LZW壓縮算法在終端程序遠(yuǎn)程更新中的應(yīng)用

引? 言

??? 配變監(jiān)測終端(即配電變壓器監(jiān)測終端，distributiontransformer monitoring terminal)，通過有線或無線的方式與主站進(jìn)行通信，將采集、計算、分析后的數(shù)據(jù)上傳到主站，實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、線損分析、電能質(zhì)量監(jiān)測、防竊電以及故障診斷等功能，從而保證了配變監(jiān)測終端的安全運(yùn)行，提高了供電企業(yè)的管理水平，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。同時，配變監(jiān)測終端作為嵌入式終端產(chǎn)品，當(dāng)安裝的設(shè)備程序出現(xiàn)缺陷，或者用戶提出新的需求時，需要對終端程序進(jìn)行遠(yuǎn)程更新，以保證終端運(yùn)行的正確性。

??? 本文采用Philips公司的32位微處理器LPC2378進(jìn)行配變監(jiān)測終端的開發(fā)，并利用該芯片自帶的IAP功能實現(xiàn)了終端程序的遠(yuǎn)程更新。為了降低通信流量和終端的存儲空間，本文還將LZW壓縮算法應(yīng)用到程序更新中。

1? LPC2378芯片介紹

??? LPC2378是一款基于ARM7TDMI-S的32位處理器。它具有512 KB的片內(nèi)Flash程序存儲器、32 KB的靜態(tài)RAM(SRAM)，以及在系統(tǒng)編程(In-System Programming，ISP)和在應(yīng)用編程(In-Application Program-ming，IAP)功能。由于程序?qū)?nèi)存需求比較大，所以外擴(kuò)了一片64 KB的SRAM。

??? 通常，程序的下載可通過3種方式實現(xiàn)：

??? ①采用嵌入式實時操作系統(tǒng)。該方法加大了系統(tǒng)對存儲容量的要求，增加了硬件和軟件成本。

??? ②采用增加外控制燒錄系統(tǒng)的方法。該方法同樣增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，且降低了系統(tǒng)本身的可靠性。

??? ③采用IAP技術(shù)。該方法充分利用芯片本身的功能，不增加外圍器件，是一種最佳的實現(xiàn)方案。

1.1? LPC2378的FIash扇區(qū)

??? IAP命令以“扇區(qū)”為單位進(jìn)行操作，操作時需要指定扇區(qū)號。LPC2378的扇區(qū)分布如表1所列。IAP、ISP和RealMonitor程序都位于Boot區(qū)，Boot區(qū)位于地址0x000TE000～0x0007FFFF處。IAP命令不允許對Boot扇區(qū)執(zhí)行寫／擦除／運(yùn)行操作。

1.2? LPC2378的IAP功能

??? IAP程序是Thumb代碼，位于地址0x7ffffff1。IAP功能可用下面的C代碼來調(diào)用。

定義IAP程序的入口地址：
# define IAP_ENTER_ADR 0x7ffffff1
定義函數(shù)類型指針：
Typedef void(* IAP)(uint32[ ]，uint32[ ])
IAP iap_entry；
設(shè)置函數(shù)指針：
Iap_entry=(IAP) IAP_ENTER_ADR；
使用下面的語句來調(diào)用IAP：
Iap_entry(command，result)；

??? IAP功能主要通過調(diào)用iap_entry()函數(shù)來實現(xiàn)。IAP命令和定義的函數(shù)如表2所列。

??? 在進(jìn)行片內(nèi)Flash修改時，首先需要讀取器件的ID和Boot代碼命令版本；確認(rèn)無誤后，選擇準(zhǔn)備編程的扇區(qū)；然后擦除扇區(qū)并執(zhí)行扇區(qū)查空，將RAM內(nèi)容復(fù)制到Flash中；最后進(jìn)行RAM內(nèi)容與Flash的比較，檢查是否復(fù)制成功。

2? 遠(yuǎn)程更新的實現(xiàn)

2.1? 程序分區(qū)

??? 軟件開發(fā)采用ADS1.2集成開放環(huán)境。ADS全稱為ARM Developer Suite，是ARM公司推出的ARM集成開發(fā)工具。在ADS鏈接選項ARM Linker中選擇Scattered方式后，通過修改．scf文件可以將程序編譯成應(yīng)用程序和更新程序兩部分。其中，應(yīng)用程序占用0～21扇區(qū)，用于實現(xiàn)終端的功能；更新程序占用22～27扇區(qū)，在終端出廠后不再進(jìn)行修改。當(dāng)進(jìn)行程序更新時，利用IAP功能對應(yīng)用程序部分進(jìn)行擦除改寫，以實現(xiàn)終端應(yīng)用程序的更新。鏈接用的．scf文件定義如下：

??? 在．scf文件中，RO表示程序代碼數(shù)據(jù)內(nèi)容，RW和ZI表示該程序部分中定義的通用數(shù)據(jù)變量和需進(jìn)行零初始化的數(shù)據(jù)變量。ROM_MAIN部分主要包括應(yīng)用程序部分和其定義的數(shù)據(jù)。ROM_EXEC是應(yīng)用程序的代碼區(qū)域，位于片內(nèi)Flash，地址從0開始。IRAM中是程序運(yùn)行的堆棧，位于片內(nèi)RAM中。ERAM是應(yīng)用程序定義的數(shù)據(jù)變量，位于片外RAM中。LOADER部分是更新程序的代碼區(qū)域，位于片內(nèi)Flash，地址從0x78000開始。程序編譯、鏈接完成后，ADS會生成兩個名為ROM_MAIN和LOADER的十六進(jìn)制文件。在需要程序更新時，主站將完成二進(jìn)制提取的ROM_MAIN文件通過有線或無線的方式發(fā)送給終端，終端全部收到后調(diào)用更新程序進(jìn)行程序更新。但由于提取完的二進(jìn)制文件仍然比較大，需要對其進(jìn)行壓縮，以降低通信費(fèi)用。

2.2? 程序更新的實現(xiàn)方法

??? 程序運(yùn)行流程如圖1所示。終端在程序啟動時，先檢查是否需要程序更新，如果不需要則正常進(jìn)入main()函數(shù)運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，當(dāng)遇到主站發(fā)過來的壓縮程序包時，首先需要對壓縮程序包進(jìn)行檢查，如果無誤，則將其存到對應(yīng)位置的外部Flash中。當(dāng)收到主站的程序更新命令時，終端需要對接收到的全部壓縮程序包進(jìn)行檢查，確認(rèn)無誤后置位程序更新標(biāo)志，保存當(dāng)前數(shù)據(jù)并復(fù)位。當(dāng)終端程序再次啟動，發(fā)現(xiàn)有程序更新標(biāo)志時，則調(diào)用更新程序。在更新程序中，首先從外部Flash中取出壓縮的程序包，然后對其進(jìn)行解壓縮，并將壓縮后的程序復(fù)制到對應(yīng)的內(nèi)部Flash扇區(qū)中。當(dāng)所有的壓縮程序包都解壓復(fù)制后，清除程序更新標(biāo)志，然后復(fù)位。終端再次啟動后，運(yùn)行的就是更新之后的應(yīng)用程序了。

2.3? 解壓縮算法在更新程序里的實現(xiàn)

??? 在程序編譯、鏈接完后，對應(yīng)用程序生成的ROM_MAIN．hex文件進(jìn)行二進(jìn)制提取。雖然可以使文件大大減小，但所生成的文件仍然很大，需要進(jìn)一步壓縮。本文采用LZW壓縮算法對其進(jìn)行壓縮，LZW(Lempel-Ziv-Welch)壓縮算法是一種串表式無損壓縮技術(shù)，支持流式解壓縮，可以根據(jù)內(nèi)存大小選擇合適的最大字典串長。表3顯示了對ROM_MAIN．hex文件(940 KB)進(jìn)行二進(jìn)制提取，以及提取后對其進(jìn)行LZW壓縮各階段的文件大小。

??? 當(dāng)需要進(jìn)行程序更新時，將壓縮后的文件發(fā)送給終端。終端收到全部程序壓縮包并確認(rèn)無誤后，進(jìn)行復(fù)位并調(diào)用更新程序。在更新程序中，由于內(nèi)存的限制，每次從外部Flash讀取1 024字節(jié)進(jìn)行解壓縮。當(dāng)解壓出的字節(jié)數(shù)達(dá)到512時，調(diào)用IAP功能函數(shù)，并將這512個字節(jié)復(fù)制到內(nèi)部Flash中，繼續(xù)進(jìn)行解壓縮。之前讀取的1 024個字節(jié)解壓完畢后，再重新從外部Flash進(jìn)行讀取解壓，直到對應(yīng)用程序完全解壓并復(fù)制完為止。

結(jié)? 語

??? 本文介紹了基于LPC2378的IAP功能實現(xiàn)配變監(jiān)測終端程序遠(yuǎn)程更新的方法，并將LZW壓縮算法應(yīng)用于程序更新中。該產(chǎn)品投入運(yùn)行一年多以來，取得了良好的運(yùn)行效果。此項技術(shù)具有一定普遍性，略加修改可以應(yīng)用到其他同類產(chǎn)品中。