基于GPRS的遠程IAP系統(tǒng)方案的終端產(chǎn)品設計

引 言

IAP即在應用中編程，對于嵌入式產(chǎn)品，指在不影響產(chǎn)品正常運行的情況下實現(xiàn)應用程序的更新。許多ARM芯片都提供該操作接口，相對于ISP（在系統(tǒng)編程）方式，具有方便靈活且不需要借助專用boot裝載程序或工具的特點，而且在不影響嵌入式產(chǎn)品正常運行的情況下即可完成應用程序的動態(tài)升級。在工業(yè)控制領域尤其是電力系統(tǒng)控制領域中，嵌入式產(chǎn)品必須保證連續(xù)、穩(wěn)定、可靠地運行，由各種原因?qū)е碌膽贸绦虻母露急仨氃诋a(chǎn)品正常運行過程中完成，因此許多用戶對相關產(chǎn)品的IAP功能都有明確的要求。IAP是用戶自己的程序在運行過程中對User Flash的部分區(qū)域進行燒寫，目的是為了在產(chǎn)品發(fā)布后可以方便地通過預留的通信口對產(chǎn)品中的固件程序進行更新升級。 通常在用戶需要實現(xiàn)IAP功能時，即用戶程序運行中作自身的更新操作，需要在設計固件程序時編寫兩個項目代碼，第一個項目程序不執(zhí)行正常的功能操作，而只是通過某種通信管道（如USB、USART）接收程序或數(shù)據(jù)，執(zhí)行對第二部分代碼的更新；第二個項目代碼才是真正的功能代碼。

LPC2214是Philips公司推出的一款32位ARM7TDMI-S工業(yè)用微控制器。內(nèi)置25 6 KB高速Flash，128位寬度接口／加速器可以實現(xiàn)60 MHz的操作頻率；配置有2個UART接口、4個外部片選，支持8、16、32外部總線；片內(nèi)boot下載程序可以實現(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應用中編程（IAP）。由于該芯片的內(nèi)置Flash速度很快，并且支持128位寬度接口／加速，應用程序存儲并運行在片內(nèi)Flash中可以獲得較快的執(zhí)行速度。 LPC2124基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-SCPU，并帶有236 KB嵌入的高速Flash存儲器和16 KB RAM。對于內(nèi)嵌Flash存儲器支持JTAG、ISP、IAP等多種編程方式。LPC2124具有非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、PWM輸出、46個GPIO以及多達Array個外部中斷，且內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，使它們特別適用于工業(yè)控制中。因為用電監(jiān)控終端對硬件資源要求高，軟件功能復雜，實時性強，所以采用LPC2124可以提高產(chǎn)品的性價比。

1 嵌入式產(chǎn)品應用程序啟動方式

在嵌入式產(chǎn)品中，應用程序可以運行在RAM或Flash中。對于中高端產(chǎn)品，由于要求較高的執(zhí)行速度和效率，一般采用Coldfire、x86、PowerPC、ARM9等CPU。此類CPU一般都有DRAM控制器，支持DRAM操作，為了獲得較快的執(zhí)行速度，將應用程序從代碼Flash中復制到DRAM的代碼空間后才開始執(zhí)行。對于x86模式，應用程序以文件方式保存在硬盤或電子盤上。在不同的嵌入式操作系統(tǒng)上，應用程序在DRAM上的展開方式存在一定差異。

對于低端產(chǎn)品，由于成本的嚴格控制，在滿足產(chǎn)品功能需求的前提下一般采用性價比較高的CPU，如8位、16位、低端ARM等。此類CPU一般有內(nèi)部RAM、內(nèi)部Flash，由于采用內(nèi)部高速總線，內(nèi)部Flash具有較高的執(zhí)行速度。在外部RAM中運行的產(chǎn)品，執(zhí)行速度較快，但是由于啟動過程較為復雜，導致時間較長（尤其是。x86系統(tǒng)，啟動過程可能需要半分鐘以上）；而在Flash上直接運行的產(chǎn)品，即使CPU具有較高的主頻，執(zhí)行速度也會受到Flash速度的限制，但是此類產(chǎn)品啟動較快，一般可以在幾秒鐘內(nèi)完成啟動。

嵌入式產(chǎn)品應用程序的啟動方式?jīng)Q定了應用程序動態(tài)更新的方式。對于代碼在外部RAM執(zhí)行的情況，正常情況下更新Flash中的代碼不會影響系統(tǒng)正常運行，實現(xiàn)起來較為簡單。對于代碼在Flash上直接執(zhí)行的情況，由于應用程序正常運行過程中會不斷從Flash上讀取指令，給在線更新程序帶來一定困難，如果不借助一定手段或方法，很難保證應用程序的可靠升級。

2 硬件實現(xiàn)方案

本產(chǎn)品為電力負荷用電管理終端，用來實現(xiàn)對廠礦、企業(yè)、機關等電力用戶的用電監(jiān)測和控制，提高用電質(zhì)量。終端產(chǎn)品通過GPRS／CDMA無線通信接口完成與電力局遠方調(diào)度主站的信息交互。由于終端產(chǎn)品分散分布在一個區(qū)域的各個位置，調(diào)度主站必須通過GPRS／CDMA方式實現(xiàn)對終端產(chǎn)品應用程序的在線升級，因此產(chǎn)品在線升級的可靠性會對電力用戶造成很大的影響。終端產(chǎn)品采用圖1所示的硬件方案?？紤]到LPC2214片內(nèi)Flash的特點，應用程序固化在內(nèi)部Flash中并在其中執(zhí)行。LPC2214通過數(shù)據(jù)線、地址線與RAM、外部Flash、LCD、擴展串口芯片連接，通過串行總線與A／D轉(zhuǎn)換器通信。LPC2214本身提供的2路UART接口可以分別實現(xiàn)本地維護接口和GPRS／CDMA無線網(wǎng)絡接口，擴展串口芯片可以擴展出2路UART，實現(xiàn)本地紅外維護和RS485方式的抄表功能。基于LPC2124的以上3種編程方法的分析，IAP實現(xiàn)對終端程序升級自然是最佳選擇方案。下面介紹一種基于GPRS的遠程IAP系統(tǒng)方案，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

AT45DB08081B，8Mb串行Flash存儲器，兼有ROM的掉電數(shù)據(jù)保存和RAM的讀／寫速度，最快支持20MHz的時鐘頻率，擦寫次數(shù)達10000次，內(nèi)置2個264字節(jié)SRAM緩沖器，使得對主存儲體的編程可以連續(xù)進行，省去編程等待時間。AT45DB081B采用CASON-8封裝，支持2.5～3.6 V低電壓，操作功耗低，支持模式O和3的SPI總線接口，與MCU接口簡單，穩(wěn)定可靠，非常適用于數(shù)字語音、圖像、程序代碼和數(shù)據(jù)的存儲應用中。在本設計中采用模式0與LPC2124通信，速度可達MCU主頻的1／8。GPRS模塊使用Wavecom公司生產(chǎn)的Q2406B，雙頻GPRS／GSM模塊（EGSMArray00／1800 MHz，EGSMArray00／lArray00 MHz），內(nèi)置TCP／IP，與標準AT指令完全兼容；其設計開發(fā)符合ETSI GSM Phase 2+標準。

為了確保應用程序的在線更新，片外RAM和Flash除了滿足應用程序的正常使用外，還必須滿足應用程序更新時臨時備份代碼的需求。

3 應用程序IAP實現(xiàn)方案

如圖2所示，需要更新的應用程序代碼通過GPRS／CDMA無線網(wǎng)絡接口或本地維護接口下載到RAM的程序代碼緩存區(qū)中。經(jīng)過校驗檢查正確后，導入到外部Flash的應用程序代碼區(qū)。導入成功后，設置相關標志，再通過LPC2214的IAP接口功能函數(shù)，將應用程序代碼保存到CPU內(nèi)部Flash中。IAP技術是從結(jié)構(gòu)上將Flash存儲器映射為兩個存儲體，當運行一個存儲體上的用戶程序時，可對另一個存儲體重新編程，之后將控制從一個存儲體轉(zhuǎn)向另一個。ISP的實現(xiàn)一般需要很少的外部電路輔助實現(xiàn)，而IAP的實現(xiàn)更加靈活，通?？衫?a target="_blank">單片機的串行口接到計算機的RS232口，通過專門設計的固件程序來編程內(nèi)部存儲器。

由于應用程序運行在CPU內(nèi)部的高速Flash上，因此產(chǎn)品正常運行過程中無法完成內(nèi)部Flash中代碼的更新。為了解決上述問題，采用“應用boot：”的方式加以實現(xiàn)。將內(nèi)部Flash分為2個區(qū)域：應用boot和應用程序代碼區(qū)。應用boot為一個簡單的應用程序，實現(xiàn)從外部Flash導入應用程序代碼以及向應用程序代碼區(qū)入口跳轉(zhuǎn)的功能。應用boot存放在CPU內(nèi)部Flash的開始部分，一旦寫入后不再修改。產(chǎn)品上電或復位后，CPU的PC指針首先指向應用boot的入口，應用boot開始執(zhí)行。一旦檢測到外部Flash中有完整的用戶代碼需要更新，則通過LPC2214的IAP接口將應用程序代碼導入到內(nèi)部Flash的應用程序代碼區(qū)，并跳轉(zhuǎn)到應用程序代碼的入口處執(zhí)行新的應用程序；如果沒有應用程序需要更新，boot程序會直接跳轉(zhuǎn)到當前應用程序代碼的入口處執(zhí)行。

在整個應用程序在線升級過程中，應用程序代碼正常寫入片外Flash之前都不影響產(chǎn)品的正常運行。正確寫入片外Flash后，應用程序自動復位，然后啟動應用boot，通過應用boot將新的應用程序?qū)懭雰?nèi)部Flash。

4 應用boot設計

應用boot是應用代碼更新的關鍵，它不但解決了在線升級的問題，而且提供了一種異常防護機制。即使在內(nèi)部Flash的應用程序代碼區(qū)寫入失敗的情況下，由于boot可以正常運行，仍然可以通過boot程序的功能重新更新應用程序。boot程序基本功能包括：內(nèi)部Flash更新、向應用程序跳轉(zhuǎn)以及本地下載更新應用程序。為保證該軟件的可靠性，同時考慮硬件配置情況，采用μC／OS-II嵌入式操作系統(tǒng)。通過對該操作系統(tǒng)的合理裁剪和軟件優(yōu)化，可以將boot程序代碼控制在12 KB以內(nèi)，從而為應用程序代碼提供了足夠的片內(nèi)Flash存儲空間。boot程序的啟動部分非常重要，會直接影響整個系統(tǒng)的運行情況。啟動代碼首先初始化CPU總線控制器；然后初始化RAM和外部Flash片選，將boot程序代碼復制到RAM中并在RAM中執(zhí)行；最后初始化堆棧和基本系統(tǒng)后進入主程序入口。它提供了一個真正的由MCU本身自動下載和更新（采用讀/寫同時“Read-While-Write”進行的方式）程序代碼的系統(tǒng)程序自編程更新的機制。利用AVR的這個功能，可以實現(xiàn)在應用編程（IAP）以及實現(xiàn)系統(tǒng)程序的遠程自動更新的應用。 IAP的本質(zhì)就是，MCU可以靈活地運行一個常駐Flash的引導加載程序（Boot Loader Program），實現(xiàn)對用戶應用程序的在線自編程更新。引導加載程序的設計可以使用任何的可用的數(shù)據(jù)接口和相關的協(xié)議讀取代碼，或者從程序存儲器中讀取代碼，然后將代碼寫入（編程）到Flash存儲器中。

boot程序的IAP實現(xiàn)，主要包括兩個接口函數(shù)：CPU內(nèi)部Flash扇區(qū)的擦除和寫入。對于擦除操作，按照IAP提供的操作方式即可實現(xiàn)，注意發(fā)送完擦除指令后需要一段時間的延時，并借助指令檢查擦除是否成功。對于寫入操作，需要根據(jù)IAP操作的相關要求，將數(shù)據(jù)首先復制到CPU的內(nèi)部RAM中；然后通過相應的IAP寫入命令將其寫入到內(nèi)部Flash中；寫入操作完成后，需要進行一定的延時并檢查寫入是否成功。為了保證上述操作過程的完整性，對于μC／OS-II操作系統(tǒng)，需要借助OS_ENTER_CRITICAL函數(shù)進行必要的保護。引導加載程序有能力讀寫整個Flash存儲器，包括引導加載程序所在的引導加載區(qū)本身。引導加載程序還可以對自身進行更新修改，甚至可以將自身刪除，使系統(tǒng)的自編程能力消失。引導加載程序區(qū)的大小可以由芯片的熔絲位設置，該段程序區(qū)還提供兩組鎖定位，以便用戶選擇對該段程序區(qū)的不同級別的保護。

5 異常情況應對措施

對于嵌入式產(chǎn)品的在線升級過程，突發(fā)的在線升級過程異常中止、裝置停電或異常復位，以及更新程序代碼錯誤等情況會導致嚴重后果，而本產(chǎn)品的IAP在線升級方案完全解決了上述問題，可以保證產(chǎn)品的可靠升級。

①在線升級過程異常中止的情況。外部無線網(wǎng)絡或人為原因都可能導致代碼下載中斷的發(fā)生。而對于本產(chǎn)品，下載中止只會導致本次下載失敗，再次開始下載即可；而且由于采用了斷點續(xù)傳的軟件技術，后續(xù)下載可以從上次下載失敗處繼續(xù)進行，從而提高了下載效率。

②裝置停電或異常復位的情況。當停電或復位發(fā)生在下載到外部RAM過程中時，只會導致本次下載失敗，重新啟動裝置可以再次下載；發(fā)生在代碼從外部RAM向外部Flash導入過程中時，也只會導致本次下載失敗，不會影響產(chǎn)品的正常運行；發(fā)生在代碼從外部Flash向CPU內(nèi)部Flash導入過程中時，內(nèi)部Flash的應用程序代碼區(qū)被破壞，應用程序無法正常運行，但是boot程序可以繼續(xù)工作，可以在boot程序中完成應用程序的更新工作。

③更新程序代碼錯誤的情況。例如由于人為原因下載了一個錯誤版本的應用程序，導致產(chǎn)品循環(huán)異常復位無法正常運行。應用程序中加入了復位監(jiān)測機制，當異常復位連續(xù)達到一定范圍時會自動進入boot程序運行狀態(tài)，可以在boot程序中完成應用程序的更新修復工作。

結(jié) 語

采用本IAP設計方案的終端產(chǎn)品，經(jīng)過上千個用戶現(xiàn)場的應用程序在線升級的實際應用檢驗，完全達到了快速、穩(wěn)定、可靠的使用要求。該方案為現(xiàn)場服務人員和用戶提供了一種簡單、可靠的產(chǎn)品維護手段，對于其他嵌入式產(chǎn)品的設計和開發(fā)也具有一定的指導和借鑒意義。