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隨著(zhù)電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，嵌入式系統已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)、軍事、通信、信息家電等領(lǐng)域，但是面對新技術(shù)的不斷涌現和對系統功能、性能以及規模要求的不斷提高，開(kāi)發(fā)者必須能夠針對客戶(hù)的需求及時(shí)對系統進(jìn)行升級或維護，以延長(cháng)系統使用周期，改善系統性能，增強系統適應性。 傳統的嵌入式系統升級方式通常由維護人員到達設備現場(chǎng)，開(kāi)箱重寫(xiě)或者更換FLASH存儲部件，當設備數目龐大并且分布范圍廣泛時(shí)，這種升級維護方式的工作量將非常大，而且耗費的時(shí)間長(cháng)、成本高。近年來(lái)通過(guò)以太網(wǎng)和在FLAsH上建立TFFS文件系統的方法，能很好地解決批量升級的問(wèn)題。但對于野外偏遠地區或海上等有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )無(wú)法到達的地方，此方法也難以實(shí)現。 在此提出基于GPRS的嵌入式系統軟件的遠程在線(xiàn)升級方案，利用GPRS網(wǎng)絡(luò )無(wú)需現場(chǎng)布線(xiàn)和“實(shí)時(shí)在線(xiàn)”、“按量計費”、“快捷登錄”、“高速傳輸”的特點(diǎn)，只要遠程終端在移動(dòng)公網(wǎng)覆蓋的范圍內，均可實(shí)現升級數據的遠程傳輸；為了克服無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相對有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )因地形或環(huán)境等因素造成誤碼或掉線(xiàn)的不足，采用應答機制與斷點(diǎn)續傳技術(shù)，確保數據傳輸的準確性和可靠性；通過(guò)對嵌入式芯片內部FLASH存儲器的存儲空間進(jìn)行劃分和升級文件傳輸的數據格式進(jìn)行定義，再利用IAP技術(shù)實(shí)現系統軟件的在線(xiàn)升級，較好地解決了數量龐大并且分布范圍較廣的設備在線(xiàn)升級或維護的問(wèn)題。 1 系統結構 系統結構如圖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內核的嵌入式控制芯片(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ARM芯片)和GPRS Modem模塊，兩者之間通過(guò)RS 232總線(xiàn)連接；服務(wù)器與遠程終端通過(guò)GPRS進(jìn)行通信。用戶(hù)需要升級遠程終端時(shí)，首先將服務(wù)器端的升級標志位置1，通過(guò)GPRS將升級標志位傳給遠程終端，遠程終端上電后將自動(dòng)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(guò)GPRS透明的下載到遠程終端，實(shí)現數據的傳輸及更新，從而達到遠程終端的嵌入式系統軟件的在線(xiàn)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芯片內部FLASH存儲器的數據進(jìn)行擦除及下載，目前很多ARM芯片支持多種方式對FLASH進(jìn)行編程，ARM芯片內部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(kāi)發(fā)期的調試；ISP需要提供一定的硬件資源和中止應用軟件的運行，適用于便攜式設備的升級；IAP與ISP非常相似．主要區別是IAP允許在應用程序正常運行的情況下，對FLASH存儲器中另外一段程序進(jìn)行讀／寫(xiě)操作，甚至可以控制對某段、某頁(yè)的讀／寫(xiě)操作，為數據存儲和固件的自動(dòng)升級帶來(lái)了極大的靈活性。該方案通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )傳輸升級文件的程序代碼，利用ARM內部的FLASH存儲器及其IAP編程，實(shí)現終端的嵌入式系統軟件的遠程無(wú)線(xiàn)在線(xiàn)升級。有關(guān)IAP的命令碼、狀態(tài)碼和命令詳解以及IAP功能的詳細應用見(jiàn)參考文獻。 2．2 遠程終端的程序設計 為了在線(xiàn)升級，將ARM芯片內部FLASH存儲器按圖2所示劃分為啟動(dòng)區、用戶(hù)代碼跳轉區、用戶(hù)代碼1區和用戶(hù)代碼2區。其中啟動(dòng)區用于存放系統初始化和啟動(dòng)代碼，用戶(hù)代碼跳轉區用于存放跳轉到相應用戶(hù)代碼區的指令．用戶(hù)代碼1區和用戶(hù)代碼2區用于交替存放當前終端正在執行的用戶(hù)代碼和升級的用戶(hù)代碼。若當前終端執行的用戶(hù)程序存放在1區，則將接收到的升級程序存放到2區；待升級程序接收結束后，更改用戶(hù)代碼跳轉區的指令，使其指向升級程序，即用戶(hù)代碼2區；此后用戶(hù)代碼2區的程序成為當前終端指向的用戶(hù)程序，而用戶(hù)代碼1區則用于下次升級代碼的存放區。 遠程終端上電后首先進(jìn)入啟動(dòng)區進(jìn)行系統的初始化；接著(zhù)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(gè)數據包的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)所要升級數據的指令，而且指令中將包含終端上次已接收到的最后一個(gè)數據包的ID，這樣可以避免已接收的數據包的重復發(fā)送，并實(shí)現續傳的功能。終端從GPRS網(wǎng)絡(luò )接收數據包后對數據包進(jìn)行解析和校驗判斷，并與服務(wù)器形成一問(wèn)一答的應答機制。FLASH中進(jìn)行數據編程的最小單位是頁(yè)(512個(gè)字節)，當接收到的升級數據達到1頁(yè)后．通過(guò)IAP進(jìn)行編程。如果當前運行的用戶(hù)程序代碼在1區，則把升級數據保存到2區，否則保存到1區。編程成功后，將最后一條數據包的ID保存到E2PROM中。所有升級數據發(fā)送結束并編程成功后，通過(guò)IAP修改用戶(hù)代碼跳轉區的指令，使遠程終端運行新的升級代碼。 3 服務(wù)器端的軟件設計 3．1 升級文件傳輸的數據格式 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(jìn)行打包，然后加人相應的數據包ID號和校驗碼，并定義數據包長(cháng)度≤256個(gè)字節，以適應G：PRS通信方式對數據包長(cháng)度的要求，避免出現頻繁掉線(xiàn)和發(fā)送不出去的問(wèn)題。具體的數據包格式如下：數據包格式：PacklD+起始地址+長(cháng)度+數據+校驗碼；PackID：一個(gè)完整的數據包為一個(gè)記錄，下一個(gè)數據包的記錄號自動(dòng)加1；起始地址：燒寫(xiě)數據的FLASH首地址。即數據部分中包含的第一條數據的記錄地址+線(xiàn)性擴展地址；長(cháng)度：該包數據部分的字節數；數據：同一個(gè)擴展線(xiàn)性地址記錄內且地址連續的數據記錄的數據域。當讀到一個(gè)擴展線(xiàn)性地址記錄號后，將此擴展線(xiàn)性地址記錄號內的數據區域打包成256個(gè)字節之內的數據包，超過(guò)256個(gè)字節或讀到下一個(gè)擴展線(xiàn)性記錄號時(shí)則另起一個(gè)新的數據包；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節所示的數據包格式進(jìn)行打包。并對每個(gè)數據包進(jìn)行編號。 接著(zhù)如圖4所示，服務(wù)器發(fā)送升級指令，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )透明傳輸到遠程終端。如果當前運行的用戶(hù)程序代碼在1區，則將2區升級數據發(fā)送給遠程終端，否則將2區升級數據發(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(guò)程中可能出現阻塞或斷開(kāi)的情況。 如果服務(wù)器在一定的時(shí)間內沒(méi)有收到遠程終端的應答信號，則重發(fā)，如果三次重發(fā)失敗則保存成功接收到的數據塊ID號和數據校驗碼，進(jìn)入斷點(diǎn)續傳。升級文件傳輸完畢則發(fā)送跳轉指令，使遠程終端執行新的程序代碼。 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(lái)，使得編程思路更加清晰，Update ID標志了用戶(hù)程序目前所在存儲區；Update User Zone為升級做好文件配置準備工作，LastOrder為斷點(diǎn)續傳做好準備，保證整個(gè)程序的緊密性以及可靠性。 4 結 語(yǔ) 該方案采用應答機制、斷點(diǎn)續傳、CRC校驗等技術(shù)，充分利用ARM芯片內部FLASH存儲器資源，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現對ARM嵌入式終端的系統軟件進(jìn)行遠程在線(xiàn)升級，解決了大型分布式監控系統遠程嵌入式終端系統軟件的在線(xiàn)升級和維護問(wèn)題。該方案已經(jīng)成功地應用在南京航道局的航標自動(dòng)監測系統中，該系統有600多盞安裝有嵌入式終端的航標燈，對該系統進(jìn)行在線(xiàn)升級僅耗時(shí)20 min，且一次性升級成功。實(shí)踐證明，該方案的實(shí)施可有效降低工程復雜度，縮短升級時(shí)間，節約升級、維護成本，同時(shí)具有升級成功率高和升級速度快的特點(diǎn)。 |
