CN102075564A - 一种远程软件升级技术方法 - Google Patents

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本发明公开一种利用把嵌入式引导区Bootloader软件升级技术，与通用通讯协议载体结合起来的远程嵌入式的软件升级方法。其包括三个阶段：第一阶段为启动、运行及检测阶段，第二阶段为升级程序传输阶段，第三阶段为执行应用程序阶段。通过用引导区Bootloader技术与其他通讯协议的结合，如GPRS，TCP/IP，PROFIBAS等协议，联合在一起实现远程软件移植。通过信息系统的引导区Bootloader固件协议集成，能合理稳定地实现软件移植、一对多或定点升级，解决软件升级与标准协议接口的兼容问题。同时利用标准通讯协议自身的校验与重发功能，保证软件升级的可靠性，提高恶劣环境下升级成功率与抗干扰能力。

Description

一种远程软件升级技术方法
技术领域
本发明涉及远程软件升级技术，尤其涉及一种利用把嵌入式引导区Bootloader(即引导程序)软件升级技术，与通用通讯协议载体结合起来的远程嵌入式软件升级方法。
背景技术：
随着电子技术、计算机技术和通信技术的迅猛发展，嵌入式系统已经广泛应用于工业、军事、通信、信息家电等领域，得到了相当的推广以及应用，与此同时，嵌入式系统所带来的升级以及维护等问题也同样得到相当的重视。但是现在在软件升级这方面普遍存在着以下几个问题：
一、升级模式与信息系统的通讯协议并不兼容，或要求使用特定的硬件升级接口。
二、信息系统软件移植过程中的稳定性问题，容易受到干扰，升级固件EMC电磁兼容特性差；
三、软件移植的不能实现多路同时的远程升级。
四、在一个通讯网络内不能根据客户需求及现场环境实际情况的不同，实现定点客户端升级。
发明内容：
本发明目的在于解决软件升级与标准协议接口的兼容问题，保证软件升级的可靠性，提供一种能合理稳定地实现软件移植，一对多或定点的远程嵌入式软件升级方法。
如图1所示，在设计方法实施中，主要有两个部分：第一部分是标准协议通讯实现主机软件升级服务端对多个从机软件升级客户端，或对指定地址上几个从机软件升级客户端数据代码的稳定传输部分，第二部分是在从机软件升级客户端通过引导区Bootloader技术实现在线升级部分。
以下是关于怎样把这两个部分结合起来的详细内容。本发明的远程软件升级技术方法，其基本流程如图2。
第一阶段为主机软件升级服务端与从级机软件升级客户端的启动、运行及检测阶段，其包括：
①主机软件升级服务端启动，检测是否需要升级，如果需要升级则：
a.对于远程触发升级方式的从机软件升级客户端，通过UART通信模块接口向从机发送升级请求，等待从机客户端升级准备就绪信号；
b.对于本地触发升级方式的从机软件升级客户端，直接等待从机客户端升级准备就绪信号；
如果不需要升级则执行正常的通讯管理应用程序；
②从机软件升级客户端启动，其嵌入式系统里面的FLASH区分为两个区域，分别是程序引导区与用户应用程序区，而系统每次上电启动之后首先进入程序引导区，根据程序引导区里面的程序检测应用程序区是否已包含应用程序，通讯串口是否送来的Bootloader触发信号、或本地Bootloader触发信号是否触发升级标志来判断是否需要进行在线升级：
a.如果收到Bootloader触发信号表明需要进行在线升级，则是先把整个用户应用程序区上的代码擦除，接着使设备进入等待状态，回复Bootloader准备完毕信息，等待主设备发送过来所需要升级的数据代码；
b.如果不需升级就直接进入用户应用程序区，执行一般的应用程序；在此后若主机软件升级服务端发来升级指令，则由应用程序设置升级标志，然后通过外部触发RST复位使从机软件升级客户端重新启动进入Bootloader或直接由应用程序区跳转到Bootloader区执行引导程序，引导程序重新判断是否需要升级，此后Bootloader执行操作与a相同。
第二阶段是升级程序传输阶段，其包括：
①主机软件升级服务端，分割需要下载的升级程序段为一个或数个短的待传输通讯数据片段，通过UART串口异步通信模块，经由通讯接口将打包成标准通讯协议的数据帧发送至从机软件升级客户端；
②在从机软件升级客户端，利用标准通讯协议规则对接收到的数据帧进行CRC、奇偶校验等检测，判断该升级数据包是否受到损坏；
a.如校验正确则执行数据帧操作，并返回应答信号，告示本帧数据传输成功，等待下一帧传送；
b.如校验不正确，则按需要返回检验错误应答信号，从机软件升级客户端进入等待状态，等待主机软件升级服务端再次发送本帧数据。
③主机软件升级服务端检测从机软件升级客户端的应答信号，如本次通讯无问题则准备下一帧数据的传送，如从机软件升级客户端回复有问题则重新发送本帧数据，直至主机软件升级服务端与从机软件升级客户端完成整个升级/维护过程的数据传输工作；
第三阶段为执行应用程序阶段：升级程序全部通讯传输完毕后，主机软件升级服务端发送完成指令并回到正常应用操作；从机软件升级客户端证实软件升级完成后，清除掉升级标志，然后跳转回Bootloader区，或利用外部RST信号对自身进行复位操作后进入Bootloader区，然后通过引导区Bootloader进入应用程序区，执行升级后的应用程序。
本发明的远程软件升级技术方法，优点之一是利用通用协议的安全性保证，及分割升级程序为数个小的数据片断分别传送，使得升级过程抗干扰能力强，且一帧数据受到破坏可重复发送，可提高升级成功率；优点之二是利用通用通讯协议载体的广播协议可以实现一个升级服务端对多个升级目标客户端稳定的软件在线升级；优点之三是可在通讯信息中封装接受升级的从机软件升级客户端的指定地址，利用通讯协议的点对点技术仅对整个总线上指定地址的客户端软件实现升级，而其它地址上的从机软件升级客户端对非本地址的升级信息不做任何处理；优点之四是可利用协议可改写升级目标的指定寄存器段的功能完成对升级目标客户端局部程序段或参数的改写。
本发明的远程软件升级技术方法，对通讯物理接口无限制，可以是有线的或无线的，对标准协议类型无限制，可以是无线的GPRS，也可以是有线的ModBUS，ProfiBUS，工业以太网TCP/IP等。通过用引导区Bootloader技术与其他通讯协议的结合，如GPRS，TCP/IP，PROFIBAS等协议，联合在一起实现远程软件移植。通过信息系统的引导区Bootloader固件协议集成，能合理稳定地实现软件移植、一对多或定点升级，解决软件升级与标准协议接口的兼容问题。同时利用标准通讯协议自身的校验与重发功能，保证软件升级的可靠性，提高恶劣环境下升级成功率与抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明远程软件升级技术方法的运行结构图；
图2为本发明远程软件升级技术方法的软件流程图；
图3为实施例使用MODBUS协议的运行结构图；
图4为升级软件程序结构图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的远程软件升级方法作进一步说明。以下为本方法集成使用MODBUS协议的示例，协议的具体内容如下：
首先是主机部分，它首先由一个包括固件软件和待升级程序代码的flash模块和UART模块(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步接收/发送装置)组成。从机部分主要包括由一个包括引导程序区和用户应用空间组成的FLASH模块。主从机之间以UART异步方式通信，为实现对从机的远距离升级与维护，采用工业级标准的RS485电平标准。
通过MODBUS协议部分实现一对多机的通讯，把需要的数据代码从主机软件升级服务端向从机软件升级客户端进行传输。本设计需要在用MODBUS里面自定义保留的功能码，如表格1所示的自定义保留功能码的详细解释。
  开始码  每一次开始传输前有3.5个周期的停顿时间以表示开始传输
  设备地址  主机/从机的物理设备地址，长度8bits
  功能码  保留功能码如72，长度8bits
  程序开始地址  每次程序需要烧写到FLASH里面的首地址，先传低8位，再传高8位
  数据  需要烧写的程序代码
  CRC16校验  CRC16校验码，先传低8位，再传高8位
  终止码  3.5周期
                       表格1
MODBUS协议实现一对任意或者一对多的原理如下：
主设备就在总线上发出所定义格式的每一帧数据，然后每一个从设备都会接收每一帧的数据，从设备通过判断设备地址来判断主设备是否是想要向自己传输数据，如果每一帧数据上的设备地址与自身的设备地址相对应，则执行所对应功能码的操作内容，否则不做任何操作。所以，从设备只要在每次发送前改变需要升级的设备所对应的设备地址再发送到总线上，那么就可以实现一对任意一个地址的数据传输。同样的，通过专用的广播设备地址0作为设备地址，就能过实现同时一对多的数据传输。
MODBUS协议的通讯过程如下：
主设备向从设备发送在线升级所需要的代码信息，包括从设备地址、程序烧写首地址、程序代码，并且在发送前首先计算整帧数据的CRC-16校验码，再统一打包成一帧数据再发向从设备。主设备发送一帧数据之后需要等待接收从设备返回的确认信息以确保整一帧数据已经完整传输完毕，但如果从设备没有返回确认信息，则主设备需要再向从设备重新发送整帧的数据，再重新确认返回信息。如果重复3遍之后还没有完成整帧数据的完整传输，则主设备显示连接超时。
而从设备接收到整帧数据之后同样计算整帧数据的CRC-16校验码，再与接收回来的CRC-16校验码相比较，如果验证码相匹配则进行下一步的处理，如果不匹配不做任何反应，等待主设备重新发送。
以下是数据传输完毕之后实现软件升级的内容：
通过MODBUS实现了数据代码的稳定传输之后，从设备得到了软件在线升级所需要的信息后，就根据信息的要求，根据信息里面代码需要烧写的首地址，把信息里所要烧写到FLASH里程序代码烧写到相应的位置。值得注意的是，把代码烧写到FLASH里面的速度是远大于串口传输速度的，所以在进行烧写代码的时候是接收到稳定的一帧信息段的时候，马上把代码烧写到适合的位置再准备接受下一帧信息段。最后通过汇编指令把程序计数器重新指向前面所烧写的用户应用程序的开始地址，使软件重新执行新的用户应用程序，从而就实现了整一个远程软件升级。软件结构如图4(其中ModbusSendModule，HostMachine，UpgradeDateReady为主设备中程序的类，CleanSendBuffer()，StartUpgrade()，ConvertAsciiToHex()等为类中的函数；ModBusReceiveModule，SlaveMachine，Bootloader为从设备中程序的类，Crc 16calculate()，GointoApplicationOrUpgrade()，EraseFlash()等为类中的函数。)：
除了可以使用MODBUS协议外，对其它标准协议，如是无线的GPRS或有线的ModBUS，ProfiBUS，工业以太网TCP/IP等，本升级方法的升级集成过程相类似。

Claims (6)

1.一种新型的远程软件升级方法，其包括三个阶段：第一阶段为启动、运行及检测阶段，第二阶段为升级程序传输阶段，第三阶段为执行应用程序阶段；其特征在于，所述第二阶段包括：
①主机软件升级服务端，分割需要下载的升级程序段为一个或数个短的待传输通讯数据片段，通过UART串口异步通信模块，经由通讯接口将打包成标准通讯协议的数据帧发送至从机软件升级客户端；
②在从机软件升级客户端，利用标准通讯协议规则对接收到的数据帧进行CRC、奇偶校验等检测，判断该升级数据包是否受到损坏；
③主机软件升级服务端检测从机软件升级客户端的应答信号。
2.根据权利要求1所述的远程软件升级方法，其特征在于，所述的阶段一包括：
①主机软件升级服务端启动，检测是否需要升级，如果需要升级则，对于远程触发升级方式的从机软件升级客户端，通过UART串口通信模块接口向从机发送升级请求，等待从机客户端升级准备就绪信号；主机软件升级服务端启动，检测是否需要升级，如果需要升级则：对于远程触发升级方式的从机软件升级客户端，通过UART通信模块接口向从机发送升级请求，等待从机客户端升级准备就绪信号；对于本地触发升级方式的从机软件升级客户端，直接等待从机客户端升级准备就绪信号；
②从机软件升级客户端启动，其嵌入式系统里面的FLASH区分为两个区域，分别是程序引导区与用户应用程序区，而系统每次上电启动之后首先进入程序引导区，根据程序引导区里面的程序检测应用程序区是否已包含应用程序，通讯串口是否送来的Bootloader触发信号、或本地Bootloader触发信号是否触发升级标志来判断是否需要进行在线升级：a.如果收到Bootloader触发信号表明需要进行在线升级，则是先把整个用户应用程序区上的代码擦除，接着使设备进入等待状态，回复Bootloader准备完毕信息，等待主设备发送过来所需要升级的数据代码；b.如果不需升级就直接进入用户应用程序区，执行一般的应用程序；在此后若主机软件升级服务端发来升级指令，则由应用程序设置升级标志，然后通过外部触发RST复位使从机软件升级客户端重新启动进入Bootloader或直接由应用程序区跳转到Bootloader区执行引导程序，引导程序重新判断是否需要升级，此后Bootloader执行操作与a相同。
3.根据权利要求1所述的远程软件升级方法，其特征在于：所述的阶段三包括：升级程序全部通讯传输完毕后，主机软件升级服务端发送完成指令并回到正常应用操作；从机软件升级客户端证实软件升级完成后，清除掉升级标志，然后跳转回Bootloader区，或利用外部RST信号对自身进行复位操作后进入Bootloader区，然后通过引导区Bootloader进入应用程序区，执行升级后的应用程序。
4.根据权利要求1-3任一项所述的远程软件升级方法，其特征在于：所述的从机软件升级客户端中，升级嵌入式引导区集成了支持标准通用协议的通讯管理模块，从机软件升级客户端支持通过远程触发方式进入升级准备状态。
5.根据权利要求1-3任一项所述的远程软件升级方法，其特征在于：所述的主机软件升级服务端中，将待下载的升级程序段当成数据段分割成一个或数个较小的数据片段，集成至标准通讯协议内，当作数据传送至目标从机软件升级客户端，对标准协议类型可使用无线的GPRS，或使用有线的ModBUS，ProfiBUS，工业以太网TCP/IP。
6.根据权利要求1-3任一项所述的远程软件升级方法，其特征在于：所述的客户服务端中，嵌入式引导区对应用软件升级的物理接口使用常规通讯物理接口，该通讯物理接口是有线的或无线的。
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