嵌入式終端斷點續(xù)傳網(wǎng)絡升級方案的實現(xiàn)

嵌入式終端斷點續(xù)傳網(wǎng)絡升級方案的實現(xiàn)摘要：本方案實現(xiàn)了一種以ST公司的STM32F103ZET為平臺的嵌入式系統(tǒng)軟件遠程升級方案，此方案以IAP技術(shù)為主要基礎，通過移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡對MCU（指代STM32，下同）程序存儲區(qū)進行實時更新，并支持斷點續(xù)傳，有效地保證了嵌入式終端能夠快捷、安全、穩(wěn)定地進行固件遠程升級。作為方案的技術(shù)支撐，本文還對STM32程序存儲區(qū)的結(jié)構(gòu)、BOOTLOADER的設計及從BOOTLOADER到用戶程序的跳轉(zhuǎn)過程等內(nèi)容進行了詳述。關鍵詞：嵌入式；STM32；遠程升級；斷點續(xù)傳1引言嵌入式終端因其靈活便利、性價比高、嵌入性強的特點，被廣泛地應用在各個場所和行業(yè)，發(fā)揮著重要的作用。如今隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和迅速普及，作為其中不可或缺的一環(huán)，市場對嵌入式終端的要求也隨之變得更加靈活和全面。嵌入式終端實際應用過程中，無論是用戶需求的變化，或是系統(tǒng)軟件的修繕，均需要對終端固件進行升級。而傳統(tǒng)的升級方法，則是由工作人員到終端應用現(xiàn)場進行開箱或拆機，將終端通過UART、J-Link、USB等方式連接電腦后進行固件燒寫。但由于嵌入式終端安裝環(huán)境存在復雜多樣的特點，這種升級方法不但人力成本和物力成本高，效率低下，并且在某些應用環(huán)境下（如高空、有毒、輻射等）進行人工升級還會對工作人員的人身安全產(chǎn)生威脅。通過移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（以下稱為GPRS）對嵌入式終端固件進行遠程無線升級，則不存在上述問題。GPRS具有無需布線、實時在線、流量計費、成本低廉的特點，采用GPRS進行通信的的嵌入式終端，不僅能夠縮減安裝工作量，還大幅度降低了終端的維護成本，只要終端安裝地點在GPRS基站的覆蓋范圍內(nèi)，即具備遠程升級固件的客觀條件。本文將以ST公司的STM32F1xx系列為平臺，介紹以IAP技術(shù)為主要基礎的嵌入式終端無線升級方案的實現(xiàn)。本方案還針對偏遠區(qū)域無線網(wǎng)絡穩(wěn)定性差、誤碼率高的問題，設計了嚴密的數(shù)據(jù)校驗和可靠的斷點續(xù)傳機制，從而保證固件數(shù)據(jù)包能夠完整無誤地被終端接收，進而安全地進行IAP升級，保障終端的正常運行。此方案現(xiàn)已在蔗糖稅控系統(tǒng)中得到驗證和應用。2系統(tǒng)框架系統(tǒng)框架如下圖所示。嵌入式終端中，GPRS模塊通過RS232總線與STM32的USART口連接，負責將接收到的移動網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳送給MCU，或是將MCU要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡發(fā)至后臺服務器；SD卡通過SPI總線與MCU連接，用于在終端接收固件時臨時存放固件數(shù)據(jù)，以及保存固件更新進度、版本號等關鍵信息。本地環(huán)境包括用于開發(fā)、編譯終端固件的上位機，以及用于與終端進行數(shù)據(jù)交互的后臺服務器。當需要更新終端固件時，由工作人員將終端固件從上位機上傳至服務器并啟動更新程序，接下來則由服務器通過透明傳輸模式，采用自定義通信協(xié)議與終端進行數(shù)據(jù)交流，直至固件更新完畢。圖1系統(tǒng)框架圖3終端軟件設計3.1IAP技術(shù)IAP是InApplicationProgramming的首字母縮寫，意指用戶程序在運行過程中對程序存儲區(qū)（以下稱為flash）指定區(qū)域進行燒寫，目的是為了在產(chǎn)品發(fā)布后可以方便地通過預留的通信接口對產(chǎn)品中的固件程序進行更新升級。本方案所用主控芯片STM32F103ZET的內(nèi)置flash物理地址范圍為0x08000000至0X0807FFFF,容量為512KByte。為了實現(xiàn)IAP功能，現(xiàn)將flash從邏輯上劃分為bootloader和app兩個區(qū)域，劃分結(jié)構(gòu)如下圖所示：從圖2可以看到，引導程序（Bootloader）區(qū)域的起始地址為0x08000000，容量分別64KBbyte；固件（App）的起始地址為0x08010000，容量為448Kbyte。兩者的容量可視實際情況進行劃分，甚至可以劃分多個固件區(qū)域，但起始地址必須是0x08000000+4n（n為大于0的整數(shù)）。引導程序，在終端出廠前即通過J-Link燒錄到指定區(qū)域（即引導程序區(qū)）。引導程序不負責終端的功能實現(xiàn)，而是對外設進行初始化，以及檢查是否需要更新固件。若有需要更新的固件，則將新的固件數(shù)據(jù)寫入固件區(qū)域，并在寫入完畢后引導MCU跳轉(zhuǎn)至固件；若沒有需要更新的固件，則直接引導MCU執(zhí)行固件程序。固件作為是終端軟件的主體部分，負責終端功能的實現(xiàn)，也負責通過GPRS與后臺服務器進行交互，以接收、校驗和保存新固件的數(shù)據(jù)。出廠固件可以在終端出廠前通過J-Link預先燒寫，也可以將其保存在外置存儲器，在終端啟動后由引導程序自動進行燒寫。1233.13.2引導程序設計如3.1所述，STM32內(nèi)部flash的起始地址為0x08000000,即引導程序的起始地址。終端上電復位后，MCU從0x08000004地址取出復位中斷向量的地址，并跳轉(zhuǎn)到復位中斷服務程序，在運行完復位中斷服務程序后，跳轉(zhuǎn)到引導程序的main函數(shù)中，開始執(zhí)行外設初始化。在外設初始化完畢后，程序讀取SD卡中的指定地址的標志位，若標志位提示SD卡中存在需要更新的固件，則從SD卡中讀取固件數(shù)據(jù)保存到臨時buffer中（本文以SDHCv2為例，每次讀取1個block，即512字節(jié)），然后將buffer中的每2個連續(xù)字節(jié)拼接為1個半字，按順序?qū)懭雱澏ǖ墓碳^(qū)域。每寫完一個block的數(shù)據(jù)后，還需要分別將此block數(shù)據(jù)從flash中讀出并進行一次CRC32計算和對比，以確保寫入的數(shù)據(jù)準確無誤。如此循環(huán)直至SD卡中保存的所有固件數(shù)據(jù)處理完畢。 圖3引導程序跳轉(zhuǎn)及固件運行基本流程固件數(shù)據(jù)寫入完成后，跳轉(zhuǎn)代碼會將程序從引導區(qū)跳轉(zhuǎn)到固件區(qū)。此跳轉(zhuǎn)動作是通過修改強制修改PC寄存器（程序計數(shù)器）的值來實現(xiàn)的。3.3遠程升級模塊設計固件的實現(xiàn)基于多任務實時操作系統(tǒng)，使得嵌入式設備的主要功能模塊與固件升級模塊的運行互不影響。固件中遠程升級模塊的主要內(nèi)容包括：接收固件數(shù)據(jù)、校驗固件數(shù)據(jù)及保存固件數(shù)據(jù)，其工作流程如圖4所示。升級模塊中實現(xiàn)斷點續(xù)傳的關鍵，在于服務器將固件分割為若干個數(shù)據(jù)包進行發(fā)送（在本例中每個數(shù)據(jù)包為512字節(jié)大小），且為每個數(shù)據(jù)包指定了序號，終端在接收、校驗、保存每一個固件數(shù)據(jù)包后，將該數(shù)據(jù)包的序號保存到SD卡中，即使傳輸被長時間中斷，終端也能夠在接收到固件升級啟動命令后，準確地告知服務器上次傳輸時斷開的序號，服務器即可直接從上次傳輸時斷開的位置開始繼續(xù)發(fā)送剩下的數(shù)據(jù)包。圖4在線升級模塊工作流程4服務器客戶端設計嵌入式設備的新固件上傳至服務器后，由客戶端對其進行大小統(tǒng)計、總包CRC32計算、分包及分包CRC32計算。當有設備需要升級時，用戶在客戶端上指定其ID號后，啟動升級流程?？蛻舳松壒ぷ髁鞒倘鐖D5所示。5結(jié)束語本設計采用自定義協(xié)議、CRC校驗、應答機制等技術(shù)，通過移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，實現(xiàn)了對嵌入式終端系統(tǒng)固件遠程升級的功能，為各類無人值守的自動化分布式采集/監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點升級及維護提供了可靠的解決方案。目前此方案已經(jīng)成功地應用在廣西糖廠稅控系統(tǒng)中，該系統(tǒng)共安裝嵌入式終端240多臺，分布安裝于廣西全區(qū)內(nèi)各糖廠中，位置分散且距離遠，利用此方案對終端進行遠程升級，極大減少了系統(tǒng)維護工作中人力物力成本的消耗。參考文獻JosephYiu.Cortex-M3權(quán)威指南，2009STMicroel