CN111142907A - 离线关键词识别系统分区升级方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离线关键词识别系统分区升级方法，通过将NOR FLASH划分为BootLoader代码区、分区表存储区、应用程序区、前端算法区、关键词模型区、播报文件区、数据备份区的设计，解决了传统固件升级小部分程序时需要擦除整个NOR FLASH和升级失败不可恢复的问题；达到了减短系统升级时间，升级异常可恢复，提高统升级可靠性的目的。

Description

离线关键词识别系统分区升级方法
技术领域
本发明涉及单片微型计算机(MCU)的升级技术，具体涉及一种离线关 键词识别系统分区升级方法。
背景技术
关键词识别技术从20世纪70年代开始发展，迄今为止，在理论研究上 已经比较成熟，但是在应用上受芯片性能、制造成本、市场需求等因素的影 响，长期以来没能得到广泛的应用。
随着微型计算机技术(MCU)的快速发展，芯片集成度和性能的提高，这 些不利因素逐渐得到缓解，极大的促进了关键词识别产品的发展。在离线关 键词识别系统中，一般不需要连接语音识别服务器，而是在本地进行声音采 集、前端处理、关键词匹配。这类系统通常可以识别几十到几百个关键词。
离线关键词识别系统在实际应用中，一般需要根据应用场景的变化或者 客户的需求，需要不断的对原有的系统进行升级优化。所以在实际产品中通 常会预留一些升级接口如：串口、网口、USB、WiFi等接口，用户可以通过 升级接口对系统固件进行更新升级。升级就是将新的固件写入到嵌入式设备 的非易失性存储器，替代以前的有缺陷或者功能不完善的固件。因此，离线 关键词识别系统在升级固件时一定要快速方便，安全可靠。
现有的微型计算机(MCU)系统固件升级一般采用的是全块区升级方式， 既一次性擦除整个非易失性存储器，然后再将新固件一次性写入到该非易失 性存储器。该方法应用在系统相对简单，固件结构相对单一的场景里具有实 现比较简单，升级程序实现简单的优点，但是随着微型计算机在日常生活中 应用的越来越广泛，应用场景变的越来越复杂，尤其是在离线关键词系统的 应用的场景，系统固件已不只是程序逻辑代码，还包含音频算法代码、关键 词模型数据、播报音频数据等，由于这些数据的存在，使得整个系统固件也 变得越来越大，如果依然使用全块区升级的方式将会导致升级时间过长，远 程升级时占用大量带宽，增加升级成本等问题。并且在实际系统升级过程中 有很多不可控的外界干扰，比如升级过程中设备突然断电，数据通信失败、 固件数据传输出错等情况，导致系统升级失败，设备无法正常启动。还有些 升级场景可能只需要升级整个固件的一部分，如果因为这一小部分的更新而 擦除整个非易失性存储器，这也将导致非易失性存储器的使用寿命降低。
发明内容
本发明的目的在于一种离线关键词识别系统分区升级方法，以解决现有 技术存在的缺陷，本发明能够缩短系统升级时间，提高存储设备使用寿命， 增加了系统升级可靠性，同时也减小了远程升级的通信数据带宽。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
离线关键词识别系统分区升级方法，所述离线关键词识别系统为有实时 操作系统但没有文件系统，且具备离线关键词识别功能的单片机系统；所述 离线关键词识别系统包括功能模块和NOR FLASH存储模块，所述功能模块 包括拾音模块、前端算法模块、关键词识别模块、MCU主控模块、语音播 报模块、升级调试模块，且功能模块在NOR FLASH存储模块中通过分区表 文件将外置NOR FLASH划分为BootLoader代码区、分区表存储区、升级代 码区、应用程序区、前端算法区、关键词模型区、播报文件区和数据备份区；
所述分区升级方法具体包括以下步骤：
(1)系统上电后执行的第一段程序是BootLoader代码区里的BootLoader 代码，BootLoader代码将升级代码区中的升级交互相关代码加载到内存中并 执行升级程序；
(2)升级程序的工作流程如下：
情况1：检查有无固件升级请求，如果有固件升级请求，首先对比新固 件的分区表和分区表存储区中的分区表，确定哪些分区需要升级，然后选择 一个分区，选择分区的优先级是根据分区表的先后顺序进行，根据新固件分 区表文件中的分区信息擦除原有固件，然后将新的分区固件从分区起始地址 写入该分区，第一个分区固件升级完成后，检查是否还有其它未升级分区， 如果有就重复上述过程，直到所有分区都升级完成，此时，升级程序设置此 次升级状态为成功，然后将此次升级的分区同步更新至对应的备份区，最后 加载应用程序至内存并正式运行应用程序；
情况2：检查有无固件升级请求，如果设定时间内未收到固件升级请求， 升级程序接着检查上次固件升级是否成功，如果上次升级成功，升级程序将 加载应用程序到内存并正式运行应用程序；
情况3：检查有无固件升级请求，如果设定时间内未收到固件升级请求， 升级程序接着检查上次固件升级是否成功，如果上次升级失败，升级程序将 会从备份分区加载应用程序，应用程序执行后首先将备份分区的数据还原到 原分区中，并设置上次升级状态为成功标志，然后重启系统，系统按照情况 2启动并执行应用程序；
(3)当升级程序在对某个NORFLASH分区进行升级时，由于外部因素 导致升级失败，升级程序则直接结束，下一次上电时，系统按照情况3启动。
进一步地，分区表文件用于记录分区的详细信息，包括：分区起始地址、 分区大小和各分区存储的代码或数据版本号、各分区在备份分区的起始地址、 备份分区的大小和备份分区中存储的代码或数据版本号；
其中，分区起始地址和分区大小用于在分区升级时定位分区擦除和写入 的分区的起始地址和分区所占实际FLASH的大小；
各分区存储的代码或数据版本号用于在升级程序收到升级请求时确定需 要升级的分区和不需要升级的分区；
各分区在备份分区起始地址和备份分区大小用于在升级失败或者升级异 常结束时，帮助升级程序查找备份固件内容的起始地址和分区大小；
备份分区中存储的代码或数据版本号用于在升级程序完成正常固件升级 后，对备份分区进行更新时，确定需要升级的备份分区和不需要升级的备份 分区。
进一步地，所述代码区中的启动代码BootLoader是系统上电后执行的第 一段代码，用于初始化硬件、并将升级代码区中的代码加载进内存并跳转执 行升级代码。
进一步地，所述分区表存储区用于存储每个分区的分区信息，升级代码 能够通过对比系统分区表和新固件分区表找到需要升级的分区，并对该分区 进行升级。
进一步地，所述升级代码区存储有分区升级交互相关的代码。
进一步地，所述应用程序区用于存储离线关键词识别系统的应用程序。
进一步地，所述前端算法区用于存储前端语音信号处理的语音增强相关 算法代码。
进一步地，所述关键词模型区用于存储在语音识别服务器中训练的关键 词模型。
进一步地，所述播报文件区用于存储整个系统的语音播报数据。
进一步地，所述数据备份区用于存储应用程序区、前端算法区、关键词 模型区及播报文件区的备份数据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的这种离线关键词识别系统分区升级方法，通过将NOR FLASH划分为BootLoader代码区、分区表存储区、应用程序区、前端算法 区、关键词模型区、播报文件区、数据备份区的设计，解决了传统固件升级 小部分程序时需要擦除整个NOR FLASH和升级失败不可恢复的问题；达到 了减短系统升级时间，升级异常可恢复，提高统升级可靠性的目的；同时， 还有效减少了NOR FLASH的擦除次数，进而间接的提高了NOR FLASH的 使用寿命；因此离线关键词分区升级方法，相对于传统升级方法，具有升级 时间短，升级方式灵活，升级可靠性高，异常升级可恢复的优点。
附图说明
图1为离线关键词识别系统框图；
图2为NOR FLASH分区图；
图3为本发明的系统分区升级流程图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述：
本发明主要面向的应用对象是有实时操作系统但没有文件系统，具备离 线关键词识别功能的单片机系统。
本发明提出一种离线关键词识别系统分区升级方法，本发明涉及到的离 线关键词识别系统框图如图1所示，该系统主要由拾音模块、前端算法模块、 关键词识别模块、MCU主控模块、语音播报模块、升级调试模块等功能模 块组成，这些功能模块在NOR FLASH存储模块中主要是通过一张存储器分 区表(即分区表文件)，将外置NOR FLASH划分为BootLoader代码区、分 区表存储区、升级代码区、应用程序区、前端算法区、关键词模型区、播报 文件区和数据备份区。
其中BootLoader代码区中的启动(boot)代码是系统上电后执行的第一 段代码，启动代码的功能主要是：初始化硬件，将升级代码区中的代码加载 进内存并跳转执行升级代码。
分区表存储区：存储的是每个分区的分区信息，升级代码可以通过分区 表找到对应分区，并对该分区进行升级。
升级代码区：存储的是分区升级交互相关的代码，主要功能是：1.检测 处理分区升级请求；2.跳转执行应用程序；3.异常处理；如果检测到分区升级 请求，程序首先根据请求信息获取分区版本号确定需要升级的分区，其次程 序从分区表中获取该分区的起始地和大小然后擦除该区域原有固件，最后设 备通过固件升级接口，如串口、网口、USB，WIFI等，接收最新的升级固件 文件并将该文件写入该分区。
应用程序区：存储的是整个离线关键词识别系统的应用层代码，应用程 序主要功能是：采集音频信号，进行前端信号的语音增强处理，将增强后的 语音信号送入到语音识别算法进行关键词模型的匹配，然后根据匹配结果找 到对应的播报文件，播报语音，或者根据实际需求将匹配结果通过其他接口 输出，如串口，SPI、GPIO等。
前端算法区：存储的是前端语音信号处理的语音增强相关算法代码，如 声源定向(DOA)、波束形成(Beamforming)、回声对消(Acoustic Echo Cancellation)、语音降噪(Noise Reduction)、去混响(Dereverberation)等， 实现对背景噪声、回声、混响、干扰等进行有效抑制，从采集的带噪音频信 号中提取出干净的期望语音信号。前端算法区的代码可根据实际应用场景的 需求，进行算法的顺序调整与组合，增加或减少，算法方案调整，性能优化 等升级工作。
关键词模型区：存储的是在语音识别服器中训练的关键词模型，这些关 键词模型可根据实际需求定制更新。
播报文件区：存储的是整个系统的语音播报数据，为了提高用户体验该 区域的播报文件也可进行定制更新。
数据备份区：该区域存储的是应用程序区、前端算法区、关键词模型区、 播报文件区的备份数据，该区域是为了解决分区升级失败后导致整个系统无 法正常启动的问题。如果某个分区在升级过程中被异常打断(异常情况包括： 突然断电，程序异常，数据传输错误等)，导致升级失败，系统再次上电后将 从备份区读取数据启动系统并将备份分区内容还原至原分区，保证了升级失 败后系统依然能正常启动运行。
NOR FLASH分区结构如图2所示，图2中的NOR FLASH分区是由分 区表来进行定义，分区表存储区的大小定义为4KB，该区主要用来存储分区 表文件，分区表文件的内容如表1所示：分区表文件中记录了分区的详细信 息，包括：分区起始地址、分区大小和该分区存储的代码或数据版本号，还 有该分区在备份分区的起始地址、备份分区的大小和备份分区中存储的代码 或数据版本号。
分区表中的“分区起始地址”和“分区大小”主要是在分区升级时定位 分区擦除和写入的分区的起始地址和分区所占实际FLASH的大小。
分区表中的“分区版本号”主要是在升级程序收到升级请求时用来确定 哪些分区需要升级，哪些分区不需要升级。
分区表中的“备份分区起始地址”和“备份分区大小”主要是在升级失 败或者升级异常结束时，帮助升级程序查找备份固件内容的起始地址和分区 大小。
分区表中的“备份分区版本号”主要是在升级程序完成正常固件升级后， 对备份分区进行更新时，确定哪些备份分区需要升级，哪些备份分区不需要 升级。
表1NOR FLASH分区表
分区信息 数值
BootLoader代码区起始地址 0x00000000
BootLoader代码区大小 64KB
分区表版本号
分区表存储区起始地址 0x00010000
分区表存储区大小 4KB
应用程序版本号 XX
应用程序区起始地址 0xXXXXXXXX
应用程序区大小 XX KB
应用程序备份版本号 XX
应用程序备份区起始地址 0xXXXXXXXX
应用程序备份区大小 XX KB
前端算法版本号 XX
前端算法区起始地址 0xXXXXXXXX
前端算法区大小 XX KB
前端算法备份版本号 XX
前端算法备份区起始地址 0xXXXXXXXX
前端算法备份区大小 XX KB
关键词模型版本号 XX
关键词模型区起始地址 0xXXXXXXXX
关键词模型区大小 XX KB
关键词模型备份版本号 XX
关键词模型备份区起始地址 0xXXXXXXXX
关键词模型备份区大小 XX KB
播报文件版本号 XX
播报文件区起始地址 0xXXXXXXXX
播报文件区大小 XX KB
播报文件备份版本号 XX
播报文件备份区起始地址 0xXXXXXXXX
播报文件备份区大小 XX KB
在NOR FLASH中BootLoader代码区和分区表存储区的起始地址和分区 大小都是固定不变的。BootLoader代码区大小固定为64KB，起始地址为 0x00000000，分区表存储区紧跟在BootLoader代码区后面大小固定为4KB， 起始地址为0x00010000。其它分区的信息以分区表文件中定义为准，这样程 序就能通过读取分区表文件来获取整NOR FLASH的分区表信息。其中 BootLoader分区的BootLoaderd代码需要通过J-link或JTAG调试接口提前烧入NOR FLASH中，并且该区域仅能通过J-link或JTAG接口更新升级。
在NOR FLASH的备份分区中包含了应用程序区、前端算法区、关键词 模型区、播报文件区的备份数据，这些备份数据的格式在分区表文件的各分 区的备份分区格式中有明确定义。
本发明能够缩短系统升级时间，提高存储设备使用寿命，增加了系统升 级可靠性，同时也减小了远程升级的通信数据带宽。具体的分区升级流程如 图3所示，具体如下：
(1)第一步：系统上电后执行的第一段程序是BootLoader分区里的 BootLoader代码，BootLoader代码的工能主要将升级代码区中的升级交互相 关代码加载到内存中并执行升级程序。
(2)第二步：升级程序的工作流程：
情况1：检查有无固件升级请求，如果有固件升级请求，首先需要对比 将新固件的分区表和分区表存储区中的分区表，确定哪些分区需要升级，然 后先选中一个分区(选择分区的优先级是根据分区表的先后顺序进行)，根据 新固件分区表文件中的分区信息擦除原有固件，然后将新的分区固件从分区 起始地址写入该分区，第一个分区固件升级完成后，需要检查是否还有其他 未升级分区，如果有就重复上述情况1，直到所有分区都升级完成，升级程 序会设置此次升级状态为成功，然后将此次升级的分区同步更新至对应的备份区，最后加载应用程序至内存并正式运行应用程序；
情况2：检查有无固件升级请求，如果一段时间内未收到固件升级请求， 升级程序接着检查上次固件升级是否成功，如果上次升级成功，升级程序将 加载应用程序到内存并正式运行应用程序；
情况3：检查有无固件升级请求，如果一段时间内未收到固件升级请求， 升级程序接着检查上次固件升级是否成功，如果上次升级失败，升级程序将 会从备份分区加载应用程序，应用程序执行后首先将备份分区的数据还原到 原分区中，并设置上次升级状态为成功标志，然后重启系统，系统将从情况 2启动并执行应用程序。
(3)当升级程序在对某个NORFLASH分区进行升级时，由于一些外部 因素如：系统突然断电，数据通信失败、固件数据传输出错等情况，导致升 级失败，程序将直接结束，下一次上电时，系统按照情况3启动。
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
在离线关键词识别系统还处于开发调试阶段时，开发人员需要对应用程 序代码进行频繁的修改和调试，但是对关键词模型和播报文件无需修改，所 以通过分区升级的方式就能实现调试时只针对应用程序区进行升级更新，然 后测试应用程式实际效果。
离线关键词识别系统在实际应用中，一般需要根据应用场景的变化或者 客户的需求，需要不断的对原有的系统进行升级优化。所以在实际产品中通 常会预留一些升级接口如：串口、网口、USB、WiFi等接口，系统可以通过 升级接口对固件进行更新升级。比如根据用户使用场景的不用同，可以通过 优化语音前端处理算法，来提高关键词的识别率。这样系统更新时，只需请 求前端算法分区的升级更新，无需擦除其他分区固件，就能完成产品性能的 优化。这样既减少了NOR FLASH的擦除次数，又缩短的升级时间。还有一 些需要多设备同时远程升级的使用场景，这种情况下固件的大小就决定了远 程升级通信链路的带宽，如果使用全块区升级的话这将大大提高搭建通信链 路的成本，采用分区升级的方式则可以有效降低数据链路中的数据量，节约 成本。
本发明提供的这种离线关键词识别系统分区升级方法，不但可以有效提 高开发人员的开发效率，而且还能在远程升级过程中降低升级成本，而且也 间接的延长了NORFLASH的使用寿命。

Claims (10)

1.离线关键词识别系统分区升级方法，其特征在于，所述离线关键词识别系统为有实时操作系统但没有文件系统，且具备离线关键词识别功能的单片机系统；所述离线关键词识别系统包括功能模块和NOR FLASH存储模块，所述功能模块包括拾音模块、前端算法模块、关键词识别模块、MCU主控模块、语音播报模块、升级调试模块，且功能模块在NOR FLASH存储模块中通过分区表文件将外置NOR FLASH划分为BootLoader代码区、分区表存储区、升级代码区、应用程序区、前端算法区、关键词模型区、播报文件区和数据备份区；
所述分区升级方法具体包括以下步骤：
(1)系统上电后执行的第一段程序是BootLoader代码区里的BootLoader代码，BootLoader代码将升级代码区中的升级交互相关代码加载到内存中并执行升级程序；
(2)升级程序的工作流程如下：
情况1：检查有无固件升级请求，如果有固件升级请求，首先对比新固件的分区表和分区表存储区中的分区表，确定哪些分区需要升级，然后选择一个分区，选择分区的优先级是根据分区表的先后顺序进行，根据新固件分区表文件中的分区信息擦除原有固件，然后将新的分区固件从分区起始地址写入该分区，第一个分区固件升级完成后，检查是否还有其它未升级分区，如果有就重复上述过程，直到所有分区都升级完成，此时，升级程序设置此次升级状态为成功，然后将此次升级的分区同步更新至对应的备份区，最后加载应用程序至内存并正式运行应用程序；
情况2：检查有无固件升级请求，如果设定时间内未收到固件升级请求，升级程序接着检查上次固件升级是否成功，如果上次升级成功，升级程序将加载应用程序到内存并正式运行应用程序；
情况3：检查有无固件升级请求，如果设定时间内未收到固件升级请求，升级程序接着检查上次固件升级是否成功，如果上次升级失败，升级程序将会从备份分区加载应用程序，应用程序执行后首先将备份分区的数据还原到原分区中，并设置上次升级状态为成功标志，然后重启系统，系统按照情况2启动并执行应用程序；
(3)当升级程序在对某个NORFLASH分区进行升级时，由于外部因素导致升级失败，升级程序则直接结束，下一次上电时，系统按照情况3启动。
2.根据权利要求1所述的离线关键词识别系统分区升级方法，其特征在于，分区表文件用于记录分区的详细信息，包括：分区起始地址、分区大小和各分区存储的代码或数据版本号、各分区在备份分区的起始地址、备份分区的大小和备份分区中存储的代码或数据版本号；
其中，分区起始地址和分区大小用于在分区升级时定位分区擦除和写入的分区的起始地址和分区所占实际FLASH的大小；
各分区存储的代码或数据版本号用于在升级程序收到升级请求时确定需要升级的分区和不需要升级的分区；
各分区在备份分区起始地址和备份分区大小用于在升级失败或者升级异常结束时，帮助升级程序查找备份固件内容的起始地址和分区大小；
备份分区中存储的代码或数据版本号用于在升级程序完成正常固件升级后，对备份分区进行更新时，确定需要升级的备份分区和不需要升级的备份分区。
3.根据权利要求1所述的离线关键词识别系统分区升级方法，其特征在于，所述代码区中的启动代码BootLoader是系统上电后执行的第一段代码，用于初始化硬件、并将升级代码区中的代码加载进内存并跳转执行升级代码。
4.根据权利要求1所述的离线关键词识别系统分区升级方法，其特征在于，所述分区表存储区用于存储每个分区的分区信息，升级代码能够通过对比系统分区表和新固件分区表找到需要升级的分区，并对该分区进行升级。
5.根据权利要求1所述的离线关键词识别系统分区升级方法，其特征在于，所述升级代码区存储有分区升级交互相关的代码。
6.根据权利要求1所述的离线关键词识别系统分区升级方法，其特征在于，所述应用程序区用于存储离线关键词识别系统的应用程序。
7.根据权利要求1所述的离线关键词识别系统分区升级方法，其特征在于，所述前端算法区用于存储前端语音信号处理的语音增强相关算法代码。
8.根据权利要求1所述的离线关键词识别系统分区升级方法，其特征在于，所述关键词模型区用于存储在语音识别服务器中训练的关键词模型。
9.根据权利要求1所述的离线关键词识别系统分区升级方法，其特征在于，所述播报文件区用于存储整个系统的语音播报数据。
10.根据权利要求1所述的离线关键词识别系统分区升级方法，其特征在于，所述数据备份区用于存储应用程序区、前端算法区、关键词模型区及播报文件区的备份数据。
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