引 言

       隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和廣泛應用，必不可少的維護工作變得日益繁重。如移動電話在用戶使用過程中，部分未能在軟件研發(fā)階段發(fā)現(xiàn)的缺陷會逐漸暴露，不可避免地增加了維護成本。又如在設備運行期間，用戶往往會基于原有軟硬件對產品提出新功能或更高的性能要求，這對軟件重用性提出了挑戰(zhàn)。在移動設備數(shù)量較多，而且使用地點無法預知的情況下，采用傳統(tǒng)的人工更新方式會耗費大量的人力物力。自更新技術在嵌入式系統(tǒng)中分為兩個相互聯(lián)系又相互獨立的階段：首先是將更新包下載至本地移動設備中，然后在本地移動設備中實現(xiàn)自更新。
    將自更新技術嵌入RTOS中的關鍵在于自更新后系統(tǒng)啟動的穩(wěn)定性。嵌入式移動系統(tǒng)一般都有獨立的boot—loader對系統(tǒng)進行初始化并引導加載內核。這種啟動基于bootloader，該自更新機制決定了bootloader不僅僅起到加載內核鏡像這一基本功能，而是被看作是一個虛擬系統(tǒng)。

1 自更新機制的架構
    支持自更新功能的嵌入式系統(tǒng)由服務器端和客戶端兩部分組成。服務器端通過OMA協(xié)議，與客戶端建立無線連接?？蛻舳瞬捎没贏RM9的微處理器，配有8 MB的RAM和32 MB的NOR F1ash存儲器，及其他相關外圍設備，具有相對可見的bootloader程序。自更新機制架構如圖1所示。

    自更新機制總體流程如下：a．設備廠商根據(jù)需求，生成包括升級到新版本或返回到舊版本的多個更新包。b．這些更新包將被送至無線服務提供商處進行統(tǒng)一管理，并最終將更新包提供給用戶。c．在更新包提供給用戶前，每個單獨的移動設備將會選擇最優(yōu)方案(即網(wǎng)絡提供商)。d．服務器端通過傳輸機制(如OMA—DL 1．O協(xié)議標準或網(wǎng)絡提供商標準)與客戶端建立會話連接，客戶端將下載并存儲更新包。e．更新應用程序將與用戶交互以獲得更新權限并進入更新進程。整個更新過程由bootloader完全控制，直到更新成功。f．更新后的目標設備重啟，并將更新結果發(fā)送至服務器端。

2 更新系統(tǒng)的設計
2．1 Flash存儲器的布局
    原有嵌入式系統(tǒng)Flash存儲器的布局如圖2(a)所示。系統(tǒng)啟動時從Flash的首地址開始執(zhí)行，而bootloader和RTOS都位于code區(qū)，也就是bootloader并不獨立于內核。將原本與代碼區(qū)相鄰的文件系統(tǒng)區(qū)后移，用于存儲更新包。這種布局也是很多嵌入式系統(tǒng)所采用的，尤其是許多商業(yè)系統(tǒng)。系統(tǒng)在更新過程中根據(jù)自更新算法與原有代碼區(qū)進行比對，燒寫到Flash中。這種Flash部署方法有一個致命的缺點，就是沒有考慮到更新過程中可能遇到的突發(fā)事件。比如，在更新過程中因為不可預料的掉電使得燒寫錯誤，完全可能導致軟件更新后系統(tǒng)無法啟動，出現(xiàn)這種情況后必須人工重新燒寫原有軟件。

    為了在原有基礎上使系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性與擴展性，需要對Flash進行重新布局，如圖2(b)所示。將代碼區(qū)劃分為兩個區(qū)域：bootloader區(qū)，這個區(qū)域不可被擦寫更新；RTOS區(qū)域，存放內核及應用程序。將更新包存儲區(qū)設計為4部分。其中一個用來存儲系統(tǒng)啟動和更新過程的標識參數(shù)，這些數(shù)據(jù)極為重要，掉電后仍需保存于Flash中。另一個存儲區(qū)用于存放更新時用到的更新包，稱為更新包區(qū)。第三個區(qū)域存儲下載的更新包，稱為更新包備份區(qū)。最后一個區(qū)域存放設備出廠時的軟件版本。bootloader固定在第一個分區(qū)，這樣的設計具有很強的可擴展性，涵蓋了更新算法。為了使人機接口更人性化，此區(qū)域包括LCD及其控制器的驅動和應用程序，使更新過程對用戶可見。系統(tǒng)啟動時設置異常向量表，初始化內存、堆棧指針寄存器、I／O器件、系統(tǒng)需求的RAM變量，使能中斷，然后根據(jù)啟動地址和更新標識這兩個參數(shù)跳轉執(zhí)行相應代碼，每次更新都不改變bootloader區(qū)域的內容。其中，啟動地址指向bootloader要執(zhí)行的代碼，更新標識用于記錄更新階段。
2．2 更新進程的設計
    系統(tǒng)每次啟動后，服務器端主動報告當前有無可更新的軟件包。如果客戶端響應并發(fā)起會話，則隨后檢查Flash上的更新包備份區(qū)，存儲下載的更新包，并更新標識。為了增強傳輸過程的安全性，在應用層設計一套具有校驗、確認和斷點續(xù)傳功能的收發(fā)協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)能夠準確地通過移動通信系統(tǒng)傳輸?shù)娇蛻舳恕?br />    當更新包下載完畢后，先將更新包由備份區(qū)拷貝至更新包區(qū)，更新進程根據(jù)已經(jīng)設定的代碼區(qū)在Flash中的地址，調用Flash的讀寫函數(shù)通過比對算法將更新包寫入代碼區(qū)。更新結束后設置標識，如果由于某種原因沒有更新成功則標識位不變，系統(tǒng)復位后繼續(xù)更新直到更新成功?？蓞⒖既缦麓鷺嫞?/p>

  [!--empirenews.page--]  更新進程的程序流程如圖3所示。

2．3 更新后的啟動流程
    通過以上更新流程，系統(tǒng)完成了一次軟件版本的升級。重新部署Flash后，客戶端具有相對獨立的bootloader，并固化在Flash的低地址處，能夠保證系統(tǒng)啟動后總是先進入bootloader。bootloader通過讀取對比標識存儲區(qū)的啟動地址參數(shù)來跳轉執(zhí)行代碼。在正常情況下，啟動地址總是指向RTOS。當更新完成重新啟動客戶端后，bootloader便會引導新的鏡像文件。
    為了確保軟件更新后系統(tǒng)啟動的穩(wěn)定性，通過設計異常處理程序來加載代碼備份存儲區(qū)的文件防止系統(tǒng)癱瘓。當bootloader引導更新后的鏡像文件失敗后，系統(tǒng)進入異常處理函數(shù)，在此函數(shù)中將啟動地址指向代碼備份區(qū)，并設置標識位。代碼備份區(qū)保存的是設備出廠時最初版本的image文件，具有非常高的穩(wěn)定性，這樣就保證系統(tǒng)功能正常運行，并確保服務器端與客戶端正常通信。異常處理流程如圖4所示。

    當軟件更新過程中遇到致命異常時，通過異常處理程序，系統(tǒng)能夠重新啟動備份的軟件版本，有效地提高了嵌入式系統(tǒng)自更新機制的安全性，避免了系統(tǒng)徹底崩潰。

3 測 試
    為了評估自更新機制的穩(wěn)定性和安全性，確保其適用于真實設備與網(wǎng)絡，測試應盡可能覆蓋現(xiàn)實情況中可能遇到的情況。用戶能看到的升級性能主要有更新包下載時間和自更新時間。設備廠商關注的是高穩(wěn)定性和安全性，以及更新包所占Flash的比例。測試中應考慮到各種版本，制作測試矩陣，然后按順序測試，包括回退更新。
    在一個實際運行的移動設備中驗證和測試更新機制的性能。首先測試更新進程的通信狀況。結果表明，每次均能正確地與服務器端建立會話，并進行數(shù)據(jù)傳輸；更新包均能通過無線網(wǎng)絡準確下載并存儲至客戶端。測試的重點是系統(tǒng)更新結束后新程序啟動的穩(wěn)定性和安全性。對軟件更新過程進行干擾，以測試bootloader能否正確啟動。測試中模擬了兩大類情況：一類是更新包隨機挑選版本的相互升級，另一類是人為設置導致更新包出現(xiàn)不能啟動錯誤的數(shù)據(jù)，然后進行升級。設計三種具體方案進行測試，每個方案測試30次，查看系統(tǒng)能否按預期結果啟動程序。測試方案及結果如表1所列。

    從測試結果看出，系統(tǒng)更新后，每次均能正確啟動程序；此外，更新機制對代碼區(qū)具有較強的修復能力，防止了由于數(shù)據(jù)異常而導致的無法啟動。本更新機制能有效地提高嵌入式軟件更新后重新啟動的穩(wěn)定性和可靠性。

結 語
    本文提出了一種具有較高穩(wěn)定性和安全性、基于bootloader的嵌入式軟件自動更新機制。該更新機制同時保存了3個文件，需要較多的Flash存儲空間，但同時降低了維護成本。其創(chuàng)新點在于設置1個標識區(qū)、3個程序存儲區(qū)并設計了異常機制，提高了嵌入式系統(tǒng)更新過程的穩(wěn)定性，尤其能夠有效地防止軟件更新后系統(tǒng)啟動失敗的情況，具有較高的實用價值。