嵌入式设备程序远程升级的设计与实现

嵌入式设备程序远程升级的设计与实现

0dsp的远程升级系统随着数字技术和电子技术的发展，嵌入式设备被广泛应用于多个领域。新技术的繁荣以及系统功能、性能和规模的客观现实的不断提高，以及系统的维护和更新要求。传统的升级方式是派技术人员到现场,用代码烧写工具在设备使用现场完成代码的升级工作,这样做的缺点是成本高昂,效率低下,给软件的更新和维护带来了难度。能进行远程升级和维护对未来嵌入式遥测遥控系统显得越来越重要。与上位机传统的通信媒介是RS232,RS485,USB,CAN总线,因为它们传输距离和成本的限制,使得这些方式在实际应用中略显不足;虽然网络技术为嵌入式设备的更新提供了长距离的传输能力,但是在网络无法到达的复杂环境应用时又暴露了它的局限性。通用无线分组业务(generalpacketradioserver,GPRS)的方便廉价使其成为首选通信方案。本文在研究DSP程序引导启动原理和FLASH烧写原理的基础上,结合GPRS通信技术,设计了一套DSP程序远程升级系统。该方法成功应用到了基于TMS320F2812DSP的航标灯遥控遥测系统上。1ccs2.2实现程序的远程升级在进行嵌入式系统开发时,系统调试完成后,一般都需要利用代码烧写工具,将经过开发工具生成的目标文件烧写到目标平台上。对于TI的DSP来说,开发工具是TI公司提供的CCS2.2开发平台,用户代码经过编译链接生成最终的目标文件(.out格式)。使用CCS2.2的烧写插件C2000-2.00-SA-to-UA-TI-FLASH2X.EXE,通过JTAG仿真器可以将代码烧写到目标DSP中。为了实现程序的远程升级,需要调整上面步骤中的代码生成和烧写两个步骤,同时需要增加代码数据的传输这一步骤。升级流程如图1所示。从流程图中可以看出,该远程升级系统涉及到了烧写代码生成、在线烧写、无线传输、复位自举等几项关键技术,下面逐一进行详细说明。2具体来说，该项目的实施2.1代码格式转换，输入程序代码格式2.1.1coff格式编写COFF(commonobjectfileformat)的全称是通用对象文件格式,它是一种很流行的对象文件格式。TI公司的编译工具CCS编译链接生成的代码就是以out为后缀的COFF格式文件,它有着复杂的结构,程序中的代码和数据是以段的形式组织的,为管理代码段和目标系统存储器提供更加有力和灵活的方法。基于COFF格式编写汇编程序或C语言程序时,不必为程序代码和变量指定目标地址,为程序编写和程序移植提供了极大的方便。但是这种格式的代码不能直接用于FLASH烧写,需要先将其转换成HEX文件。2.1.2ti-to-tgeHex文件是指十六进制文件,也就是机器代码的十六进制形式,并且是用一定文件格式的ASCII码来表示。具体格式有一下几种:ACII-hex,ExtenedTektronix,IntelMCS-86(Intel),MotorolaExorciser(Motorola-S),TI-Tagged,其中TI-Tagged格式只支持16位地址,对于寻址空间高达4M(22bit)空间的TMS320F2812来说是不太适用的,这里对其不予讨论。仅以Motorola-S为例给出具体格式,如图2所示。2.1.3hex文件到系统文件转换BIN文件是最纯粹的二进制机器代码,没有格式,或者说是“顺序格式”,按assemblycode顺序翻译成binarymachinecode。由于分析出来HEX文件中,数据域ASCII码表示的十六进制与二进制是一一对应的,这些二进制数据应该串行地保存在程序空间。本例中选用的平台是TI公司F2812DSP,使用片内自带的FLASH作为程序存储器,因为F2812的字长是16bit,所以4个ASCII码合在一起代表一条机器指令单位或者地址。根据各种HEX文件的协议格式,在VC++6.0平台上开发了HEX文件到BIN文件转换程序,原理是将每两位AS-CII码计算成一个十六进制数,然后将计算所得十六进制数重新以ASCII码形式保存。这时生成的代码数据是机器可以识别的可执行代码,可以通过FLASH读写函数写到FLASH中,从而实现在线升级。2.2系统的t史录文设计TI公司的TMS320F2812DSP有2种启动模式:微处理器模式和微控制器模式。当DSP处于微控制器模式时,外部接口Zone7被使能,用户可以从外部存储芯片上取得程序代码;微处理器模式时,使用片内Flash作为运行程序的存储和运行介质。当DSP上电或复位时,根据引脚XMPNMC电平的高低来决定启动模式是微处理器模式还是微控制器模式,高电平是微控制器模式,低电平是微处理器模式。本设计中选取微控制器模式,将XMPNMC引脚接地,启动时DSP开始调用片内的启动代码,这段被称为bootloader的程序是DSP出厂前固化好的启动代码和一些三角函数等表格和数据,位于地址空间0x3FF000—0x3FFFC0。启动代码首先跳转到复位向量(位于0x3FFFC0),这里指向了InitBoot函数(位于0x3FFC00),在完成器件初始化之后,调用SelectBootMode()函数检查GPIO管脚的状态,然后再决定选用的引导模式。引导模式有4种:跳转到Flash,跳转到H0SARAM,跳转到OTP或者调用Bootloader从外部接口引导代码,如表1所示。本设计中,采用的是内部Flash引导模式。对于C语言程序,需要运行前建立C语言运行环境,通常做法是在Flash起点(0x3F7FF6)处放置一条跳转指令,跳转到codestart代码,这段代码可以在TI提供的源文件DSP28_CodeStartBranch.asm中找到,在源码中有这样一条指令:LB_c_int00,执行完这条指令程序将转到_c_init00函数,这个函数是运行支持库(runtimesupportlibrary)提供的C语言启动程序,是由链接器从库文件中提取出并与用户程序相链接,它完成C语言运行环境的初始化,包括:(1)分配堆栈空间,初始化堆栈指针;(2)复制运行时初始表,即将全局和静态变量的初值表从.cinit段复制到.bss段;(3)调用main函数开始运行C程序。至此,控制由Bootloader转交到了用户手上,从main函数的第一条指令开始一次执行下去。从这个过程不难看出,除了要将可执行代码烧写到Flash中外,更为关键的一步是要在0x3F7FF6处烧写_c_int00函数的入口地址,这样复位时DSP才能实现自举运行。2.3c语言程序的地址定位2.3.1sectpb块TI公司新的汇编器和编译器创建的目标文件采用COFF(commonobjectfileformat)的目标文件格式。COFF格式的基本思想是:鼓励程序员在用汇编语言或C语言编程时运用代码块和数据块的概念。这种块称为SECTION,是目标文件中的最小单位。所有的块分为两大类:已初始化块和未初始化块。已初始化块包含程序代码和数据,未初始化块是为未初始化的数据在存储器中的保留块,预留的存储器中空间,一般是在RAM里。未初始化段在目标文件中没有实际的内容,它们仅仅是用来预分配空间用的,程序在运行的时候可以用这些空间来创建和存储变量。C编译器对C程序编译后产生已初始化块和未初始化块,已初始化块如:.text块、.const块、.cinit块;未初始化块如:.bss块、.stack块。表2是各个块的具体内容。F2812将存储器分为两种:程序空间(page0)和数据空间(page1),其中程序空间包括可执行代码、初始化表、switch表;数据空间包括全局、静态变量和堆栈。2.3.2cmd文件的分析由于DSP的编译器的编译结果是未定位的,DSP没有操作系统来定位执行代码,所以需要一种机制来定位程序,这个机制就是Linker的CMD文件,用于将COFF格式的代码定位到DSP的存储空间。CMD文件的专业名称叫链接器配置文件,是存放链接器的配置信息的,简称为链接器的命令文件,其中比较关键的就是MEMORY和SECTIONS两个伪指令的使用。MEMORY是用来对芯片的ROM和RAM按区间进行划分并指定每个区间的大小。SECTION用来指定代码段和数据段在存储器的某个区间的分配。下面给出CMD文件的示意写法:3远程更新3.1hex文件格式的转换经编译生成的用户程序是COFF格式的文件,这种文件不能直接烧写到FALSH中,需要将COFF文件转换成HEX文件,再将HEX文件中的地址信息剔除,将ASCII码形式的数据转换成二进制代码保存。这时生成的二进制代码才是升级要用到的代码数据。这一系列转换过程如图3所示,其中Hex2000.exe是TI公司提供的转换工具,Hex2bin.exe是在分析了所有HEX文件格式后,使用C语言开发的转换程序,该程序支持ASCII-hex,ExtenedTektronix,IntelMCS-86(Intel),MotorolaExorciser(Motorola-S)4种格式。经hex2bin.exe程序生成的BIN格式文件,根据无线传输的需要分成多个数据包,通过GPRS方式发送到远端嵌入式终端上。3.2u2009tpp/ip协议本系统中,无线传输选用的是GPRS方式,选用西门子公司的MC55模块作为通信芯片。MC55支持900MHz,1800MHz和1900MHz这3种频段,内嵌TCP/IP协议,这大大减少了系统的开发成本。DSP通过AT指令控制MC55模块实现GPRS的链接,数据收发等操作。3.3在线烧写代码代码数据由上位机按规定的数据格式通过GPRS方式发送到嵌入式终端,已运行在终端的接收程序按协议约定接收数据包,接收结束后,将所有的数据包组合成不同的程序段这些程序段包括.text、.bss等以初始化段和一条烧写至0X3F7FF6处的跳转指令。数据包接收结束后,启动运行在RAM上的烧写函数,将程序段和跳转指令烧写各个扇区。烧写结束启动看门狗使系统复位开始执行新的程序。F2812片内自带了128KFLASH,分为4个8KBxl6位和6个16KBxl6位的扇区,用户可以单独擦除、编程和验证Flash的任意一个扇区而不会影响其他扇区,但不能通过运行在F1ash上的程序对Flash的扇区进行擦除或编程等操作。基于此,进行烧写的代码需要搬移到RAM上去运行,具体实现由配置CMD文件来完成。Flash2812_API_V210函数库是TI公司的编程算法。该算法定义良好,操作简单,而且可以脱离烧写插件,真正实现在线烧写。编程算法中函数定义如下:(1)擦除扇区的函数为Uintl6F1ash2812Erase(SectorMask,&FStatus),其中,SectorMask为擦除指定扇区;&Fstatus为状态值,判断操作是否成功。(2)烧写程序到F1ash函数为Uintl6Flash2812_Program(&FlashAddr,&BuffAddr,Length,&FStatus),其中&FlashAddr为程序在Flash中烧写的起始地址;&BuffAddr为程序当前存放在内存空间的首地址:Length为程序长度;&Fstatus为状态值,判断操作是否成功。(3)校验烧写到Flash中的程序为Uintl6Flash2812_Verifv(&FlashAddr,&BuffAddr,Length,&FStatus)。4实验过程及效率为了验证该方案的可行性,在硬件上使用F320F2812DSP为工作平台。软件上,使用VC++6.0开发环境编写上位机软件,该软件作为更新系统的服务器端,远端的嵌入式终端通过GPRS模块和服务器端通信。打包程序将经格式转换后得到的代码组装成升级包,逐帧发送到远端终端。终端接收解析后,执行烧写程序,然后重启实现自举启动。实验证明,1K大小的程序代码,只需5s就可以发送到