CN114860279B - 一种快速空片升级方法 - Google Patents

Abstract

一种空片升级烧录方法，包括：空片上电后，与上位机建立通信，检测上位机从UART串口发来的升级命令；同步升级命令成功后，继续接收上位机发来的第一内存初始化代码、USB升级程序放到内部静态存储器中，进行数据校验并判断数据是否接收完毕；执行第一内存初始化代码完成外置存储器的初始化，执行USB升级程序；从USB闪存中读取包含第二内存初始化代码、引导程序和应用程序的完整固件到外置存储器，对接收数据完整性进行判断；固件升级数据接收完整后，对升级数据进行校验，校验成功后烧写到非易失性存储器中，完成空片升级。USB升级程序远比升级固件数据小，加快升级速度和稳定性，芯片内部固化代码只需要考虑UART通信协议，不需要更大的rom空间。

Description

一种快速空片升级方法

技术领域

本发明涉及设备固件升级技术领域，尤其涉及一种对空片进行升级的方法。

背景技术

电子设备生产过程中，通常会对SoC(芯片))与MCU(微型处理器)进行空片升级，空片升级是是指非易失性存储器Norf l ash中还没有固件或者固件损坏的情况完成整个固件的烧写。空片升级的的主要应用场景如下：

(1)小量生产时，缺乏烧录器，直接通过空片升级程序到Nor F l ash。

(2)客户升级过程中断电，或者其他电气异常，器件异常情况下，设备Nor F l ash中的固件数据被破坏，设备因此不能再启动，无法通过应用程序的正常途径进行升级(USB升级，OTA升级等)。设备退换到代理商维修，工程师可以选择Nor F l ash焊取下来重新升级，但是操作麻烦成本更高，不如直接进行空片升级方便。

空片升级，指在SoC内部固化一段简单的通信协议代码，主要是UART协议或者USB通信协议，没有烧录器的情况下，直接执行SoC固化代码和上位机升级应用通信(如UART串口，通用串行总线USB)，接收上位机发送的升级程序,执行升级程序，升级程序和上位机通信，接收升级固件并烧写入非易失性存储器Nor F l ash中。对于大多数MCU或者低成本SOC芯片来说都会选择固化UART协议，因为固化USB通信协议需要更大的ROM空间，成本更高。

部分现有技术选择USB之类高速通信协议完成空片升级，但这就要求芯片内只读存储器代码RomCode支持USB高速通信协议，对RomCode大小要求更大，复杂度也更高。RomCode的特性在SoC芯片生产时就已经固化了，不可再更改。如果RomCode支持USB之类高速通信协议，其更高的复杂度会带来可靠性变差，一旦后期芯片生产后发现问题无法再修改。

因此，大多SoC主控芯片厂家还是采用低复杂度的低速通信协议(如通过UART串口)完成空片升级。随着技术和应用的发展，设备固件越来越大，通过UART串口进行空片升级，传送的固件数据时间变得很可观，并且由于UART的通信的不稳定性，容易造成数据错误，需要校验重传，更增加了升级时间。

发明内容

本发明设计了一种空片升级烧录方法，仅在芯片中固化UART协议，与上位机建立通信后，通过USB协议从闪存获取固件升级文件，同时解决提高固件升级效率及节约芯片空间和成本的问题。

一种空片升级烧录方法，包括如下步骤：

步骤101：空片上电后，将CPU的程序计数器指针值指向只读存储器代码，与上位机建立通信，检测上位机从UART串口发来的升级命令；

步骤102：同步升级命令成功后，继续接收上位机发来的第一内存初始化代码、USB升级程序放到内部静态存储器中，进行数据校验并判断数据是否接收完毕，如校验不通过则请求上位机重发，如接收数据不完整则继续接收；

步骤103：执行第一内存初始化代码完成外置存储器的初始化，执行USB升级程序；

步骤104：从USB闪存中读取包含第二内存初始化代码、引导程序和应用程序的完整固件到外置存储器，对接收数据完整性进行判断，如数据不完整则继续接收。

步骤105：固件升级数据接收完整后，对升级数据进行校验，校验成功后烧写到非易失性存储器中，完成空片升级，校验不成功则重新执行步骤103中的USB升级程序；所述第二内存初始化代码用于固件升级过程完毕后系统启动时内存的初始化。

进一步地，其中步骤101中设置检测时间阈值，未在限定时间内接收到升级命令则取消升级过程；步骤102中的所述内部静态存储器在正常启动后可以用于其他硬件模块，无需增加额外硬件成本。

为减少芯片内部缓存负担，提高系统运行效能，可选的可以先只收取内存初始化代码到静态随机存储器sram中，完成外置内存初始化后再通过UART通信协议接收USB升级程序直接放入外置内存中。该替代性方案尤其对于小容量芯片有更好的效果，芯片内部缓存较小时，先获取内存初始化代码完成内存初始化，再读取USB升级程序放到内存中。一种空片升级烧录方法，包括如下步骤：

步骤201：空片上电后，CPU的程序计数器指针值指向只读存储器代码，与上位机建立通信，检测上位机从UART串口发来升级命令；

步骤202：同步升级命令成功后，继续接收上位机发来的第一内存初始化代码放到内部静态存储器中，进行数据校验并判断数据是否接收完毕，如校验不通过则请求上位机重发，如接收数据不完整则继续接收；

步骤203：执行第一内存初始化代码完成外置存储器的初始化；继续从UART串口接收USB升级程序放到外置存储器中，执行数据校验和完整性判断，如校验不通过则请求上位机重发，如接收数据不完整则继续接收。

步骤204：执行USB升级程序，从USB闪存中读取包含第二内存初始化代码、引导程序和应用程序的完整固件到外置存储器，对接收数据完整性进行判断，如数据不完整则继续接收；

步骤205：固件升级数据接收完整后，对升级数据进行校验，校验成功后烧写到非易失性存储器中，完成空片升级，校验不成功则重新执行步骤204中的USB升级程序；所述第二内存初始化代码用于固件升级过程完毕后系统启动时内存的初始化。

进一步地，其中步骤201中设置检测时间阈值，未在限定时间内接收到升级命令则取消升级过程；步骤202中的所述内部静态存储器在正常启动后可以用于其他硬件模块，无需增加额外硬件成本。

基于现有技术的前述缺陷，本发明执行SoC的内部固化代码，通过UART通信协议，接收上位机传送的USB升级程序到设备内存，执行USB升级程序，直接读取在USB闪存中的升级固件进行升级。由于USB升级程序远比升级固件数据小，远端低速传输改为近端高速传输，这样省略了固件数据的传送，大大加快了升级速度和稳定性。采用本发明方案的话，SoC芯片内部固化代码只需要考虑UART通信协议，不需要更大的rom空间，成本更低。

附图说明

图1示出了嵌入式系统逻辑框图；

图2示出了现有技术中的空片升级逻辑框图；

图3示出了本发明中兼顾传输效率和芯片空间的空片升级逻辑框图；

图4示出了本发明兼顾传输效率和芯片空间的空片升级流程图；

图5示出了本发明针对小容量芯片提高空片升级效率的流程图；

图6示出了本发明执行USB升级程序的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行具体说明。

图1是一个典型的嵌入式系统的组成,至少需要3个组成部分：芯片SoC，内存和非易失性存储器Nor F l ash。其中SoC除了包含cpu，只读存储器rom，静态随机存储器sram基本模块外，还可以包含usb控制器，硬件解码器等其他专用电路。Nor F l ash在出厂时烧写了执行的固件，开机上电时，CPU读取Nor F l ash中的固件数据到内存中，在内存中执行。当然多数嵌入式设备还有其他外设，如USB接口，UART串口等。

设备工作流程如下：

(1)上电后，CPU的程序计数器指针值(PC指针值)指向只读存储器代码RomCode，RomCode会把NorF l ash中的内存初始化代码搬运到SoC内置的静态随机存储器sram；这里的PC是Program Counter的缩写，通常是用它来指向当前运行指令的下一条指令的指针。

(2)CPU完成外置存储器的初始化；

(3)CPU从Nor F l ash读取引导程序Boot l oader到外置存储器中执行；Boot loader初始化必要的外设；

(4)CPU读取Nor F l ash中的应用程序代码App l icat ion到外置存储器，执行应用程序代码，引导程序Boot l oader的任务完成。

Boot l oader是嵌入式系统在加电后执行的第一段代码，通过这段小程序，进行硬件初始化，获取内存大小信息等。在它完成CPU和相关硬件的初始化之后，再将固化的嵌入式应用程序装到内存中然后跳转到操作系统所在的空间，启动操作系统运行。

固件升级过程就是从外设如USB，串口读取固件数据，烧写到系统的Nor F l ash中。软件升级方式有多种方式：串口升级，USB升级，OTA升级等。一般固件升级只升级Nor Fl ash中的应用程序App l icat ion部分，不会升级Boot l oader部分，这样保证升级失败时，Boot l oader也是可用的，还可以继续使用Boot l oader来升级应用程序；但是有些方案可能全部固件升级，或者Boot l oader并没有升级代码，升级过程中掉电，Nor F l ash中的应用程序被破坏后彻底不能工作。这种情况就相当于Norf l ash中没有程序，以往这种情况需要把Nor f l ash从设备中取下来，用烧录器重新烧写程序，比较麻烦，费时费力，效果不佳。

空片升级功能就可以解决这种问题。设计一段固化代码，可以执行简单的通用异步接收/发送UART串口通信协议，根据命令读写内存数据，配置寄存器等，这段代码固化在SoC中，SoC出厂时就有并且只读功能，不会有被破坏的情况。开机上电时，CPU会先执行一下这个固化代码，检测UART是否有上位机发来的升级触发信号，如果有，进入UART数据升级模式，否则按正常启动。但是市场上一般的空片升级功能是通过UART串口接收全部升级固件到设备内存中，然后执行烧写程序工作，固件程序越来越大，传输耗时也越来越长，并且传输过程中数据错误可能性也高。

图2是现有技术中空片升级的一般方式。

(1)上电后，CPU的PC指针指向RomCode，CPU检测到上位机UART串口发来的升级命令；

(2)CPU同步升级命令成功后，继续接收上位机发来的内存初始化代码Memory I ni tCode、引导程序Boot l oader和应用程序App l i cat i onCode写到Norf l ash中；

(3)CPU完成升级代码的校验，校验成功代表空片升级完成；

(4)重启设备，系统按正常工作流程启动。

随着固件升级代码增大，该方案采用低速UART传输数据，空片升级时间明显加大，导致客户生产成本增加。

如图3所示，本发明的方案中，上位机并不直接传送固件数据，而是先传送内存初始化代码Memory I n itCode和USB升级程序，USB升级程序在设备中运行，负责从USB闪存读取固件数据并升级。执行过程如图4所示。

步骤101：空片上电后，CPU的PC指针值指向只读存储器代码RomCode，检测上位机是否从UART串口发来的升级命令；

进一步的，步骤101中设置检测时间阈值，未在限定时间内接收到升级命令则取消升级过程。

步骤102：同步升级命令成功后，继续接收上位机发来的第一内存初始化代码、USB升级程序放到内部静态存储器中,进行数据校验并判断数据是否接收完毕，如校验不通过则请求上位机重发，如接收数据不完整则继续接收；该内部静态存储器在正常启动后可以用于其他硬件模块，无需增加额外硬件成本；

步骤103：执行第一内存初始化代码完成外置存储器的初始化；执行USB升级程序。

执行USB升级程序的步骤如下：初始化文件系统后注册USB回调函数以响应USB插入等消息；判断USB从设备装载且收到USB消息的情况下，USB回调函数接收USB挂载消息；判断USB从设备根目录下是否有升级固件文件，结果为是的情况下读取固件文件开头128字节基础数据；如判断为合法的升级固件则进行读取，读取完成后对升级固件中的各个程序和数据块进行CRC校验，校验正确后进行烧录和升级。

步骤104：从USB闪存中读取包含第二内存初始化代码、引导程序和应用程序的完整固件到外置存储器，对接收数据完整性进行判断，如数据不完整则继续接收。

步骤105：固件升级数据接收完整后，对升级数据进行校验，校验成功后烧写到Norf l ash中，完成空片升级，校验不成功则重新执行步骤103中的USB升级程序；所述第二内存初始化代码用于固件升级过程完毕后系统启动时内存的初始化。

图5示出了本发明的替代性方案，为减少芯片内部缓存负担，提高系统运行效能，可选的可以先只收取内存初始化代码到静态随机存储器sram中，完成外置内存初始化后再通过UART通信协议接收USB升级程序直接放入外置内存中。该替代性方案尤其对于小容量芯片有更好的效果，芯片内部缓存较小时，先获取内存初始化代码完成内存初始化，再读取USB升级程序放到内存中。

步骤201：空片上电后，CPU的PC指针值指向只读存储器代码RomCode，检测上位机是否从UART串口发来升级命令；设置检测时间阈值，未在限定时间内接收到升级命令则取消升级过程。

步骤202：同步升级命令成功后，继续接收上位机发来的第一内存初始化代码放到内部静态存储器中，进行数据校验并判断数据是否接收完毕，如校验不通过则请求上位机重发，如接收数据不完整则继续接收；该内部静态存储器在正常启动后可以用于其他硬件模块，无需增加额外硬件成本。

步骤203：执行第一内存初始化代码完成外置存储器的初始化；继续从UART串口接收USB升级程序放到外置存储器中，执行数据校验和完整性判断，如校验不通过则请求上位机重发，如接收数据不完整则继续接收。

步骤204：执行USB升级程序，从USB闪存中读取包含第二内存初始化代码、引导程序和应用程序的完整固件到外置存储器，对接收数据完整性进行判断，如数据不完整则继续接收。

步骤205：固件升级数据接收完整后，对升级数据进行校验，校验成功后烧写到Norf l ash中，完成空片升级，校验不成功则重新执行步骤204中的USB升级程序；所述第二内存初始化代码用于固件升级过程完毕后系统启动时内存的初始化。

通过本发明的改进技术方案，SoC芯片内部只需固化简单的UART通信协议，需要用到的rom空间相对固化usb通信协议代码要小得多。而且空片升级只需通过UART传输USB升级程序，然后通过USB升级程序来升级近端的USB闪存中的固件，避免大容量固件数据使用UART低速接口来传输，提高传输的稳定性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种空片升级烧录方法，包括如下步骤：

步骤101：空片上电后，将CPU的程序计数器指针值指向只读存储器代码，与上位机建立通信，检测上位机从UART串口发来的升级命令；

步骤102：同步升级命令成功后，继续接收上位机发来的第一内存初始化代码、USB升级程序放到内部静态存储器中，进行数据校验并判断数据是否接收完毕，如校验不通过则请求上位机重发，如接收数据不完整则继续接收；

步骤103：执行第一内存初始化代码完成外置存储器的初始化，执行USB升级程序；

步骤104：从USB闪存中读取包含第二内存初始化代码、引导程序和应用程序的完整固件到外置存储器，对接收数据完整性进行判断，如数据不完整则继续接收；

步骤105：固件升级数据接收完整后，对升级数据进行校验，校验成功后烧写到非易失性存储器中，完成空片升级，校验不成功则重新执行步骤103中的USB升级程序；所述第二内存初始化代码用于固件升级过程完毕后系统启动时内存的初始化。

2.如权利要求1所述的方法，其中步骤101中设置检测时间阈值，未在限定时间内接收到升级命令则取消升级过程；步骤102中的所述内部静态存储器在正常启动后可以用于其他硬件模块，无需增加额外硬件成本。

3.如权利要求1所述的方法，其中步骤103执行USB升级程序的步骤如下：初始化文件系统后注册USB回调函数；判断USB从设备装载且收到USB消息的情况下，USB回调函数接收USB挂载消息；判断USB从设备根目录下是否有升级固件文件，结果为是的情况下读取固件文件开头128字节基础数据；如判断为合法的升级固件则进行读取，读取完成后对升级固件中的各个程序和数据块进行CRC校验，校验正确后进行烧录和升级。

4.一种空片升级烧录方法，包括如下步骤：

步骤201：空片上电后，CPU的程序计数器指针值指向只读存储器代码，与上位机建立通信，检测上位机从UART串口发来升级命令；

步骤202：同步升级命令成功后，继续接收上位机发来的第一内存初始化代码放到内部静态存储器中，进行数据校验并判断数据是否接收完毕，如校验不通过则请求上位机重发，如接收数据不完整则继续接收；

步骤203：执行第一内存初始化代码完成外置存储器的初始化；继续从UART串口接收USB升级程序放到外置存储器中，执行数据校验和完整性判断，如校验不通过则请求上位机重发，如接收数据不完整则继续接收；

步骤204：执行USB升级程序，从USB闪存中读取包含第二内存初始化代码、引导程序和应用程序的完整固件到外置存储器，对接收数据完整性进行判断，如数据不完整则继续接收；

步骤205：固件升级数据接收完整后，对升级数据进行校验，校验成功后烧写到非易失性存储器中，完成空片升级，校验不成功则重新执行步骤204中的USB升级程序；所述第二内存初始化代码用于固件升级过程完毕后系统启动时内存的初始化。

5.如权利要求4所述的方法，其中步骤201中设置检测时间阈值，未在限定时间内接收到升级命令则取消升级过程；步骤202中的所述内部静态存储器在正常启动后可以用于其他硬件模块，无需增加额外硬件成本。

6.如权利要求4所述的方法，其中步骤203执行USB升级程序的步骤如下：初始化文件系统后注册USB回调函数；判断USB从设备装载且收到USB消息的情况下，USB回调函数接收USB挂载消息；判断USB从设备根目录下是否有升级固件文件，结果为是的情况下读取固件文件开头128字节基础数据；如判断为合法的升级固件则进行读取，读取完成后对升级固件中的各个程序和数据块进行CRC校验，校验正确后进行烧录和升级。

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