嵌入式系統自更新機制的設計與應用

引 言

隨著(zhù)嵌入式系統的發(fā)展和廣泛應用，必不可少的維護工作變得日益繁重。如移動(dòng)電話(huà)在用戶(hù)使用過(guò)程中，部分未能在軟件研發(fā)階段發(fā)現的缺陷會(huì )逐漸暴露，不可避免地增加了維護成本。又如在設備運行期間，用戶(hù)往往會(huì )基于原有軟硬件對產(chǎn)品提出新功能或更高的性能要求，這對軟件重用性提出了挑戰。在移動(dòng)設備數量較多，而且使用地點(diǎn)無(wú)法預知的情況下，采用傳統的人工更新方式會(huì )耗費大量的人力物力。自更新技術(shù)在嵌入式系統中分為兩個(gè)相互聯(lián)系又相互獨立的階段：首先是將更新包下載至本地移動(dòng)設備中，然后在本地移動(dòng)設備中實(shí)現自更新。
將自更新技術(shù)嵌入RTOS中的關(guān)鍵在于自更新后系統啟動(dòng)的穩定性。嵌入式移動(dòng)系統一般都有獨立的boot―loader對系統進(jìn)行初始化并引導加載內核。這種啟動(dòng)基于bootloader，該自更新機制決定了bootloader不僅僅起到加載內核鏡像這一基本功能，而是被看作是一個(gè)虛擬系統。

1 自更新機制的架構
支持自更新功能的嵌入式系統由服務(wù)器端和客戶(hù)端兩部分組成。服務(wù)器端通過(guò)OMA協(xié)議，與客戶(hù)端建立無(wú)線(xiàn)連接?？蛻?hù)端采用基于A(yíng)RM9的微處理器，配有8 MB的RAM和32 MB的NOR F1ash存儲器，及其他相關(guān)外圍設備，具有相對可見(jiàn)的bootloader程序。自更新機制架構如圖1所示。

自更新機制總體流程如下：a．設備廠(chǎng)商根據需求，生成包括升級到新版本或返回到舊版本的多個(gè)更新包。b．這些更新包將被送至無(wú)線(xiàn)服務(wù)提供商處進(jìn)行統一管理，并最終將更新包提供給用戶(hù)。c．在更新包提供給用戶(hù)前，每個(gè)單獨的移動(dòng)設備將會(huì )選擇最優(yōu)方案(即網(wǎng)絡(luò )提供商)。d．服務(wù)器端通過(guò)傳輸機制(如OMA―DL 1．O協(xié)議標準或網(wǎng)絡(luò )提供商標準)與客戶(hù)端建立會(huì )話(huà)連接，客戶(hù)端將下載并存儲更新包。e．更新應用程序將與用戶(hù)交互以獲得更新權限并進(jìn)入更新進(jìn)程。整個(gè)更新過(guò)程由bootloader完全控制，直到更新成功。f．更新后的目標設備重啟，并將更新結果發(fā)送至服務(wù)器端。

2 更新系統的設計
2．1 Flash存儲器的布局
原有嵌入式系統Flash存儲器的布局如圖2(a)所示。系統啟動(dòng)時(shí)從Flash的首地址開(kāi)始執行，而bootloader和RTOS都位于code區，也就是bootloader并不獨立于內核。將原本與代碼區相鄰的文件系統區后移，用于存儲更新包。這種布局也是很多嵌入式系統所采用的，尤其是許多商業(yè)系統。系統在更新過(guò)程中根據自更新算法與原有代碼區進(jìn)行比對，燒寫(xiě)到Flash中。這種Flash部署方法有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，就是沒(méi)有考慮到更新過(guò)程中可能遇到的突發(fā)事件。比如，在更新過(guò)程中因為不可預料的掉電使得燒寫(xiě)錯誤，完全可能導致軟件更新后系統無(wú)法啟動(dòng)，出現這種情況后必須人工重新燒寫(xiě)原有軟件。

為了在原有基礎上使系統具有高穩定性與擴展性，需要對Flash進(jìn)行重新布局，如圖2(b)所示。將代碼區劃分為兩個(gè)區域：bootloader區，這個(gè)區域不可被擦寫(xiě)更新；RTOS區域，存放內核及應用程序。將更新包存儲區設計為4部分。其中一個(gè)用來(lái)存儲系統啟動(dòng)和更新過(guò)程的標識參數，這些數據極為重要，掉電后仍需保存于Flash中。另一個(gè)存儲區用于存放更新時(shí)用到的更新包，稱(chēng)為更新包區。第三個(gè)區域存儲下載的更新包，稱(chēng)為更新包備份區。最后一個(gè)區域存放設備出廠(chǎng)時(shí)的軟件版本。bootloader固定在第一個(gè)分區，這樣的設計具有很強的可擴展性，涵蓋了更新算法。為了使人機接口更人性化，此區域包括LCD及其控制器的驅動(dòng)和應用程序，使更新過(guò)程對用戶(hù)可見(jiàn)。系統啟動(dòng)時(shí)設置異常向量表，初始化內存、堆棧指針寄存器、I／O器件、系統需求的RAM變量，使能中斷，然后根據啟動(dòng)地址和更新標識這兩個(gè)參數跳轉執行相應代碼，每次更新都不改變bootloader區域的內容。其中，啟動(dòng)地址指向bootloader要執行的代碼，更新標識用于記錄更新階段。
2．2 更新進(jìn)程的設計
系統每次啟動(dòng)后，服務(wù)器端主動(dòng)報告當前有無(wú)可更新的軟件包。如果客戶(hù)端響應并發(fā)起會(huì )話(huà)，則隨后檢查Flash上的更新包備份區，存儲下載的更新包，并更新標識。為了增強傳輸過(guò)程的安全性，在應用層設計一套具有校驗、確認和斷點(diǎn)續傳功能的收發(fā)協(xié)議，以保證數據能夠準確地通過(guò)移動(dòng)通信系統傳輸到客戶(hù)端。
當更新包下載完畢后，先將更新包由備份區拷貝至更新包區，更新進(jìn)程根據已經(jīng)設定的代碼區在Flash中的地址，調用Flash的讀寫(xiě)函數通過(guò)比對算法將更新包寫(xiě)入代碼區。更新結束后設置標識，如果由于某種原因沒(méi)有更新成功則標識位不變，系統復位后繼續更新直到更新成功?？蓞⒖既缦麓鷺嫞?/p>