(nèi)存資源少的限制，EL-FU方法是一種適用于RSES的高效固件更新方法.

表2 在RRES上利用GDBL-FU方法更新固件的時間

4 總結(jié)

應(yīng)用廣泛的RSES在開發(fā)過程中需要頻繁地更新固件，而采用傳統(tǒng)的JDO-FU方法更新固件存在耗時長、效率低的問題. 因此，本文提出了一種高效的固件局部更新(EL-FU)方法. 在RSES上采用該方法，不需要使用燒寫工具，不需要打包整個固件，僅利用調(diào)試器就完成局部固件更新.

測試結(jié)果表明：EL-FU方法能夠大大縮短RSES上固件更新的時間，并接近于在RRES上采用GDBL-FU方法更新固件所用時間；應(yīng)用了EL-FU方法的RSES具有可靠性與穩(wěn)定性. 可見，在RSES開發(fā)過程中，可采用EL-FU方法更新應(yīng)用程序、驅(qū)動程序、中間件、用戶接口資源文件和配置文件等固件.

然而，本文所提出的EL-FU方法不能用于更新RSES的操作系統(tǒng)，目前仍需要使用固件整體更新方法來更新操作系統(tǒng). 下一步將針對RSES繼續(xù)開展如下研究：(1)操作系統(tǒng)層的局部更新方法；(2)不需要操作系統(tǒng)協(xié)助的固件局部更新方法.