嵌入式系統自更新機制的設計與應用

　　隨著嵌入式系統的發展和廣泛應用,必不可少的維護工作變得日益繁重。如移動電話在用戶使用過程中，部分未能在軟件研發階段發現的缺陷會逐漸暴露,不可避免地增加了維護成本。 又如在設備運行期間,用戶往往會基于原有軟硬件對產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。在移動設備數量較多, 而且使用地點無法預知的情況下, 采用傳統的人工更新方式會耗費大量的人力物力。自更新技術在嵌入式系統中分為兩個相互聯系又相互獨立的階段：首先是將更新包下載至本地移動設備中，然后在本地移動設備中實現自更新。

　　將自更新技術嵌入RTOS中的關鍵在于自更新后系統啟動的穩定性。嵌入式移動系統一般都有獨立的bootloader對系統進行初始化并引導加載內核。這種啟動基于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，而是被看作是一個虛擬系統。

圖1? 自更新機制架構圖

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器端和客戶端兩部分組成。服務器端通過OMA協議，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,及其他相關外圍設備，具有相對可見的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更新包。b. 這些更新包將被送至無線服務提供商處進行統一管理，并最終將更新包提供給用戶。c. 在更新包提供給用戶前，每個單獨的移動設備將會選擇最優方案（即網絡提供商）。d. 服務器端通過傳輸機制(如OMADL 1.0協議標準或網絡提供商標準)與客戶端建立會話連接，客戶端將下載并存儲更新包。e. 更新應用程序將與用戶交互以獲得更新權限并進入更新進程。整個更新過程由bootloader完全控制，直到更新成功。f. 更新后的目標設備重啟，并將更新結果發送至服務器端。

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。系統啟動時從Flash的首地址開始執行，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，尤其是許多商業系統。系統在更新過程中根據自更新算法與原有代碼區進行比對，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事件。比如，在更新過程中因為不可預料的掉電使得燒寫錯誤,完全可能導致軟件更新后系統無法啟動,出現這種情況后必須人工重新燒寫原有軟件。

圖2? 存儲器布局

　　為了在原有基礎上使系統具有高穩定性與擴展性,需要對Flash進行重新布局, 如圖2(b)所示。將代碼區劃分為兩個區域：bootloader區，這個區域不可被擦寫更新；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。其中一個用來存儲系統啟動和更新過程的標識參數，這些數據極為重要，掉電后仍需保存于Flash中。另一個存儲區用于存放更新時用到的更新包, 稱為更新包區。第三個區域存儲下載的更新包,稱為更新包備份區。最后一個區域存放設備出廠時的軟件版本。bootloader固定在第一個分區,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及其控制器的驅動和應用程序，使更新過程對用戶可見。系統啟動時設置異常向量表，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,然后根據啟動地址和更新標識這兩個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? 更新進程的設計

　　系統每次啟動后, 服務器端主動報告當前有無可更新的軟件包。如果客戶端響應并發起會話，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。為了增強傳輸過程的安全性, 在應用層設計一套具有校驗、確認和斷點續傳功能的收發協議, 以保證數據能夠準確地通過移動通信系統傳輸到客戶端。

圖3? 更新進程流程

　　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，更新進程根據已經設定的代碼區在Flash中的地址,調用Flash 的讀寫函數通過比對算法將更新包寫入代碼區。更新結束后設置標識,如果由于某種原因沒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。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，客戶端具有相對獨立的bootloader,并固化在Flash的低地址處,能夠保證系統啟動后總是先進入bootloader。bootloader通過讀取對比標識存儲區的啟動地址參數來跳轉執行代碼。在正常情況下, 啟動地址總是指向RTOS。當更新完成重新啟動客戶端后, bootloader便會引導新的鏡像文件。

　　為了確保軟件更新后系統啟動的穩定性,通過設計異常處理程序來加載代碼備份存儲區的文件防止系統癱瘓。當bootloader 引導更新后的鏡像文件失敗后, 系統進入異常處理函數, 在此函數中將啟動地址指向代碼備份區,并設置標識位。代碼備份區保存的是設備出廠時最初版本的image文件，具有非常高的穩定性，這樣就保證系統功能正常運行,并確保服務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

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

3? 測試

　　為了評估自更新機制的穩定性和安全性，確保其適用于真實設備與網絡，測試應盡可能覆蓋現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。設備廠商關注的是高穩定性和安全性，以及更新包所占Flash的比例。測試中應考慮到各種版本，制作測試矩陣，然后按順序測試，包括回退更新。

　　在一個實際運行的移動設備中驗證和測試更新機制的性能。首先測試更新進程的通信狀況。結果表明, 每次均能正確地與服務器端建立會話，并進行數據傳輸；更新包均能通過無線網絡準確下載并存儲至客戶端。測試的重點是系統更新結束后新程序啟動的穩定性和安全性。對軟件更新過程進行干擾,以測試bootloader 能否正確啟動。測試中模擬了兩大類情況:一類是更新包隨機挑選版本的相互升級,另一類是人為設置導致更新包出現不能啟動錯誤的數據,然后進行升級。設計三種具體方案進行測試, 每個方案測試30 次,查看系統能否按預期結果啟動程序。測試方案及結果如表1所列。

表1? 啟動可靠性測試結果

　　從測試結果看出, 系統更新后,每次均能正確啟動程序；此外,更新機制對代碼區具有較強的修復能力,防止了由于數據異常而導致的無法啟動。本更新機制能有效地提高嵌入式軟件更新后重新啟動的穩定性和可靠性。

結語

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