基于彈載嵌入式軟件在線更新方法研究

張永鵬

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088； 2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230088)

0 引言

現(xiàn)有彈載產(chǎn)品中包含大量的DSP、FPGA等嵌入式模塊，在產(chǎn)品生產(chǎn)交付后，伴隨著產(chǎn)品功能、性能的升級(jí)改進(jìn)，需要對(duì)內(nèi)部嵌入式軟件進(jìn)行更新。傳統(tǒng)嵌入式軟件一般采用專用編程線纜及相應(yīng)的仿真器連接芯片后對(duì)軟件進(jìn)行更新，此方法需專人操作且操作復(fù)雜、靈活性低[1-3]。

本文以某彈載雷達(dá)嵌入式DSP芯片TMS320C6713(簡(jiǎn)稱C6713)為例，提供一種可靠性高、操作便捷的嵌入式軟件在線更新方法，實(shí)現(xiàn)彈載產(chǎn)品嵌入式軟件高效的軟件在線更新。此方法極大地提升了彈載產(chǎn)品軟件在線更新的可靠性、安全性和操作便捷性，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 在線更新機(jī)理

1.1 在線更新原理

嵌入式軟件為了支持在線自更新任務(wù)，需要在系統(tǒng)中單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)區(qū)別于正常工作程序模塊，專用于嵌入式軟件更新的在線更新程序模塊，如圖1所示。系統(tǒng)正常工作啟動(dòng)時(shí)通過(guò)BootLoader程序(即引導(dǎo)程序)選擇啟動(dòng)工作程序模塊，此時(shí)在線更新程序模塊處于阻塞狀態(tài)，當(dāng)需要進(jìn)行軟件在線更新時(shí)，工作程序模塊接收外部在線更新控制指令，完成在線更新?tīng)顟B(tài)置位(FLASH地址“0x90070000”存儲(chǔ)在線更新標(biāo)識(shí))，同時(shí)嵌入式DSP軟件通過(guò)調(diào)用Jump(0)函數(shù)，將嵌入式軟件重新轉(zhuǎn)入起始0地址開(kāi)始執(zhí)行，即可實(shí)現(xiàn)進(jìn)行嵌入式DSP的自復(fù)位。復(fù)位后，自動(dòng)重新運(yùn)行BootLoader程序，此時(shí)BootLoader程序根據(jù)在線狀態(tài)啟動(dòng)在線更新程序模塊，此時(shí)可接收外部待更新的工作程序文件，并將程序文件寫(xiě)入到工作程序模塊的FLASH儲(chǔ)存地址中，即可完成工作程序模塊的在線更新操作[4-7]。

圖1 在線更新系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.2 自啟動(dòng)原理

C6000系列沒(méi)有自帶的FLASH存儲(chǔ)器，需要通過(guò)EMIF總線與外擴(kuò)的FLASH儲(chǔ)存芯片進(jìn)行通信，因此將程序文件通過(guò)EMIF寫(xiě)入到外擴(kuò)的FLASH中，系統(tǒng)上電復(fù)位后，再通過(guò)FLASH進(jìn)行引導(dǎo)自啟動(dòng)，C6713啟動(dòng)時(shí)通過(guò)EDMA自動(dòng)將FLASH起始地址的前1KB內(nèi)容搬移到內(nèi)部的RAM中，并自動(dòng)執(zhí)行該段程序?；贑6713的啟動(dòng)機(jī)制，將BootLoader程序文件寫(xiě)入FLASH的起始地址的前1 KB的地址區(qū)中，BootLoader程序主要功能是將FLASH中存放的在線更新程序或工作程序搬移到C6713的RAM/SDRAM中，再通過(guò)調(diào)用Jump()跳轉(zhuǎn)程序，跳轉(zhuǎn)到程序起始地址，即可執(zhí)行該段軟件程序[8-12]。

2 軟件設(shè)計(jì)流程

2.1 在線更新系統(tǒng)架構(gòu)

基于高可靠、易操作的設(shè)計(jì)原則，C6713的軟件在線更新主要分為兩部分：第一部分為嵌入式軟件模塊，此模塊主要包含3個(gè)子程序模塊，分別為BootLoader程序模塊、在線更新程序模塊和工作程序模塊，主要實(shí)現(xiàn)C6713的嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)、軟件在線更新及正常工作；第二部分為PC端可視化在線更新上位機(jī)，主要完成軟件程序文件的生成及“一鍵式”嵌入式系統(tǒng)的軟件在線更新。

如圖2所示，彈載嵌入式系統(tǒng)的軟件在線更新主要由可視化在線更新上位機(jī)、RS422串口通信模塊和嵌入式系統(tǒng)組成。可視化在線更新上位機(jī)通過(guò)RS422通信模塊與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行相互通信，完成在線更新指令和待更新程序文件的上傳等操作；嵌入式系統(tǒng)與可視化在線更新上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，根據(jù)在線更新指令完成在線更新?tīng)顟B(tài)的切換，并對(duì)接收程序數(shù)據(jù)文件的正確性、有效性進(jìn)行判斷，最終完成軟件程序文件的在線FLASH擦寫(xiě)操作。

圖2 在線更新系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.2 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

基于系統(tǒng)在線更新高可靠性、安全性的設(shè)計(jì)需求，將C6713外掛的軟件程序存儲(chǔ)FLASH劃分為4個(gè)獨(dú)立的程序區(qū)，分別為BootLoader程序區(qū)、在線更新程序區(qū)和工作程序區(qū)，其中工作程序區(qū)還分為當(dāng)前工作程序區(qū)和舊工作程序區(qū)。FLASH存儲(chǔ)區(qū)劃分如圖3所示，其中BootLoader程序區(qū)為64KB，在線更新程序區(qū)為320KB，前工作程序區(qū)和舊工作程序區(qū)均為736KB。

圖3 FLASH存儲(chǔ)區(qū)劃分示意圖

BootLoader程序區(qū)的前4KB存儲(chǔ)二級(jí)引導(dǎo)程序，該程序?qū)崿F(xiàn)將存儲(chǔ)在BootLoader程序區(qū)4KB～64KB的三級(jí)引導(dǎo)程序搬移到內(nèi)存中運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)了C6713的FLASH自啟動(dòng)。三級(jí)引導(dǎo)程序根據(jù)程序切換狀態(tài)將在線更新程序區(qū)或工作程序區(qū)的FLASH地址的代碼數(shù)據(jù)搬移到內(nèi)存中，再跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)程序入口地址；在線更新程序區(qū)用于存儲(chǔ)在線更新程序模塊，該程序?qū)崿F(xiàn)與可視化在線更新上位機(jī)間的通信，并對(duì)工作程序區(qū)FLASH地址上存儲(chǔ)的工作程序代碼數(shù)據(jù)進(jìn)行擦寫(xiě)操作；當(dāng)前工作程序區(qū)用于存儲(chǔ)最新版本的工作程序代碼數(shù)據(jù)，用于嵌入式系統(tǒng)的正常工作使用；舊工作程序區(qū)用于存儲(chǔ)前一版本的工作程序代碼數(shù)據(jù)，用于嵌入式系統(tǒng)工作程序的備份和異常情況工作程序版本恢復(fù)。

同時(shí)，在線更新程序僅可更新“當(dāng)前工作程序區(qū)”和“舊工作程序區(qū)”的程序數(shù)據(jù)，不可更新“BootLoader程序區(qū)”和“在線更新程序區(qū)”的程序數(shù)據(jù)，BootLoader程序和在線更新程序僅在出廠時(shí)進(jìn)行更新，以保障該兩段軟件程序代碼的正確性和完整性。在對(duì)“工作程序區(qū)”的代碼數(shù)據(jù)進(jìn)行更新過(guò)程中，將已存儲(chǔ)的于“當(dāng)前工作程序區(qū)”的前一版本的工作程序代碼數(shù)據(jù)向“舊工作程序區(qū)”進(jìn)行搬移，實(shí)現(xiàn)了工作程序代碼數(shù)據(jù)的備份，在工作程序更新失敗、代碼數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、FLASH局部數(shù)據(jù)損壞等異常情況下，“當(dāng)前工作程序區(qū)”的代碼數(shù)據(jù)無(wú)法正常工作，在三級(jí)引導(dǎo)搬移當(dāng)前工作程序區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)，判斷程序數(shù)據(jù)異?？芍匦掳嵋婆f工作程序區(qū)的備份代碼數(shù)據(jù)，避免異常程序?qū)ο到y(tǒng)造成損壞。因此，通過(guò)對(duì)工作程序的備份設(shè)計(jì)，可有效地提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2.2.1 BootLoader程序設(shè)計(jì)

C6713復(fù)位后，通過(guò)EDMA自動(dòng)將存儲(chǔ)在FLASH起始地址的前1KB的BootLoader程序搬移到C6713內(nèi)部RAM中運(yùn)行，完成了C6713的FLASH的自啟動(dòng)及后續(xù)工作/在線更新程序的搬移和跳轉(zhuǎn)。

BootLoader程序的設(shè)計(jì)流程如下：首先完成系統(tǒng)時(shí)鐘、EMIF總線及中斷等初始化；其次，通過(guò)EMIF讀取存儲(chǔ)在FLASH地址“0x90070000”的更新?tīng)顟B(tài)標(biāo)識(shí)字，并對(duì)該地址的標(biāo)識(shí)字進(jìn)行有效性校驗(yàn)；若該標(biāo)識(shí)有效則根據(jù)此有效標(biāo)識(shí)判斷本次進(jìn)入正常工作態(tài)或在線更新態(tài)若無(wú)效則進(jìn)入在線更新態(tài)；若該標(biāo)識(shí)字無(wú)效，因在線更新軟件屬于出廠軟件，故則本次在線更新態(tài)，并反饋相應(yīng)狀態(tài)。

進(jìn)入正常工作態(tài)后，軟件執(zhí)行流程如下：

1)首先讀取FLASH存儲(chǔ)器中“當(dāng)前工作程序區(qū)”的新版本程序代碼數(shù)據(jù)，并對(duì)讀取的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行CRC32校驗(yàn)，并與存儲(chǔ)的校驗(yàn)值進(jìn)行判斷；

2)若新版本代碼數(shù)據(jù)有效，則將該代碼數(shù)據(jù)搬移到C6713中的RAM/SDRAM內(nèi)存中，并跳轉(zhuǎn)到該程序的入口地址上，執(zhí)行新版本的工作程序；

3)若新版本代碼數(shù)據(jù)無(wú)效，則讀取FLASH存儲(chǔ)器中“舊工作程序區(qū)”的前一版本程序代碼數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)內(nèi)容的有效性；

4)若前一版本代碼數(shù)據(jù)有效，則將該代碼數(shù)據(jù)搬移到C6713中的RAM/SDRAM內(nèi)存中，并跳轉(zhuǎn)到該程序的入口地址上，執(zhí)行前一版本的工作程序；

5)若前一版本代碼數(shù)據(jù)無(wú)效，則轉(zhuǎn)入在線更新態(tài)。

進(jìn)入在線更新態(tài)后，軟件執(zhí)行流程如下：

1)讀取FLASH存儲(chǔ)器中“在線更新程序區(qū)”的在線更新程序代碼數(shù)據(jù)；

2)將讀取的代碼數(shù)據(jù)搬移到C6713中的RAM/SDRAM內(nèi)存中，并跳轉(zhuǎn)到該程序的入口地址上，執(zhí)行在線更新程序。

BootLoader程序執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 BootLoader程序執(zhí)行流程

2.2.2 在線更新程序設(shè)計(jì)

在線更新程序通過(guò)與可視化在線更新上位機(jī)間進(jìn)行通信，接收上位機(jī)下傳的待更新代碼程序數(shù)據(jù)，將接收到的完整、正確的程序代碼數(shù)據(jù)更新，并將前一版本的代碼數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。為提高在線更新過(guò)程中的可靠性、安全性，對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行握手、重傳、校驗(yàn)等方式進(jìn)行處理；同時(shí)，完成所有代碼數(shù)據(jù)的接收后，并對(duì)整個(gè)程序文件數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊的CRC32位校驗(yàn)，確保上傳程序數(shù)據(jù)文件的正確性和有效性；進(jìn)一步，對(duì)寫(xiě)入FLASH地址的數(shù)據(jù)回讀后與待寫(xiě)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確保FLASH寫(xiě)入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

在線更新程序執(zhí)行流程如下：

1)通過(guò)RS422串口采用“握手”方式與PC端的可視化在線更新上位機(jī)建立連接；

2)通過(guò)握手、校驗(yàn)、重傳等方式接收可視化在線更新上位機(jī)下發(fā)的當(dāng)前程序文件的入口地址、長(zhǎng)度、文件特殊校驗(yàn)碼等信息，再通過(guò)分包形式接收程序代碼數(shù)據(jù)，并將接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SDRAM中進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)；

3)接收完所有代碼數(shù)據(jù)后，對(duì)接收的程序代碼文件進(jìn)行特殊校驗(yàn)碼校驗(yàn)，并與存儲(chǔ)的特殊校驗(yàn)碼進(jìn)行判斷，判斷接收的代碼數(shù)據(jù)文件是否為該嵌入式軟件的程序，確保程序文件的正確性；

4)對(duì)各個(gè)寫(xiě)入到FLASH地址的數(shù)據(jù)進(jìn)行回讀，與待寫(xiě)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確認(rèn)寫(xiě)入FLASH數(shù)據(jù)的一致性；

5)將前一版本工作程序文件搬移到“舊工作程序區(qū)”進(jìn)行備份；

6)完成所有操作后，更新FLASH地址“0x90070000”的更新?tīng)顟B(tài)標(biāo)識(shí)字為正常工作態(tài)，系統(tǒng)再次啟動(dòng)時(shí)可正常進(jìn)入最新版本工作程序。

在線更新程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 在線更新程序執(zhí)行流程

2.2.3 工作程序設(shè)計(jì)

工作程序主要完成彈載嵌入式系統(tǒng)的正常工作。同時(shí)，具備與可視化在線更新上位機(jī)間進(jìn)行通信，可接收上位機(jī)下發(fā)的在線更新指令，更新FLASH地址“0x90070000”的更新?tīng)顟B(tài)標(biāo)識(shí)字為在線更新態(tài)，再完成系統(tǒng)的自復(fù)位。

2.3 可視化在線更新上位機(jī)設(shè)計(jì)

C6713工作程序通過(guò)CCS編譯完成后生成的目標(biāo)文件類型為*.out和*.map文件，無(wú)法直接用于C6713的更新使用，需進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換[13-16]。因此，可視化在線更新上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟件程序文件的格式轉(zhuǎn)換及與嵌入式系統(tǒng)間的通信交互。

軟件程序*.out和*.map文件轉(zhuǎn)換*.bin文件的處理流程如下：

1)根據(jù)*.map文件獲取程序代碼RAM和SAMR存儲(chǔ)的長(zhǎng)度、主函數(shù)的入口地址等信息；

2)將*.out文件通過(guò)hex6x.exe、*.cmd文件轉(zhuǎn)換到*.hex；(hex6x.exe為T(mén)I公司提供文件轉(zhuǎn)換可執(zhí)行程序；*.cmd文件負(fù)責(zé)C6713的內(nèi)存分配。)

3)將*.hex轉(zhuǎn)換到*.bin文件，并計(jì)算軟件程序文件的特殊校驗(yàn)碼；

4)將轉(zhuǎn)換后的*.bin、特殊校驗(yàn)碼和讀取的*.map文件中的信息拼接成最終可用于在線更新的*.bin文件。

將最終生成好的*.bin文件采用“一鍵化”操作方式完成與嵌入式系統(tǒng)的信息交互，完成在線更新操作。具體流程如下：

1)在“在線更新上位機(jī)”上選擇正確的COM串口，點(diǎn)擊“連接串口”，實(shí)現(xiàn)與嵌入式系統(tǒng)的通信；

2)點(diǎn)擊“連接主控”，嵌入式軟件由正常工作程序切換更新?tīng)顟B(tài)并進(jìn)行自復(fù)位，重新進(jìn)入BootLoader程序，并根據(jù)更新?tīng)顟B(tài)啟動(dòng)在線更新程序；

3)進(jìn)入在線更新程序后，回饋“在線更新上位機(jī)”已進(jìn)入在線更新態(tài)；

4)選擇待更新的程序文件，點(diǎn)擊“燒寫(xiě)主控軟件”將數(shù)據(jù)上傳給嵌入式在線更新軟件；

5)完成所有數(shù)據(jù)上傳后，發(fā)送FLASH燒寫(xiě)指令給在線更新程序，在線更新程序完成待更新代碼數(shù)據(jù)的FLASH擦寫(xiě)和程序備份操作。

在線更新軟件流程和上位機(jī)界面如圖6、圖7所示。

圖6 可視化在線更新上位機(jī)執(zhí)行流程

圖7 可視化在線更新上位機(jī)界面

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提供了一種高可靠性、安全性和操作簡(jiǎn)潔的嵌入式軟件在線更新方法，實(shí)現(xiàn)了彈載嵌入式軟件快速、便捷的在線更新。對(duì)彈載產(chǎn)品嵌入式模塊的在線更新帶來(lái)了極大便利，在實(shí)際工程項(xiàng)目中取得了良好的應(yīng)用效果，對(duì)其他嵌入式產(chǎn)品軟件在線更新具有一定的參考價(jià)值。