嵌入式系統具有智能化程度高、體積小、可靠性高、實時性強等諸多優點，已經越來越多地應用于消費電子、工業控制、汽車電子等各個行業。往往一個大的系統又由許多小的嵌入式系統共同構成，它們之間通過相互通信協同完成各種檢測控制任務，構成分布式嵌入式系統。汽車電子系統中的車載GPS、倒車雷達、發動機控制、儀表盤系統等，數控機床中的鍵盤顯示系統、馬達控制系統等，這些無一不是嵌入式系統的具體應用。

　　眾多嵌入式系統的應用也為軟件升級帶來了諸多困難，主要有以下幾點：

　　① 這些系統分處于大系統的各個位置，單獨對每個系統進行升級比較困難；

　　② 某些系統為了滿足保密和可靠性的要求，對系統進行了永久密封，只預留了通信和電源端口，這就更不可能單獨對它進行升級。

　　針對這些問題，本文提出一種利用CAN總線的分布式嵌入式系統升級方案，實現了多點、單點甚至全系統的升級，其他種類的通信端口與此類似。

　　1　系統架構

　　系統結構框圖如圖1所示。

　　圖1　系統結構框圖

　　整個系統由多個獨立的完成一定功能的嵌入式模塊、CAN總線和一個用于對整個系統進行升級的控制模塊組成。其中，控制模塊也可以是其中一個功能模塊。在每個功能模塊上安裝有獨立的引導程序，可以看作該模塊的Bootloader，該引導程序永久固化在模塊內，不隨程序升級而升級。在該引導程序中嵌入CAN 總線通信程序。正常工作情況下每個功能模塊單獨或通過CAN總線與其他模塊協同工作。當需要對某個模塊進行軟件升級時，通過系統升級控制模塊向該模塊發送升級命令，該模塊接收到命令后即跳轉至引導程序，并等待系統升級模塊發送升級數據，升級結束后再跳回至應用程序。

　　2　系統實現

　　2.1　在線升級的實現原理

　　采用ST公司基于ARM Cortex-M3核心的32位嵌入式處理器STM32F103VC，其片上Flash為主存儲區。應用程序代碼是存儲在閃存（Flash）中的（0x08000000~0x0807FFFF），而 Flash是按Page來管理的，所以可以把Flash分成幾個區域來使用。

　　圖2　Flash分區

　　在本系統中將Flash分成兩個區域，其中一個為前面提到的引導程序區，另外一個為應用程序區。Flash分區如圖2所示。

　　片上電后，STM32F103VC會自動跳轉到0x08000000地址執行后面的程序。而一個工程的起始位置（也就是main函數的地址）具體映射到 Flash的地址是可以設置的。在本系統的設計中，在Flash放了兩個main函數。引導程序用于對應用程序的升級和上電后跳轉至應用程序，應用程序則完成相應的模塊功能。這兩個區域通過特定的指令可以實現相互的跳轉，并以此實現在線升級。

　　2.2　硬件系統

　　STM32F103VC處理器具有高性能、低成本、低功耗等特點。該處理器片上外設豐富，具有多個系統定時器、CAN通信接口、USART通信接口、 DMA等豐富的資源，并且借助于ST公司提供的固件庫，可以很容易地對系統資源進行操作。該處理器集成了256 KB片上Flash和64 KB片上SRAM，足以應對大多數任務。為實現CAN總線通信，只需要為STM32F103VC添加一片CAN驅動芯片進行電平轉換。

　　系統硬件結構框圖如圖3所示。

　　圖3　系統硬件結構框圖

　　2.3　軟件系統

　　為實現在線升級功能，首先需要編寫引導程序，然后將它燒入Flash引導區中。為防止應用程序升級失敗，在引導程序中需判斷Flash指定位置是否有程序完好標志，該標志由完整的應用程序在每次上電后寫入。應用程序可采用燒寫方式和升級方式寫入相應程序區。為實現引導程序和應用程序之間的相互跳轉，采取指向函數指針的方式來實現。可以將Flash中的引導程序和應用程序作為兩個普通函數，這兩個函數的進入位置分別為0x08000000和 0x08004000，然后在引導程序中設置一個指向函數的指針，其指針值為0x08004000；同理，在應用程序中設置一個函數指針，其值為 0x08000000。這樣在相應的程序中調用函數指針時就可以實現程序跳轉。

　　CAN總線采用多主競爭工作方式和非破壞性總線仲裁技術，總線上任意節點可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息而不分主次，各節點之間實現自由通信。當多個節點同時向總線發信息時，優先級較低的節點會主動退出發送，而優先級較高的節點不受影響，從而大大節省了總線沖突仲裁時間，即使在網絡負載很重的情況下，也不會出現網絡癱瘓的情況。因此，適用于分布式監控系統的數據通信。由于CAN總線協議規范只定義了物理層和數據鏈路層，所以在實際應用中必須根據實際系統制定合適的應用層協議。本系統中根據數據傳輸要求自定義了幾個應用層命令，分別是升級相關命令和數據收發校驗相關命令，限于篇幅在此就不一一詳述。

　　3　軟件升級過程

　　軟件升級包括升級控制模塊部分和待升級模塊部分。

　　升級控制模塊部分的工作過程為：向待升級模塊發送升級命令，待接收到模塊返回的確認標志后，再通過CAN應用層協議向待升級模塊發送升級數據，升級完成后向待升級模塊發送完成命令。

　　待升級模塊工作流程如圖4所示。分為引導程序部分和應用程序部分，這兩部分內容在開發的時候是作為兩個獨立的工程項目來完成的。

　　圖4　待升級模塊工作流程

　　為確保在線升級的安全性，在Flash指定位置設置了一個程序完好標志。由于Flash的擦寫是按照Page進行的，所以這個標志即使只有一位也需占用一個Page的大小。本系統中將標志設置在Flash最后一個Page。如果應用程序區沒有空余的Page來寫入該標志，就要考慮換用更大Flash容量的產品或者外擴存儲器。程序完好標志在應用程序進入的時候寫入，在接收到升級命令時擦除。若在引導程序中檢測該標志不合法，就一直處于升級狀態，直到最后收到升級成功命令為止。

　　程序跳轉示例性跳轉代碼如下：

　　typedef void （*pFunc）（void）;//自定義函數指針數據類型

　　pFunc Jump_To_App；//定義一個指向應用程序的指針

　　Jump_To_App=（pFunc）0x08004000；

　　Jump_To_App（）;

　　需要注意的是，在程序執行跳轉代碼前，需要關閉中斷響應，以避免發生不可預測的異常。同時，當程序跳轉前，需要將堆棧指針設置到相應的程序區域。

　　結語

　　通過CAN總線對分布式嵌入式系統進行在線升級非常具有代表性，隨著越來越多的芯片集成了豐富多樣的片上通信外設（如以太端口、I2C總線等），使得嵌入式系統的升級也具有更多樣式，甚至可以通過公用網絡（如因特網、GPRS等）進行遠程升級。