嵌入式系統(tǒng)自更新機(jī)制的設(shè)計與應(yīng)用

　　隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,必不可少的維護(hù)工作變得日益繁重。如移動電話在用戶使用過程中，部分未能在軟件研發(fā)階段發(fā)現(xiàn)的缺陷會逐漸暴露,不可避免地增加了維護(hù)成本。 又如在設(shè)備運(yùn)行期間,用戶往往會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(zhàn)。在移動設(shè)備數(shù)量較多, 而且使用地點無法預(yù)知的情況下, 采用傳統(tǒng)的人工更新方式會耗費(fèi)大量的人力物力。自更新技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中分為兩個相互聯(lián)系又相互獨(dú)立的階段：首先是將更新包下載至本地移動設(shè)備中，然后在本地移動設(shè)備中實現(xiàn)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(tǒng)啟動的穩(wěn)定性。嵌入式移動系統(tǒng)一般都有獨(dú)立的bootloader對系統(tǒng)進(jìn)行初始化并引導(dǎo)加載內(nèi)核。這種啟動基于bootloader，該自更新機(jī)制決定了bootloader不僅僅起到加載內(nèi)核鏡像這一基本功能，而是被看作是一個虛擬系統(tǒng)。

圖1? 自更新機(jī)制架構(gòu)圖

1??自更新機(jī)制的架構(gòu)

　　支持自更新功能的嵌入式系統(tǒng)由服務(wù)器端和客戶端兩部分組成。服務(wù)器端通過OMA協(xié)議，與客戶端建立無線連接。客戶端采用基于ARM9的微處理器,配有8 MB的RAM和32 MB的NOR? Flash存儲器,及其他相關(guān)外圍設(shè)備，具有相對可見的bootloader程序。自更新機(jī)制架構(gòu)如圖1所示。

　　自更新機(jī)制總體流程如下： a. 設(shè)備廠商根據(jù)需求，生成包括升級到新版本或返回到舊版本的多個更新包。b. 這些更新包將被送至無線服務(wù)提供商處進(jìn)行統(tǒng)一管理，并最終將更新包提供給用戶。c. 在更新包提供給用戶前，每個單獨(dú)的移動設(shè)備將會選擇最優(yōu)方案（即網(wǎng)絡(luò)提供商）。d. 服務(wù)器端通過傳輸機(jī)制(如OMADL 1.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)或網(wǎng)絡(luò)提供商標(biāo)準(zhǔn))與客戶端建立會話連接，客戶端將下載并存儲更新包。e. 更新應(yīng)用程序?qū)⑴c用戶交互以獲得更新權(quán)限并進(jìn)入更新進(jìn)程。整個更新過程由bootloader完全控制，直到更新成功。f. 更新后的目標(biāo)設(shè)備重啟，并將更新結(jié)果發(fā)送至服務(wù)器端。

2? 更新系統(tǒng)的設(shè)計

2.1? Flash 存儲器的布局

　　原有嵌入式系統(tǒng)Flash存儲器的布局如圖2(a)所示。系統(tǒng)啟動時從Flash的首地址開始執(zhí)行，而bootloader和RTOS都位于code區(qū)，也就是bootloader并不獨(dú)立于內(nèi)核。將原本與
代碼區(qū)相鄰的文件系統(tǒng)區(qū)后移，用于存儲更新包。這種布局也是很多嵌入式系統(tǒng)所采用的，尤其是許多商業(yè)系統(tǒng)。系統(tǒng)在更新過程中根據(jù)自更新算法與原有代碼區(qū)進(jìn)行比對，燒寫到Flash中。這種Flash部署方法有一個致命的缺點，就是沒有考慮到更新過程中可能遇到的突發(fā)事件。比如，在更新過程中因為不可預(yù)料的掉電使得燒寫錯誤,完全可能導(dǎo)致軟件更新后系統(tǒng)無法啟動,出現(xiàn)這種情況后必須人工重新燒寫原有軟件。

圖2? 存儲器布局

　　為了在原有基礎(chǔ)上使系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性與擴(kuò)展性,需要對Flash進(jìn)行重新布局, 如圖2(b)所示。將代碼區(qū)劃分為兩個區(qū)域：bootloader區(qū)，這個區(qū)域不可被擦寫更新；RTOS區(qū)域，存放內(nèi)核及應(yīng)用程序。將更新包存儲區(qū)設(shè)計為4部分。其中一個用來存儲系統(tǒng)啟動和更新過程的標(biāo)識參數(shù)，這些數(shù)據(jù)極為重要，掉電后仍需保存于Flash中。另一個存儲區(qū)用于存放更新時用到的更新包, 稱為更新包區(qū)。第三個區(qū)域存儲下載的更新包,稱為更新包備份區(qū)。最后一個區(qū)域存放設(shè)備出廠時的軟件版本。bootloader固定在第一個分區(qū),這樣的設(shè)計具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，涵蓋了更新算法。為了使人機(jī)接口更人性化，此區(qū)域包括LCD及其控制器的驅(qū)動和應(yīng)用程序，使更新過程對用戶可見。系統(tǒng)啟動時設(shè)置異常向量表，初始化內(nèi)存、堆棧指針寄存器、I/O器件、系統(tǒng)需求的RAM變量，使能中斷,然后根據(jù)啟動地址和更新標(biāo)識這兩個參數(shù)跳轉(zhuǎn)執(zhí)行相應(yīng)代碼，每次更新都不改變bootloader區(qū)域的內(nèi)容。其中，啟動地址指向bootloader要執(zhí)行的代碼,更新標(biāo)識用于記錄更新階段。

2.2? 更新進(jìn)程的設(shè)計

　　系統(tǒng)每次啟動后, 服務(wù)器端主動報告當(dāng)前有無可更新的軟件包。如果客戶端響應(yīng)并發(fā)起會話，則隨后檢查Flash上的更新包備份區(qū),存儲下載的更新包，并更新標(biāo)識。為了增強(qiáng)傳輸過程的安全性, 在應(yīng)用層設(shè)計一套具有校驗、確認(rèn)和斷點續(xù)傳功能的收發(fā)協(xié)議, 以保證數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地通過移動通信系統(tǒng)傳輸?shù)娇蛻舳恕?/P>

圖3? 更新進(jìn)程流程

　　當(dāng)更新包下載完畢后, 先將更新包由備份區(qū)拷貝至更新包區(qū)，更新進(jìn)程根據(jù)已經(jīng)設(shè)定的代碼區(qū)在Flash中的地址,調(diào)用Flash 的讀寫函數(shù)通過比對算法將更新包寫入代碼區(qū)。更新結(jié)束后設(shè)置標(biāo)識,如果由于某種原因沒有更新成功則標(biāo)識位不變,系統(tǒng)復(fù)位后繼續(xù)更新直到更新成功。可參考如下代碼：

　　ldrr0,=v_Update_flag
　　ldrr1,[r0]
　　ldrhr0,[r1]
　　ldrr1,=MC_ENTER_RTOS_FLAG
　　cmpr0,r1
　　beqcontinue
　　BEnter_Update_process
　　continue
　　ldrpc,=Enter_rtos

　　更新進(jìn)程的程序流程如圖3 所示。

2.3? 更新后的啟動流程

　　通過以上更新流程,系統(tǒng)完成了一次軟件版本的升級。重新部署Flash后，客戶端具有相對獨(dú)立的bootloader,并固化在Flash的低地址處,能夠保證系統(tǒng)啟動后總是先進(jìn)入bootloader。bootloader通過讀取對比標(biāo)識存儲區(qū)的啟動地址參數(shù)來跳轉(zhuǎn)執(zhí)行代碼。在正常情況下, 啟動地址總是指向RTOS。當(dāng)更新完成重新啟動客戶端后, bootloader便會引導(dǎo)新的鏡像文件。

　　為了確保軟件更新后系統(tǒng)啟動的穩(wěn)定性,通過設(shè)計異常處理程序來加載代碼備份存儲區(qū)的文件防止系統(tǒng)癱瘓。當(dāng)bootloader 引導(dǎo)更新后的鏡像文件失敗后, 系統(tǒng)進(jìn)入異常處理函數(shù), 在此函數(shù)中將啟動地址指向代碼備份區(qū),并設(shè)置標(biāo)識位。代碼備份區(qū)保存的是設(shè)備出廠時最初版本的image文件，具有非常高的穩(wěn)定性，這樣就保證系統(tǒng)功能正常運(yùn)行,并確保服務(wù)器端與客戶端正常通信。異常處理流程如圖4所示。

圖4? 異常處理流程圖

　　當(dāng)軟件更新過程中遇到致命異常時，通過異常處理程序,系統(tǒng)能夠重新啟動備份的軟件版本, 有效地提高了嵌入式系統(tǒng)自更新機(jī)制的安全性, 避免了系統(tǒng)徹底崩潰。

3? 測試

　　為了評估自更新機(jī)制的穩(wěn)定性和安全性，確保其適用于真實設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)，測試應(yīng)盡可能覆蓋現(xiàn)實情況中可能遇到的情況。用戶能看到的升級性能主要有更新包下載時間和自更新時間。設(shè)備廠商關(guān)注的是高穩(wěn)定性和安全性，以及更新包所占Flash的比例。測試中應(yīng)考慮到各種版本，制作測試矩陣，然后按順序測試，包括回退更新。

　　在一個實際運(yùn)行的移動設(shè)備中驗證和測試更新機(jī)制的性能。首先測試更新進(jìn)程的通信狀況。結(jié)果表明, 每次均能正確地與服務(wù)器端建立會話，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；更新包均能通過無線網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確下載并存儲至客戶端。測試的重點是系統(tǒng)更新結(jié)束后新程序啟動的穩(wěn)定性和安全性。對軟件更新過程進(jìn)行干擾,以測試bootloader 能否正確啟動。測試中模擬了兩大類情況:一類是更新包隨機(jī)挑選版本的相互升級,另一類是人為設(shè)置導(dǎo)致更新包出現(xiàn)不能啟動錯誤的數(shù)據(jù),然后進(jìn)行升級。設(shè)計三種具體方案進(jìn)行測試, 每個方案測試30 次,查看系統(tǒng)能否按預(yù)期結(jié)果啟動程序。測試方案及結(jié)果如表1所列。

表1? 啟動可靠性測試結(jié)果

　　從測試結(jié)果看出, 系統(tǒng)更新后,每次均能正確啟動程序；此外,更新機(jī)制對代碼區(qū)具有較強(qiáng)的修復(fù)能力,防止了由于數(shù)據(jù)異常而導(dǎo)致的無法啟動。本更新機(jī)制能有效地提高嵌入式軟件更新后重新啟動的穩(wěn)定性和可靠性。

結(jié)語

　　本文提出了一種具有較高穩(wěn)定性和安全性、基于bootloader的嵌入式軟件自動更新機(jī)制。該更新機(jī)制同時保存了3個文件, 需要較多的Flash存儲空間，但同時降低了維護(hù)成本。其創(chuàng)新點在于設(shè)置1個標(biāo)識區(qū)、3個程序存儲區(qū)并設(shè)計了異常機(jī)制,提高了嵌入式系統(tǒng)更新過程的穩(wěn)定性,尤其能夠有效地防止軟件更新后系統(tǒng)啟動失敗的情況,具有較高的實用價值。