TS201的嵌入式系統(tǒng)軟件遠(yuǎn)程更新方法

基于DSP的遠(yuǎn)程程序更新方法很多[12]，但在燒寫的時(shí)候均要求系統(tǒng)不能斷電，否則將造成整個(gè)系統(tǒng)軟件崩潰，只能人工通過(guò)JTAG口調(diào)試燒寫才能恢復(fù)。如何有效提高系統(tǒng)維護(hù)的可靠性成為一個(gè)重要的問(wèn)題。本文創(chuàng)新地提出基于多DSP的程序分片、數(shù)據(jù)分段的高可靠性遠(yuǎn)程更新軟件設(shè)計(jì)，并列舉了多個(gè)增強(qiáng)可靠性的應(yīng)用方法。本文以某型號(hào)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為例，具體描述該設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)多，計(jì)算量大，又有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，選用ADI公司的高速處理芯片TigerSharc201s。Flash選用JS28F128，容量為256 Mb。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用兩片ADSP并行的模式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，TS201A為主DSP，TS201B為從DSP。主DSP經(jīng)Flash采用EPROM加載方式，再通過(guò)Link口引導(dǎo)加載從DSP。本處理系統(tǒng)支持多種工作模式，監(jiān)控中心通過(guò)內(nèi)部協(xié)議遠(yuǎn)程管控處理系統(tǒng)。從DSP實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理計(jì)算，把處理計(jì)算結(jié)果傳遞給主DSP;主DSP實(shí)現(xiàn)管控模塊，通過(guò)外圍芯片F(xiàn)PGA的串口協(xié)議發(fā)送給無(wú)線傳輸設(shè)備，通過(guò)CDMA模塊用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的形式，發(fā)送到監(jiān)控中心軟件。監(jiān)控中心通過(guò)協(xié)議對(duì)其可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，包括數(shù)據(jù)庫(kù)文件更新、程序更新和狀態(tài)模式轉(zhuǎn)換。

 

 

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　遠(yuǎn)程更新原理及實(shí)現(xiàn)

2.1　設(shè)計(jì)原理

Flash內(nèi)部分為256個(gè)block，可以擦寫任意位置的block段，沒(méi)有擦寫的block數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。根據(jù)這一特性，把兩片DSP軟件程序和分段的數(shù)據(jù)庫(kù)的燒寫位置分開(kāi)。Flash空間地址分配如圖2所示。

 

 

圖2　Flash空間地址分配示意圖

監(jiān)控中心按照內(nèi)部協(xié)議把數(shù)據(jù)庫(kù)或程序文件分包，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到以TS201為核心的信號(hào)處理機(jī)。處理機(jī)接收完數(shù)據(jù)后，通過(guò)自身的燒寫功能，把新數(shù)據(jù)自動(dòng)寫入Flash中。重新啟動(dòng)后，DSP重載實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分片更新程序的功能。程序的初始化設(shè)置中，每次會(huì)自動(dòng)讀回Flash中的數(shù)據(jù)，完成更新數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)的功能。

為了增加遠(yuǎn)程更新的可靠性，把兩片DSP程序分開(kāi)位置燒寫。由于主DSP只涉及管理控制功能，所以把主DSP程序作為整個(gè)系統(tǒng)的“殼”，一般不作更新。用從DSP實(shí)現(xiàn)其主要的性能計(jì)算，它的加載通過(guò)主DSP的Link口引導(dǎo)。這樣，大部分的在線維護(hù)和算法程序升級(jí)通過(guò)更新從DSP就能完成。在更新的過(guò)程中，主DSP程序不會(huì)受影響，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，也不必?fù)?dān)心突然掉電會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)軟件的崩潰。

2.2　基于TS201的遠(yuǎn)程更新過(guò)程

本系統(tǒng)制定內(nèi)部協(xié)議，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程更新的指令交互。信號(hào)處理機(jī)接收指令，按照協(xié)議決定遠(yuǎn)程更新的內(nèi)容，分為軟件更新或者數(shù)據(jù)庫(kù)更新。若為軟件更新再區(qū)分主、從DSP軟件更新;若為數(shù)據(jù)庫(kù)更新，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)信息決定更新的位置和段數(shù)。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)文件為30K×4字節(jié)，分為6段。根據(jù)無(wú)線傳輸設(shè)備的發(fā)送能力，把數(shù)據(jù)按照每包198字節(jié)分包，每包包括報(bào)頭、總包數(shù)、包號(hào)和校驗(yàn)位等信息，數(shù)據(jù)協(xié)議具體格式如下：

 

 

報(bào)頭：SOH;

報(bào)文長(zhǎng)度：本包數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，包括報(bào)頭，固定為198;

總包數(shù)：此次程序或者數(shù)據(jù)庫(kù)文件分成的總包數(shù);

包號(hào)：本包的編號(hào);

數(shù)據(jù)：需要更新的數(shù)據(jù);

校驗(yàn)位：占3個(gè)字節(jié)，包括1個(gè)字節(jié)的奇偶校驗(yàn)位、2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)位。

發(fā)送更新文件時(shí)，系統(tǒng)采用握手協(xié)議。信號(hào)處理機(jī)每接收到1包數(shù)據(jù)，將發(fā)回饋信息給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心接收到成功回饋信息后，再發(fā)下1包數(shù)據(jù)。否則將進(jìn)入等待模式，10 s后自動(dòng)重發(fā)此包數(shù)據(jù)。若連續(xù)重發(fā)3次仍然不成功，才放棄此次更新。信號(hào)處理機(jī)軟件機(jī)制和監(jiān)控中心一樣，發(fā)送回饋后進(jìn)入等待模式，10 s后自動(dòng)重新發(fā)送回饋信息，最多重發(fā)3次，才放棄更新，重新回到工作狀態(tài)，直到接收到新的下發(fā)指令。

信號(hào)處理機(jī)接收完全部的數(shù)據(jù)包后，還要進(jìn)行包號(hào)核對(duì)，確認(rèn)無(wú)誤后，用協(xié)議通知監(jiān)控中心即將進(jìn)入燒寫模式。按照Flash特定的讀寫指令，把RAM中的數(shù)據(jù)由Flash的第20個(gè)block起始位置開(kāi)始寫入。如果是數(shù)據(jù)庫(kù)，按照協(xié)議解讀數(shù)據(jù)段號(hào)，把燒寫起始位置改為相應(yīng)block的地址。燒寫完成后，將燒寫成功與否的信息回饋給監(jiān)控中心。在不斷電的情況下，系統(tǒng)此時(shí)仍然是按照舊的軟件版本運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程的硬重啟，通過(guò)指令控制繼電器。繼電器連接電源模塊，實(shí)現(xiàn)短暫的斷電功能，從而實(shí)現(xiàn)DSP的重新加載，完成程序或者數(shù)據(jù)庫(kù)更新。詳細(xì)的遠(yuǎn)程更新流程如圖3所示。

 

 

圖3　遠(yuǎn)程更新流程

2.2.1　FPGA程序?qū)崿F(xiàn)

FPGA負(fù)責(zé)片選串口信號(hào)，TS201為高速設(shè)備。為了不頻繁打斷TS201的進(jìn)程，在FPGA中設(shè)計(jì)9個(gè)字節(jié)的FIFO。FIFO滿即向TS201發(fā)送IRQ外部中斷信號(hào)，通知TS201讀取數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA接收1個(gè)讀信號(hào)清空FIFO中的1個(gè)數(shù)據(jù)。

2.2.2　TS201中斷程序?qū)崿F(xiàn)

串口采用中斷的方式接收，具體的ISR部分實(shí)現(xiàn)如下：

interrupt(SIGIRQ1, isr_uart2);//設(shè)置串口中斷地址

interrupt(SIGTIMER1LP,TIMER1_ISR); //設(shè)置定時(shí)器中斷地址

void isr_uart2() {

int i;

int buf_uart[9];

for(i=0;i<9;i++){

buf_uart[i]=*UART_ADD_2;//讀取數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)

buf_uart[i] =buf_uart[i] & 0xff; //避免數(shù)據(jù)線串?dāng)_，只取數(shù)據(jù)線上的低8位

}

……

}

② 定時(shí)器程序設(shè)計(jì)。TS201有Timer0和Timer1兩個(gè)定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器又分為高位和低位兩個(gè)寄存器。本系統(tǒng)采用Timer1的低位寄存器做10 s定時(shí)。

void TIMER1_ISR( ){

int i,tempp;//關(guān)閉定時(shí)器[!--empirenews.page--]

tempp=__builtin_sysreg_read(__INTCTL);

tempp=tempp & (0xFFFFFFFF ^INTCTL_TMR1RN);

__builtin_sysreg_write(__INTCTL, tempp);

NumberTimer++;

if(NumberTimer==3) { //如果已經(jīng)重發(fā)3次

Variable_Init( );//初始化變量

}

else{

SendCopyData( ); //重發(fā)之前的信息

__builtin_sysreg_write(__TMRIN1H, 0x0); //高位的初始化是必需的

__builtin_sysreg_write(__TMRIN1L, CK10); //配置Timer1低位寄存器，并定時(shí)10 s重新開(kāi)啟定時(shí)器

tempp=__builtin_sysreg_read(__INTCTL);

tempp=tempp | INTCTL_TMR1RN;

__builtin_sysreg_write(__INTCTL, tempp);

}

}

其中，定時(shí)器的計(jì)數(shù)周期是CCLK/2，所以，CK10=CCLK/2×10;

2.2.3　Flash程序?qū)崿F(xiàn)

TS201對(duì)于外部設(shè)備Flash的讀寫操作只能通過(guò)DMA進(jìn)行，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用DMA0。其核心代碼如下：

void dma0_ISR( ){

return;

}

void WriteFlash( int Offset, int nValue ){//向Flash的Offset位置寫數(shù)nValue

int temp=nValue;

TCB_temp.DI=&temp;

TCB_temp.DX=0x00010001;

TCB_temp.DY=0;

TCB_temp.DP=0x43000000;

q=__builtin_compose_128((long long)TCB_temp.DI | (long long)TCB_temp.DX﹤﹤32, (long long)(TCB_temp.DY | (long long)TCB_temp.DP﹤﹤32));

__builtin_sysreg_write4(__DCS0, q);

TCB_temp.DI=(int*)(Offset);

TCB_temp.DX=0x00010001;

TCB_temp.DY=0;

TCB_temp.DP=0xc3000000;

q=__builtin_compose_128((long long)TCB_temp.DI | (long long)TCB_temp.DX﹤﹤32, (long long)(TCB_temp.DY | (long long)TCB_temp.DP﹤﹤32));

__builtin_sysreg_write4(__DCD0, q);

asm("nop;;");

asm("nop;;");

}

int ReadFlash( int Offset){ //從Flash的Offset位置讀取數(shù)據(jù)temp并返回

int temp;

TCB_temp.DI=(int*)(Offset);

TCB_temp.DX=0x00010001;

TCB_temp.DY=0;

TCB_temp.DP=0xc3000000;

q=__builtin_compose_128((long long)TCB_temp.DI | (long long)TCB_temp.DX﹤﹤32, (long long)(TCB_temp.DY | (long long)TCB_temp.DP﹤﹤32));

__builtin_sysreg_write4(__DCS0, q);

TCB_temp.DI=&temp;

TCB_temp.DX=0x00010001;

TCB_temp.DY=0;

TCB_temp.DP=0x43000000;

q=__builtin_compose_128((long long)TCB_temp.DI | (long long)TCB_temp.DX﹤﹤32, (long long)(TCB_temp.DY | (long long)TCB_temp.DP﹤﹤32));

__builtin_sysreg_write4(__DCD0, q);

asm("nop;;");

asm("nop;;");

return temp;

}

2.3　可靠性設(shè)計(jì)

主DSP是采用Eprom加載，必須從Flash的0x00地址開(kāi)始;從DSP的程序位置放在Flash的第20個(gè)block段;數(shù)據(jù)庫(kù)信息位置放在第50個(gè)block段。為了增加遠(yuǎn)程更新的可靠性，采用了以下方法：

① 把大量的數(shù)據(jù)分包，每1小包添加報(bào)頭和校驗(yàn)位。信號(hào)處理機(jī)和監(jiān)控中心采用握手的方式，信號(hào)處理機(jī)每接收到1小包的數(shù)據(jù)即進(jìn)行校驗(yàn)，并回饋信息給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)接收的信息判斷是繼續(xù)發(fā)送下1包還是重發(fā)本包。

② 奇偶校驗(yàn)和CRC校驗(yàn)相結(jié)合。單一的奇偶校驗(yàn)出錯(cuò)的概率還是很高的，本系統(tǒng)在奇偶校驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又加上了CRC校驗(yàn)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性。

③ 網(wǎng)絡(luò)堵塞、斷開(kāi)或者串口的誤碼都會(huì)造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，而造成更新不成功，為了節(jié)省資源和增加更新的成功率，設(shè)計(jì)軟件支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳。信號(hào)處理機(jī)軟件在接收數(shù)據(jù)包的過(guò)程中，如果遇到突發(fā)情況，只要在不斷電的情況下，軟件將自動(dòng)保存所有已經(jīng)接收完成的數(shù)據(jù)包，當(dāng)重新接收遠(yuǎn)程更新命令時(shí)，通過(guò)協(xié)議要求中心軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)包號(hào)，實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)傳。當(dāng)然，協(xié)議中制定了監(jiān)控中心可以停止遠(yuǎn)程更新，要求信號(hào)處理機(jī)重新開(kāi)始新一次的遠(yuǎn)程更新。

④ 數(shù)據(jù)庫(kù)分段，讓更新時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)文件大小可調(diào)整，每次只更新需要的部分，盡量節(jié)省資源。全部的數(shù)據(jù)庫(kù)信息比較大，往往只需要更新其中的部分或者小部分，所以根據(jù)內(nèi)容和經(jīng)驗(yàn)，本系統(tǒng)把數(shù)據(jù)庫(kù)分為了6段，分別把6段數(shù)據(jù)文件放在Flash的6個(gè)block中，這樣遠(yuǎn)程更新就更具靈活性，遠(yuǎn)程傳送的數(shù)據(jù)量也得到了控制，增強(qiáng)了遠(yuǎn)程更新成功的可靠性。

⑤ 從DSP用Link口加載，可以實(shí)現(xiàn)可靠的多次更新。即使更新過(guò)程中遇到突發(fā)情況導(dǎo)致更新不成功，主DSP仍然工作正常，可以再次接收更新指令，重新更新從DSP，直至更新成功。

2.4　測(cè)試和結(jié)果

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程更新包括兩個(gè)類型：數(shù)據(jù)庫(kù)和程序。更新文件大小均可改變。對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)文件測(cè)試，從1包到800包均進(jìn)行了大量的測(cè)試。結(jié)果顯示，在網(wǎng)絡(luò)正常的情況下，基本均能更新成功;在網(wǎng)絡(luò)繁忙的時(shí)段，500包以下的數(shù)據(jù)文件，更新成功率大于95%，500包以上的更新成功率也大于90%。測(cè)試結(jié)果顯示此遠(yuǎn)程更新的設(shè)計(jì)能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

結(jié)論

本文詳細(xì)地描述了遠(yuǎn)程更新嵌入式軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)的方法，提出了程序分片更新、數(shù)據(jù)庫(kù)部分更新的新方法。有一點(diǎn)需要注意，在主片程序更新過(guò)程中，還是有不能斷電的要求。所以設(shè)計(jì)時(shí)，把需要在線維護(hù)和程序升級(jí)的軟件部分放在從DSP，在實(shí)際應(yīng)用中主要進(jìn)行從DSP的更新。這樣，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程更新功能的可靠性得到了很大的提高。

此應(yīng)用設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用在某型號(hào)研制的設(shè)計(jì)中，在實(shí)際的測(cè)試和應(yīng)用試驗(yàn)中，遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)庫(kù)更新和程序更新成功率均達(dá)到90%以上，完全滿足應(yīng)用需求。