嵌入式設(shè)備的增量式遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃志賢 王宜懷 程宏玉

摘? 要： 針對(duì)傳統(tǒng)嵌入式設(shè)備更新方式過程繁瑣、成本昂貴的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種增量式的遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)，采用NB?IoT進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。在硬件設(shè)計(jì)中，將FLASH進(jìn)行分區(qū)，設(shè)計(jì)BIOS分區(qū)并在其中固化常用驅(qū)動(dòng)以減少重復(fù)代碼量，并實(shí)現(xiàn)分區(qū)后中斷服務(wù)例程的繼承與可動(dòng)態(tài)更新;在軟件設(shè)計(jì)中，引入文本比較算法Needleman/Wunsch來建立增量更新數(shù)據(jù)幀以減少代碼傳輸量，并設(shè)計(jì)適用于該文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的傳輸幀格式。最后進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通信開銷測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該文系統(tǒng)大大減少了代碼傳輸量、節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)開銷，兼具穩(wěn)定性與可靠性。

關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程更新; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 嵌入式設(shè)備; 動(dòng)態(tài)更新; 代碼傳輸; 系統(tǒng)測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN791?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）22?0157?04

Abstract： In allusion to the shortcomings of traditional embedded device update mode， such as cumbersome process and high cost， an incremental remote update system is designed， in which the NB?IoT is used to perform the remote communication. In the hardware design， the Flash is partitioned， the BIOS partition is designed， the common drivers are hardened in it to reduce the quantity of duplicated codes， and the inheritance and dynamic update of the interrupt service routine after partitioning are realized. In the software design， the text comparison algorithm Needleman/Wunsch is introduced to establish incremental update data frames to reduce the amount of code transmission， and the transmission frame format suitable for the system designed in this paper is designed. The stability and the communication overhead of the system are tested. The testing results show that the system can greatly reduce the amount of code transmission， save network overhead， and has both stability and reliability.

Keywords： remote update; system design; embedded device; dynamic update; code transmission; system testing

0? 引? 言

傳統(tǒng)的單片機(jī)設(shè)備更新通常是由維護(hù)人員到達(dá)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行重新燒寫或更換存儲(chǔ)部件，當(dāng)設(shè)備數(shù)量龐大、范圍分布廣泛時(shí)，傳統(tǒng)方式將耗費(fèi)大量人力物力成本。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，NB?IoT，GPRS和4G等遠(yuǎn)程通信技術(shù)在單片機(jī)設(shè)備中被廣泛運(yùn)用，越來越低廉的通信費(fèi)用與充裕的片內(nèi)存儲(chǔ)空間為單片機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程更新提供了成熟的條件。NB?IoT技術(shù)是3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的一種低功耗廣域網(wǎng)解決方案[1]，具有大連接、深覆蓋、低成本、低功耗等特點(diǎn)，能適應(yīng)環(huán)境惡劣的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)[2]，非常適用于嵌入式設(shè)備的遠(yuǎn)程更新。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套基于NB?IoT的增量式遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)，選擇S32K144微控制器與ME3616通信模組作為硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，在云服務(wù)器上運(yùn)行更新軟件。在硬件軟件設(shè)計(jì)中吸取Bootloader機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)存儲(chǔ)器分區(qū)進(jìn)行合理規(guī)劃以適應(yīng)增量更新;更新軟件對(duì)硬件機(jī)器碼文件進(jìn)行解析，通過文本比較算法Needleman/Wunsch獲得無須重復(fù)更新的機(jī)器碼，以傳址的方式代替代碼傳輸來減少通信開銷。

1? 系統(tǒng)總體介紹

遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)由NB終端、傳輸中介與服務(wù)端組成，系統(tǒng)的總體模型如圖1所示。NB?IoT遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)主要涉及終端與服務(wù)器端的軟硬件實(shí)現(xiàn)，傳輸中介則由通信運(yùn)營商來負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與維護(hù)。NB?IoT終端依次完成基站連接、核心網(wǎng)附著和服務(wù)器連接后，與服務(wù)端的更新軟件建立數(shù)據(jù)交互并等待更新指示。系統(tǒng)的更新流程為：更新軟件對(duì)操作人員上傳的程序機(jī)器碼文件進(jìn)行解析，提取有效更新數(shù)據(jù)并組成傳輸代碼的數(shù)據(jù)幀和傳輸偏移地址的復(fù)制幀;組幀完成后，服務(wù)端發(fā)送更新指令，系統(tǒng)進(jìn)入更新狀態(tài);終端根據(jù)代碼和偏移量信息修改待更新代碼區(qū)，并在幀校驗(yàn)結(jié)束后，將待更新代碼覆蓋至用戶代碼段;最后終端復(fù)位并運(yùn)行新程序，系統(tǒng)更新結(jié)束。

針對(duì)增量以及部分增量更新方案建立5種通信幀格式，通過命令幀與數(shù)據(jù)幀的交互來指導(dǎo)更新過程和交換數(shù)據(jù)。幀類型包括握手幀、命令幀、復(fù)制幀、數(shù)據(jù)幀以及校驗(yàn)幀，在每種幀格式中加入循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）來確保傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，并通過重傳機(jī)制來確保數(shù)據(jù)的完整性。

1） 握手幀：命令字01。上位機(jī)通過握手幀向終端發(fā)送本次更新的基本信息，包括更新的代碼起始地址、代碼長度、欲發(fā)送的數(shù)據(jù)幀總數(shù)以及校驗(yàn)碼，幀格式如表4所示。每種幀格式都具有幀頭、命令字、幀尾和校驗(yàn)碼，后面介紹將不再列舉。

2） 命令幀：命令字02。更新軟件用于指示終端切換更新狀態(tài)。命令幀包含指令字（2 B，后面介紹省略單位B）。命令幀指令有開始指令01、校驗(yàn)指令02和結(jié)束指令03，更新軟件發(fā)送開始命令指示終端進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，發(fā)送校驗(yàn)命令指示終端返回校驗(yàn)幀，發(fā)送結(jié)束命令完成數(shù)據(jù)傳輸。

3） 復(fù)制幀：命令字03。復(fù)制幀指示終端復(fù)制源起址代碼段到目標(biāo)起址。復(fù)制幀包含源地址（4）+代碼長度（2）+目標(biāo)地址（4）+當(dāng)前幀號(hào)（2）+總幀數(shù)（2）。

4） 數(shù)據(jù)幀：命令字04。數(shù)據(jù)幀指示終端按數(shù)據(jù)幀中的更新起址在FLASH中插入數(shù)據(jù)區(qū)代碼段。數(shù)據(jù)幀包含更新起址（4）+代碼長度（2）+數(shù)據(jù)區(qū)（N）+當(dāng)前幀號(hào)（2）+總幀數(shù)（2）。數(shù)據(jù)區(qū)長度N=代碼長度。

5） 校驗(yàn)幀：命令字05。校驗(yàn)幀包含更新總幀數(shù)（2）+位示圖（M），位示圖長度M= [（總幀數(shù)-1）8+1]，在更新軟件發(fā)送校驗(yàn)命令后，終端返回校驗(yàn)幀。位示圖的每一位表示一幀復(fù)制幀/數(shù)據(jù)幀的發(fā)送情況，0表示成功，1表示失敗。更新軟件根據(jù)位示圖內(nèi)容重傳接收失敗的復(fù)制幀/數(shù)據(jù)幀。

典型更新幀的使用場(chǎng)景如下：操作人員在更新軟件中導(dǎo)入新舊機(jī)器碼文件，軟件生成各類幀格式，按照握手幀[→]命令幀（開始）[→]復(fù)制幀[→]數(shù)據(jù)幀[→]命令幀（檢驗(yàn)）[→]命令幀（結(jié)束）的順序組成發(fā)送序列。終端在收到命令幀（校驗(yàn)）后返回校驗(yàn)幀，更新軟件根據(jù)缺失幀信息進(jìn)行重傳，并重新發(fā)送校驗(yàn)幀，循環(huán)直到全部缺失幀傳送完畢，更新軟件發(fā)送命令幀（結(jié)束）結(jié)束發(fā)送。

4.3? 程序跳轉(zhuǎn)

在數(shù)據(jù)發(fā)送完畢且代碼覆蓋完成后，終端會(huì)執(zhí)行軟件復(fù)位。復(fù)位后BIOS程序會(huì)重置主堆棧指針MSP去指向用戶程序RAM起址，并向用戶程序FLASH首地址跳轉(zhuǎn)去執(zhí)行用戶程序。

5? 系統(tǒng)測(cè)試

在供電正常、eSIM卡不欠費(fèi)、NB?IoT基站信號(hào)良好情況下進(jìn)行本文系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及通信的網(wǎng)絡(luò)開銷測(cè)試，通過自動(dòng)測(cè)試軟件對(duì)多種更新代碼長度情況及用戶代碼通信頻率情況進(jìn)行更新測(cè)試。為了模擬物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的實(shí)際使用過程，設(shè)置終端5 s/次，60 s/次以及1 800 s/次的間隔對(duì)外發(fā)送遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)。當(dāng)終端成功發(fā)生改變現(xiàn)象時(shí)，本次測(cè)試即可成功。測(cè)試結(jié)果如表5所示。測(cè)試結(jié)果表明：通信頻率與網(wǎng)絡(luò)傳輸量越小，更新時(shí)間就越短，成功率也越高;增量式更新方案能有效降低傳輸所需的網(wǎng)絡(luò)開銷，程序更新量取決于程序變動(dòng)量，對(duì)于同一項(xiàng)目的最鄰近版本而言，增量更新優(yōu)勢(shì)顯著。

6? 結(jié)? 語

本文設(shè)計(jì)一種基于NB?IoT的增量式遠(yuǎn)程軟件更新系統(tǒng)。在終端設(shè)計(jì)中，對(duì)FLASH進(jìn)行劃分，通過在BIOS區(qū)固化驅(qū)動(dòng)，減少代碼更新量;通過RAM劃分實(shí)現(xiàn)用戶程序?qū)IOS重要中斷服務(wù)例程的繼承。在更新軟件設(shè)計(jì)中，采用Needleman/Wunsch算法獲得增量更新序列，減少代碼傳輸量;通過重傳機(jī)制實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)目煽啃浴Ｅc已有的幾種遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、可靠性以及實(shí)時(shí)性，并在節(jié)約通信開銷方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

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