基于GPRS的嵌入式系統(tǒng)軟件的遠(yuǎn)程在線升級(jí)

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、通信、信息家電等領(lǐng)域，但是面對(duì)新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和對(duì)系統(tǒng)功能、性能以及規(guī)模要求的不斷提高，開(kāi)發(fā)者必須能夠針對(duì)客戶的需求及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)或維護(hù)，以延長(zhǎng)系統(tǒng)使用周期，改善系統(tǒng)性能，增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)性。
??? 傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)升級(jí)方式通常由維護(hù)人員到達(dá)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，開(kāi)箱重寫(xiě)或者更換FLASH存儲(chǔ)部件，當(dāng)設(shè)備數(shù)目龐大并且分布范圍廣泛時(shí)，這種升級(jí)維護(hù)方式的工作量將非常大，而且耗費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)、成本高。近年來(lái)通過(guò)以太網(wǎng)和在FLASH上建立TFFS文件系統(tǒng)的方法，能很好地解決批量升級(jí)的問(wèn)題。但對(duì)于野外偏遠(yuǎn)地區(qū)或海上等有線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法到達(dá)的地方，此方法也難以實(shí)現(xiàn)。
??? 在此提出基于GPRS的嵌入式系統(tǒng)軟件的遠(yuǎn)程在線升級(jí)方案，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)布線和“實(shí)時(shí)在線”、“按量計(jì)費(fèi)”、“快捷登錄”、“高速傳輸”的特點(diǎn)，只要遠(yuǎn)程終端在移動(dòng)公網(wǎng)覆蓋的范圍內(nèi)，均可實(shí)現(xiàn)升級(jí)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸；為了克服無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)因地形或環(huán)境等因素造成誤碼或掉線的不足，采用應(yīng)答機(jī)制與斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性；通過(guò)對(duì)嵌入式芯片內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間進(jìn)行劃分和升級(jí)文件傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式進(jìn)行定義，再利用IAP技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的在線升級(jí)，較好地解決了數(shù)量龐大并且分布范圍較廣的設(shè)備在線升級(jí)或維護(hù)的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，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(以下簡(jiǎn)稱ARM芯片)和GPRS Modem模塊，兩者之間通過(guò)RS 232總線連接；服務(wù)器與遠(yuǎn)程終端通過(guò)GPRS進(jìn)行通信。用戶需要升級(jí)遠(yuǎn)程終端時(shí)，首先將服務(wù)器端的升級(jí)標(biāo)志位置1，通過(guò)GPRS將升級(jí)標(biāo)志位傳給遠(yuǎn)程終端，遠(yuǎn)程終端上電后將自動(dòng)檢測(cè)升級(jí)標(biāo)志位，若標(biāo)志位為1表示需要升級(jí)，否則不升級(jí)。然后，服務(wù)器將升級(jí)文件通過(guò)GPRS透明的下載到遠(yuǎn)程終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸及更新，從而達(dá)到遠(yuǎn)程終端的嵌入式系統(tǒng)軟件的在線升級(jí)的目的。

2 遠(yuǎn)程終端軟件升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)
2．1 FLASH存儲(chǔ)器編程
??? 遠(yuǎn)程終端的升級(jí)主要是對(duì)ARM芯片內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行擦除及下載，目前很多ARM芯片支持多種方式對(duì)FLASH進(jìn)行編程，ARM芯片內(nèi)部FLAsH存儲(chǔ)器的編程有JTAG，ISP和IAP三種方式：JTAG編程主要用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)期的調(diào)試；ISP需要提供一定的硬件資源和中止應(yīng)用軟件的運(yùn)行，適用于便攜式設(shè)備的升級(jí)；IAP與ISP非常相似．主要區(qū)別是IAP允許在應(yīng)用程序正常運(yùn)行的情況下，對(duì)FLASH存儲(chǔ)器中另外一段程序進(jìn)行讀／寫(xiě)操作，甚至可以控制對(duì)某段、某頁(yè)的讀／寫(xiě)操作，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和固件的自動(dòng)升級(jí)帶來(lái)了極大的靈活性。該方案通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸升級(jí)文件的程序代碼，利用ARM內(nèi)部的FLASH存儲(chǔ)器及其IAP編程，實(shí)現(xiàn)終端的嵌入式系統(tǒng)軟件的遠(yuǎn)程無(wú)線在線升級(jí)。有關(guān)IAP的命令碼、狀態(tài)碼和命令詳解以及IAP功能的詳細(xì)應(yīng)用見(jiàn)參考文獻(xiàn)。
2．2 遠(yuǎn)程終端的程序設(shè)計(jì)
??? 為了在線升級(jí)，將ARM芯片內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器按圖2所示劃分為啟動(dòng)區(qū)、用戶代碼跳轉(zhuǎn)區(qū)、用戶代碼1區(qū)和用戶代碼2區(qū)。其中啟動(dòng)區(qū)用于存放系統(tǒng)初始化和啟動(dòng)代碼，用戶代碼跳轉(zhuǎn)區(qū)用于存放跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)用戶代碼區(qū)的指令．用戶代碼1區(qū)和用戶代碼2區(qū)用于交替存放當(dāng)前終端正在執(zhí)行的用戶代碼和升級(jí)的用戶代碼。若當(dāng)前終端執(zhí)行的用戶程序存放在1區(qū)，則將接收到的升級(jí)程序存放到2區(qū)；待升級(jí)程序接收結(jié)束后，更改用戶代碼跳轉(zhuǎn)區(qū)的指令，使其指向升級(jí)程序，即用戶代碼2區(qū)；此后用戶代碼2區(qū)的程序成為當(dāng)前終端指向的用戶程序，而用戶代碼1區(qū)則用于下次升級(jí)代碼的存放區(qū)。
??? 遠(yuǎn)程終端上電后首先進(jìn)入啟動(dòng)區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)的初始化；接著終端從片外的E2PROM中讀取升級(jí)配置，包括升級(jí)標(biāo)志位、已接收到的最后一個(gè)數(shù)據(jù)包的ID等。若終端處于升級(jí)狀態(tài)，則如圖3所示，向服務(wù)器發(fā)所要升級(jí)數(shù)據(jù)的指令，而且指令中將包含終端上次已接收到的最后一個(gè)數(shù)據(jù)包的ID，這樣可以避免已接收的數(shù)據(jù)包的重復(fù)發(fā)送，并實(shí)現(xiàn)續(xù)傳的功能。終端從GPRS網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)包后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析和校驗(yàn)判斷，并與服務(wù)器形成一問(wèn)一答的應(yīng)答機(jī)制。FLASH中進(jìn)行數(shù)據(jù)編程的最小單位是頁(yè)(512個(gè)字節(jié))，當(dāng)接收到的升級(jí)數(shù)據(jù)達(dá)到1頁(yè)后．通過(guò)IAP進(jìn)行編程。如果當(dāng)前運(yùn)行的用戶程序代碼在1區(qū)，則把升級(jí)數(shù)據(jù)保存到2區(qū)，否則保存到1區(qū)。編程成功后，將最后一條數(shù)據(jù)包的ID保存到E2PROM中。所有升級(jí)數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束并編程成功后，通過(guò)IAP修改用戶代碼跳轉(zhuǎn)區(qū)的指令，使遠(yuǎn)程終端運(yùn)行新的升級(jí)代碼。

3 服務(wù)器端的軟件設(shè)計(jì)
3．1 升級(jí)文件傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式
??? 為了達(dá)到快速準(zhǔn)確升級(jí)的目的，首先對(duì)原始的升級(jí)代碼(Intel Hex文件)進(jìn)行打包，然后加人相應(yīng)的數(shù)據(jù)包ID號(hào)和校驗(yàn)碼，并定義數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度≤256個(gè)字節(jié)，以適應(yīng)G：PRS通信方式對(duì)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的要求，避免出現(xiàn)頻繁掉線和發(fā)送不出去的問(wèn)題。具體的數(shù)據(jù)包格式如下：數(shù)據(jù)包格式：PacklD+起始地址+長(zhǎng)度+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)碼；PackID：一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包為一個(gè)記錄，下一個(gè)數(shù)據(jù)包的記錄號(hào)自動(dòng)加1；起始地址：燒寫(xiě)數(shù)據(jù)的FLASH首地址。即數(shù)據(jù)部分中包含的第一條數(shù)據(jù)的記錄地址+線性擴(kuò)展地址；長(zhǎng)度：該包數(shù)據(jù)部分的字節(jié)數(shù)；數(shù)據(jù)：同一個(gè)擴(kuò)展線性地址記錄內(nèi)且地址連續(xù)的數(shù)據(jù)記錄的數(shù)據(jù)域。當(dāng)讀到一個(gè)擴(kuò)展線性地址記錄號(hào)后，將此擴(kuò)展線性地址記錄號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)區(qū)域打包成256個(gè)字節(jié)之內(nèi)的數(shù)據(jù)包，超過(guò)256個(gè)字節(jié)或讀到下一個(gè)擴(kuò)展線性記錄號(hào)時(shí)則另起一個(gè)新的數(shù)據(jù)包；校驗(yàn)碼：CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。
3．2 服務(wù)器端主要程序流程
??? 服務(wù)器端主要程序流程圖如圖4和圖5所示。服務(wù)器先把升級(jí)文件的路徑配置完畢，并將要升級(jí)的目標(biāo)程序代碼按照第3．1節(jié)所示的數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行打包。并對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編號(hào)。

??? 接著如圖4所示，服務(wù)器發(fā)送升級(jí)指令，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)透明傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端。如果當(dāng)前運(yùn)行的用戶程序代碼在1區(qū)，則將2區(qū)升級(jí)數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程終端，否則將2區(qū)升級(jí)數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程終端。由于地形和環(huán)境因素的影響，GPRS網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程通信過(guò)程中可能出現(xiàn)阻塞或斷開(kāi)的情況。
??? 如果服務(wù)器在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到遠(yuǎn)程終端的應(yīng)答信號(hào)，則重發(fā)，如果三次重發(fā)失敗則保存成功接收到的數(shù)據(jù)塊ID號(hào)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼，進(jìn)入斷點(diǎn)續(xù)傳。升級(jí)文件傳輸完畢則發(fā)送跳轉(zhuǎn)指令，使遠(yuǎn)程終端執(zhí)行新的程序代碼。
3．3 服務(wù)器端西己置表
??? 服務(wù)器端升級(jí)配置表中重要字段的配置如下：
??? 這些字段將服務(wù)器和遠(yuǎn)程終端緊密地聯(lián)系起來(lái)，使得編程思路更加清晰，Update ID標(biāo)志了用戶程序目前所在存儲(chǔ)區(qū)；Update User Zone為升級(jí)做好文件配置準(zhǔn)備工作，LastOrder為斷點(diǎn)續(xù)傳做好準(zhǔn)備，保證整個(gè)程序的緊密性以及可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)
??? 該方案采用應(yīng)答機(jī)制、斷點(diǎn)續(xù)傳、CRC校驗(yàn)等技術(shù)，充分利用ARM芯片內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器資源，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)ARM嵌入式終端的系統(tǒng)軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程在線升級(jí)，解決了大型分布式監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程嵌入式終端系統(tǒng)軟件的在線升級(jí)和維護(hù)問(wèn)題。該方案已經(jīng)成功地應(yīng)用在南京航道局的航標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，該系統(tǒng)有600多盞安裝有嵌入式終端的航標(biāo)燈，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行在線升級(jí)僅耗時(shí)20 min，且一次性升級(jí)成功。實(shí)踐證明，該方案的實(shí)施可有效降低工程復(fù)雜度，縮短升級(jí)時(shí)間，節(jié)約升級(jí)、維護(hù)成本，同時(shí)具有升級(jí)成功率高和升級(jí)速度快的特點(diǎn)。