基于GPRS的嵌入式系統(tǒng)軟件的遠程在線升級

0 引 言
    隨著電子技術(shù)、計算機技術(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，但是面對新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和對系統(tǒng)功能、性能以及規(guī)模要求的不斷提高，開發(fā)者必須能夠針對客戶的需求及時對系統(tǒng)進行升級或維護，以延長系統(tǒng)使用周期，改善系統(tǒng)性能，增強系統(tǒng)適應(yīng)性。
    傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)升級方式通常由維護人員到達設(shè)備現(xiàn)場，開箱重寫或者更換FLASH存儲部件，當設(shè)備數(shù)目龐大并且分布范圍廣泛時，這種升級維護方式的工作量將非常大，而且耗費的時間長、成本高。近年來通過以太網(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的問題。但對于野外偏遠地區(qū)或海上等有線網(wǎng)絡(luò)無法到達的地方，此方法也難以實現(xiàn)。
    在此提出基于GPRS的嵌入式系統(tǒng)軟件的遠程在線升級方案，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)無需現(xiàn)場布線和“實時在線”、“按量計費”、“快捷登錄”、“高速傳輸”的特點，只要遠程終端在移動公網(wǎng)覆蓋的范圍內(nèi)，均可實現(xiàn)升級數(shù)據(jù)的遠程傳輸；為了克服無線網(wǎng)絡(luò)相對有線網(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)答機制與斷點續(xù)傳技術(shù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和可靠性；通過對嵌入式芯片內(nèi)部FLASH存儲器的存儲空間進行劃分和升級文件傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式進行定義，再利用IAP技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的在線升級，較好地解決了數(shù)量龐大并且分布范圍較廣的設(shè)備在線升級或維護的問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由服務(wù)器和遠程終端組成，其中遠程終端包括基于ARM內(nèi)核的嵌入式控制芯片(以下簡稱ARM芯片)和GPRS Modem模塊，兩者之間通過RS 232總線連接；服務(wù)器與遠程終端通過GPRS進行通信。用戶需要升級遠程終端時，首先將服務(wù)器端的升級標志位置1，通過GPRS將升級標志位傳給遠程終端，遠程終端上電后將自動檢測升級標志位，若標志位為1表示需要升級，否則不升級。然后，服務(wù)器將升級文件通過GPRS透明的下載到遠程終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸及更新，從而達到遠程終端的嵌入式系統(tǒng)軟件的在線升級的目的。

2 遠程終端軟件升級的關(guān)鍵技術(shù)
2．1 FLASH存儲器編程
    遠程終端的升級主要是對ARM芯片內(nèi)部FLASH存儲器的數(shù)據(jù)進行擦除及下載，目前很多ARM芯片支持多種方式對FLASH進行編程，ARM芯片內(nèi)部FLAsH存儲器的編程有JTAG，ISP和IAP三種方式：JTAG編程主要用于產(chǎn)品開發(fā)期的調(diào)試；ISP需要提供一定的硬件資源和中止應(yīng)用軟件的運行，適用于便攜式設(shè)備的升級；IAP與ISP非常相似．主要區(qū)別是IAP允許在應(yīng)用程序正常運行的情況下，對FLASH存儲器中另外一段程序進行讀／寫操作，甚至可以控制對某段、某頁的讀／寫操作，為數(shù)據(jù)存儲和固件的自動升級帶來了極大的靈活性。該方案通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸升級文件的程序代碼，利用ARM內(nèi)部的FLASH存儲器及其IAP編程，實現(xiàn)終端的嵌入式系統(tǒng)軟件的遠程無線在線升級。有關(guān)IAP的命令碼、狀態(tài)碼和命令詳解以及IAP功能的詳細應(yīng)用見參考文獻。
2．2 遠程終端的程序設(shè)計
    為了在線升級，將ARM芯片內(nèi)部FLASH存儲器按圖2所示劃分為啟動區(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)。其中啟動區(qū)用于存放系統(tǒng)初始化和啟動代碼，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)用于交替存放當前終端正在執(zhí)行的用戶代碼和升級的用戶代碼。若當前終端執(zhí)行的用戶程序存放在1區(qū)，則將接收到的升級程序存放到2區(qū)；待升級程序接收結(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)則用于下次升級代碼的存放區(qū)。
    遠程終端上電后首先進入啟動區(qū)進行系統(tǒng)的初始化；接著終端從片外的E2PROM中讀取升級配置，包括升級標志位、已接收到的最后一個數(shù)據(jù)包的ID等。若終端處于升級狀態(tài)，則如圖3所示，向服務(wù)器發(fā)所要升級數(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)包后對數(shù)據(jù)包進行解析和校驗判斷，并與服務(wù)器形成一問一答的應(yīng)答機制。FLASH中進行數(shù)據(jù)編程的最小單位是頁(512個字節(jié))，當接收到的升級數(shù)據(jù)達到1頁后．通過IAP進行編程。如果當前運行的用戶程序代碼在1區(qū)，則把升級數(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。所有升級數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束并編程成功后，通過IAP修改用戶代碼跳轉(zhuǎn)區(qū)的指令，使遠程終端運行新的升級代碼。

3 服務(wù)器端的軟件設(shè)計
3．1 升級文件傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式
    為了達到快速準確升級的目的，首先對原始的升級代碼(Intel Hex文件)進行打包，然后加人相應(yīng)的數(shù)據(jù)包ID號和校驗碼，并定義數(shù)據(jù)包長度≤256個字節(jié)，以適應(yīng)G：PRS通信方式對數(shù)據(jù)包長度的要求，避免出現(xiàn)頻繁掉線和發(fā)送不出去的問題。具體的數(shù)據(jù)包格式如下：數(shù)據(jù)包格式：PacklD+起始地址+長度+數(shù)據(jù)+校驗碼；PackID：一個完整的數(shù)據(jù)包為一個記錄，下一個數(shù)據(jù)包的記錄號自動加1；起始地址：燒寫數(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+線性擴展地址；長度：該包數(shù)據(jù)部分的字節(jié)數(shù)；數(shù)據(jù)：同一個擴展線性地址記錄內(nèi)且地址連續(xù)的數(shù)據(jù)記錄的數(shù)據(jù)域。當讀到一個擴展線性地址記錄號后，將此擴展線性地址記錄號內(nèi)的數(shù)據(jù)區(qū)域打包成256個字節(jié)之內(nèi)的數(shù)據(jù)包，超過256個字節(jié)或讀到下一個擴展線性記錄號時則另起一個新的數(shù)據(jù)包；校驗碼：CRC循環(huán)冗余校驗碼。
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)器先把升級文件的路徑配置完畢，并將要升級的目標程序代碼按照第3．1節(jié)所示的數(shù)據(jù)包格式進行打包。并對每個數(shù)據(jù)包進行編號。

    接著如圖4所示，服務(wù)器發(fā)送升級指令，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)透明傳輸?shù)竭h程終端。如果當前運行的用戶程序代碼在1區(qū)，則將2區(qū)升級數(shù)據(jù)發(fā)送給遠程終端，否則將2區(qū)升級數(shù)據(jù)發(fā)送給遠程終端。由于地形和環(huán)境因素的影響，GPRS網(wǎng)絡(luò)在遠程通信過程中可能出現(xiàn)阻塞或斷開的情況。
    如果服務(wù)器在一定的時間內(nèi)沒有收到遠程終端的應(yīng)答信號，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號和數(shù)據(jù)校驗碼，進入斷點續(xù)傳。升級文件傳輸完畢則發(fā)送跳轉(zhuǎn)指令，使遠程終端執(zhí)行新的程序代碼。
3．3 服務(wù)器端西己置表
    服務(wù)器端升級配置表中重要字段的配置如下：
    這些字段將服務(wù)器和遠程終端緊密地聯(lián)系起來，使得編程思路更加清晰，Update ID標志了用戶程序目前所在存儲區(qū)；Update User Zone為升級做好文件配置準備工作，LastOrder為斷點續(xù)傳做好準備，保證整個程序的緊密性以及可靠性。

4 結(jié) 語
    該方案采用應(yīng)答機制、斷點續(xù)傳、CRC校驗等技術(shù)，充分利用ARM芯片內(nèi)部FLASH存儲器資源，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對ARM嵌入式終端的系統(tǒng)軟件進行遠程在線升級，解決了大型分布式監(jiān)控系統(tǒng)遠程嵌入式終端系統(tǒng)軟件的在線升級和維護問題。該方案已經(jīng)成功地應(yīng)用在南京航道局的航標自動監(jiān)測系統(tǒng)中，該系統(tǒng)有600多盞安裝有嵌入式終端的航標燈，對該系統(tǒng)進行在線升級僅耗時20 min，且一次性升級成功。實踐證明，該方案的實施可有效降低工程復(fù)雜度，縮短升級時間，節(jié)約升級、維護成本，同時具有升級成功率高和升級速度快的特點。