CN104484289B - 一种基于扇区的嵌入式系统写保护的装置以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扇区的嵌入式系统写保护的装置以及方法，通过嵌入式写保护的装置中的第一串行外围存储设备，第二串行外围存储设备，以及第二串行外围存储设备中第一存储单元，第二存储单元，将文件系统引导程序，内核镜像和最小文件系统与文件系统分开单独保护，从而降低了相互间的耦合作用，并且对文件系统升级时采用了多重冗余备份。本发明提高了系统的安全稳定性能。

Description

一种基于扇区的嵌入式系统写保护的装置以及方法

技术领域

本发明涉及ARM(Advanced RISC Machines，高级精简指令集处理器)的嵌入式系统领域，具体指确保嵌入式文件系统安全的装置以及方法。

背景技术

嵌入式系统至今已经有30多年的历史了，嵌入式技术也经历了几个发展阶段。进入90年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛的发展，不仅广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱乐等各个领域，兴起了一场数字化技术革命。多媒体技术与互联网应用的迅速普及，消费电子、计算机、通信技术一体化趋势明显，嵌入式技术再度成为研究的热点。

ARM处理器是一种32位的精简指令集处理器。在众多同种类型的处理器中，ARM系列已经成为了当今应用最广泛的嵌入式芯片。在芯片的特点上，ARM处理器核耗电少，成本低，功能强，还特有16/32位双指令集，这使得ARM成为了移动通信，手持计算，多媒体数字消费，工业控制等嵌入式解决方案的精简指令集标准。基于ARM技术的微处理器应用大约占据了32位精简指令集微处理器75％以上的市场份额。除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。

我国信息化与全面小康社会建设对嵌入式系统市场提出巨大需求，信息家电产品年需求量达几亿台，每一类数字化家电产品都有千万台市场需求量，工业控制用嵌入式系统有百十万台套需求量，商用嵌入式系统需求量几百万台。到2006年我国嵌入式计算机将创造千亿元的效益，嵌入式计算机是信息产业新的经济增长点，国内外的市场需求为我国嵌入式系统产业提供了大有作为的广阔天地。到目前为止，ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：

1、工业控制领域：作为32的精简指令集架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微型控制器提出了挑战。

2、无线通讯领域：目前已有超过85％的无线通讯设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。

3、网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM技术的非对称数字芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对数字信号处理的应用领域提出了挑战。

4、消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。

5、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。

除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。目前，ARM是中国最受欢迎的微处理器架构。因此，嵌入式系统的安全性具有重要的意义。

对嵌入式系统来说，安全防护措施涉及到一个最基本的概念——物理安全性。也就是说，如果像对待珍贵物品那样将系统“锁”起来，那么遭到破坏，丢失信息的风险将大大减少。这意味着需要将嵌入式系统及其它关键任务系统放在上锁的房间内或安全的箱子中。这种方法适用于那些可以将系统“包装”起来的应用。在实际运行环境下嵌入式系统往往可能会由于各种原因系统会遭到篡改和破坏，如由于硬件故障(写的时候错误)，逻辑写错误(写到一半断电，发生剧烈的干扰，如震动)造成的系统损坏后再无法启动。特别是对于在正在进行文件操作特别是写操作的时候发生掉电或者干扰(包括电器干扰和振动干扰等)情况下，无法保证文件系统的完整性，可能会导致存储介质的文件系统损坏。

现有技术中，在专利号为201310468803.5的专利中有提到对U盘系统的写保护功能。当前，对于大多数嵌入系统来讲，只是简单的进行全部扇区写保护，这种方法耦合性较高，一旦系统的底层区域遭到破坏，会导致严重的后果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于扇区的嵌入式系统写保护方法，本方法改进嵌入式系统的保护方式，本方法将文件系统引导程序，内核镜像和最小文件系统与文件系统分开单独保护，从而降低了相互间的耦合作用，并且对文件系统采用了多重冗余备份，提高了系统的安全稳定性能。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于扇区的嵌入式系统写保护的装置以及方法，所述嵌入式系统写保护的装置包括：两个可以读写的串行外围存储设备，数据烧写模块，写保护设置模块以及软件应用层模块，其中设定存储容量为16MByte串行外围存储设备为第一串行外围存储设备，设定存储容量为32MByte串行外围存储设备为第二串行外围存储设备。所述一种基于扇区的嵌入式系统写保护方法，执行时需提供一种嵌入式系统写保护的装置，其中以下步骤：

步骤1：采用两片串行外围存储设备，分别为第一串行外围存储设备和第二串行外围存储设备，其中两片串行外围存储设备均可读写；

步骤2：数据烧写模块根据位置信息，将数据信息烧录到第一串行外围存储设备，其中烧录信息包括文件系统引导程序，内核镜像和最小文件系统，在此期间第二串行外围存储设备通过写保护设置模块加锁并且使其始终处于写保护状态；

步骤3：待烧录完成后，将使得所述第一串行外围存储设备处于写保护状态；

步骤4：所述数据烧写模块再次根据位置信息，将文件系统镜像分别烧录到第二串行外围存储设备的不同两个存储单元，将其中的一个存储单元中文件系统作为工作区并且设置为第一存储单元，另一个所述存储单元中文件系统作为冗余备份及升级区并且设置为第二存储单元，烧录完成后通过写保护设置模块使两个所述存储单元处于写保护状态；

在上述步骤中，存储容量为32MByte第二串行外围存储设备中的参数和日志单元，其存储容量为2MByte用于存储参数和日志文件，该区域始终处于不受保护的状态以实现参数和日志信息的实时录入。

当作为工作区的文件系统受到损坏时，将启动作为冗余备份及升级的文件系统，确保整个嵌入式系统安全平稳地运行；当作为工作区的文件系统和冗余备份以升级的文件系统同时受到损坏，即第一存储单元和第二存储单元中的数据同时遭到破坏，则启动存储容量为16MByte第一串行外围存储设备上的最小文件系统用于恢复系统。

嵌入式系统写保护的装置升级的步骤为：

步骤7：当新文件系统版本升级时，对所述第二存储单元解除写保护，并通过数据烧录模块将新版本文件系统烧录到第二存储单元，待新版本文件系统烧录完成后再将第二存储单元加锁使其处于写保护状态，此时新版本文件系统所在的所述第二存储单元将作为工作区，所述第一存储单元文件系统转为冗余备份及升级区。

步骤8：当再次有新文件系统升级时，所述第一存储单元和所述第二存储单元交替成为工作区域和冗余备份及升级区，在升级中确保其中一个所述存储单元处于写保护状态。

另外，本发明中所述软件应用层模块通过嵌入式设备的输入输出控制指令对第一串行外围存储设备，第二串行外围存储设备，第一存储单元，第二存储单元进行写保护/解除写保护控制；驱动控制程序是以动态加载的方式加载到第一串行外围存储设备以及第二串行外围存储设备内核中，通过该控制程序控制写保护设置模块对第一串行外围存储设备，第二串行外围存储设备，第一存储单元，第二存储单元实现写保护的功能。

本发明优势是对第一串行外围存储设备始终处于写保护状态，这种静态保护机制目的是能够保证嵌入式系统的正常运行的；对第二串行外围存储设备根据实际运用需要进行局部的进行写保护/解除写保护控制，这种动态保护机制目的是通过选择性的对串行外围存储设备扇区进行写保护/解除写保护控制，实现既保证嵌入式系统装置的安全性，又保证满足实际的应用的需要。

附图说明

图1为嵌入系统正常工作流程图

图2为嵌入系统异常工作流程图

图3(1)为嵌入系统升级工作流程图

图3(2)为嵌入系统升级完成后正常工作流程图

图4命令层级流程图

其中，1—第一串行外围存储设备、2—第二串行外围存储设备。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示嵌入系统正常工作流程图，嵌入式系统写保护的装置包括两个可以读写的串行外围存储设备1，2，其中数据烧写模块，写保护设置模块以及软件应用层模块在图中未显示，当嵌入系统正常工作前，数据烧写模块根据位置信息，将数据烧录到存储容量为16MByte第一串行外围存储设备中，其中烧录信息文件包括：系统引导程序，内核镜像和最小文件系统，分别形成系统引导程序单元，内核镜像单元和最小文件系统单元，在此期间将存储容量为32MByte第二串行外围存储设备通过写保护设置模块加锁并且使其始终处于写保护状态；烧录完成后，嵌入系统正常工作时，数据烧写模块再次根据位置信息，将文件系统镜像分别烧录到第二串行外围存储设备中的不同两个存储单元，两个存储单元的存储容量为均15MByte，将其中的一个存储单元中文件系统作为工作区并且设置为第一存储单元，另一个存储单元中文件系统作为冗余备份及升级区并且设置为第二存储单元，烧录完成后使两个存储单位处于写保护状态，开始系统工作；

如图2所示嵌入系统异常工作流程图，包括两个可以读写的串行外围存储设备1，2，当嵌入系统异常工作时，此时作为工作区的文件系统受到损坏，将启动作为冗余备份以升级的文件系统，确保整个嵌入式系统安全平稳的运行；如果当作为工作区的文件系统和冗余备份以升级的文件系统同时受到损坏，即第一存储单元和第二存储单元中的数据同时遭到破坏，则启动存储容量为第一串行外围存储设备上的最小文件系统用于恢复系统。

如图3(1)为嵌入系统升级工作流程图，包括两个可以读写的串行外围存储设备1，2，当新文件系统版本升级时，对作为冗余备份及升级的第二存储单元解除写保护并烧录新版本的文件系统作为升级系统，待新版本的文件系统烧录完成后再将第二存储单元加锁使其处于写保护状态；

如图3(2)为嵌入系统升级完成后正常工作流程图，此时新版本文件系统所在的第二存储单元将作为工作区，第一存储单元文件系统转为冗余备份及升级区，开始正常的工作。

其中存储容量为第二串行外围存储设备中的中间剩余存储区容量2MByte设置为参数和日志单元，用于存储参数和日志文件，参数和日志单元始终处于不受保护的状态以实现参数和日志信息的实时录入。

当作为工作区的文件系统受到损坏时，将启动作为冗余备份以升级的文件系统，确保整个嵌入式系统安全平稳的运行；当作为工作区的文件系统和冗余备份以升级的文件系统同时受到损坏，即第一存储单元和第二存储单元中的数据同时遭到破坏，则启动第一串行外围存储设备上的最小文件系统用于恢复系统。

如图4为命令层级流程图流程图，在图中可知，本嵌入式系统分为三个命令层级，分别是应用层，驱动层，物理层，其中应用层和驱动层之间采用命令和响应的形式进行交互，驱动层和物理层之间采用命令和响应的形式进行交互。

上述技术方案中所述软件应用层模块通过嵌入式设备的输入输出控制指令对第一串行外围存储设备，第二串行外围存储设，第一存储单元，第二存储单元进行写保护/解除写保护控制；驱动控制程序是以动态加载的方式加载到串行外围存储设备内核中，通过控制程序控制写保护设置模块对串行外围存储设备中的扇区寄存器操作实现第一串行外围存储设备，第二串行外围存储设，第一存储单元，第二存储单元实现写保护的功能。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于扇区的嵌入式系统写保护的装置，其特征在于所述基于扇区的嵌入式系统写保护的装置包括：第一串行外围存储设备，第二串行外围存储设备，数据烧写模块，写保护设置模块以及软件应用层模块；其中第一串行外围存储设备包括：文件系统引导程序单元，内核镜像单元，最小文件系统单元；第二串行外围存储设备包括：第一存储单元，参数和日志单元，第二存储单元；

所述第一存储单元和所述第二存储单元用于当作为工作区的文件系统受到损坏时启动冗余备份及升级区；

所述第一存储单元和所述第二存储单元还用于在新文件系统升级时交替成为工作区域和冗余备份及升级区；

所述软件应用层模块用于通过嵌入式设备的输入输出控制指令对第一串行外围存储设备，第二串行外围存储设备，第一存储单元，第二存储单元进行写保护/解除写保护控制。

2.如权利要求1所述的基于扇区的嵌入式系统写保护的装置其特征在于：所述第一串行外围存储设备容量为16Mbyte，所述第二串行外围存储设备存储容量为32Mbyte。

3.如权利要求1所述的基于扇区的嵌入式系统写保护的装置其特征在于：所述第一存储单元存储容量为15Mbyte，所述第二存储单元存储容量为15Mbyte。

4.如权利要求1所述的基于扇区的嵌入式系统写保护的装置其特征在于：所述参数和日志单元存储容量为2Mbyte。

5.一种基于扇区的嵌入式系统写保护的方法，其特征在于：该方法需要提供可编程的嵌入式系统，所述嵌入式系统写保护的方法包括以下步骤：

步骤1：采用两片串行外围存储设备，分别为第一串行外围存储设备和第二串行外围存储设备，其中两片串行外围存储设备均可读写；

步骤2：数据烧写模块根据位置信息，将数据信息烧录到第一串行外围存储设备，其中烧录信息包括文件系统引导程序，内核镜像和最小文件系统，在此期间第二串行外围存储设备通过写保护设置模块加锁并且使其始终处于写保护状态；

步骤3：待烧录完成后，将使得所述第一串行外围存储设备处于写保护状态；

步骤4：所述数据烧写模块再次根据位置信息，将文件系统镜像分别烧录到第二串行外围存储设备的不同两个存储单元，将其中的一个存储单元中文件系统作为工作区并且设置为第一存储单元，另一个所属存储单元中文件系统作为冗余备份及升级区并且设置为第二存储单元，烧录完成后通过写保护设置模块使两个所述存储单元处于写保护状态；

步骤5：当所述第一存储单元中的文件系统受到损坏时，将启动所述第二存储单元中的文件系统用于恢复所述嵌入式系统；

步骤6：当所述第一存储单元和所述第二存储单元中的数据同时遭到破坏，则启动所述第一串行外围存储设备上所述最小文件系统用于恢复所述嵌入式系统。

6.如权利要求5所述的基于扇区的嵌入式系统写保护的方法其特征在于：还包括嵌入式系统升级的步骤：

步骤7：当新文件系统版本升级时，对所述第二存储单元解除写保护，并通过数据生成模块以及数据烧写模块将新版本文件系统烧录到第二存储单元，待所述新版本文件系统烧录完成后再将第二存储单元加锁使其处于写保护状态，此时新版本文件系统所在的所述第二存储单元将作为工作区，所述第一存储单元文件系统转为冗余备份及升级区；

步骤8：当再次有新文件系统升级时，所述第一存储单元和所述第二存储单元交替成为工作区和冗余备份及升级区，在升级中确保其中一个所述存储单元处于写保护状态。

7.如权利要求6所述的基于扇区的嵌入式系统写保护的方法其特征在于：在步骤1-8中，所述第二串行外围存储设备中的参数和日志单元用于存储参数和日志文件，所述参数和日志单元始终处于不受保护的状态以实现参数和日志信息的实时录入。

8.如权利要求5所述的基于扇区的嵌入式系统写保护的方法其特征在于：还包括，软件应用层模块通过嵌入式设备的输入输出控制指令对所述第一串行外围存储设备，所述第二串行外围存储设备，所述第一存储单元，所述第二存储单元进行加/解锁控制。

9.如权利要求5所述的基于扇区的嵌入式系统写保护的方法其特征在于：所述第一串行外围存储设备，所述第二串行外围存储设备，所述第一存储单元，所述第二存储单元实现写保护的功能是通过驱动控制程序控制写保护设置模块实现。

10.如权利要求9所述的基于扇区的嵌入式系统写保护的方法其特征在于：所述驱动控制程序是以动态加载的方式加载到所述第一串行外围存储设备以及所述第二串行外围存储设备内核中。