CN117742759A - 一种基于串口通讯的固件更新方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于串口通讯的固件更新方法及系统，属于固件更新技术领域，解决了现有固件更新的合法性校验不足及用户固件出现异常时无法自动更新的问题。包括：S11、根据上位机周期性发送的指定信息识别串口通讯波特率，初始化嵌入式器件的串口设备；S12、嵌入式器件在预置时间内与上位机进行握手，如果握手成功，则根据接收的固件文件进行固件更新；如果握手失败，则进行固件有效性校验，当校验通过时运行用户固件，监听下发的命令且当用户固件接收到固件更新命令时，返回至步骤S11，当校验不通过时监听下发的命令，当引导程序接收到固件更新命令且次数小于阈值时，重新执行步骤S12，否则退出固件更新流程。实现了固件更新安全性和便捷性的提升。

Description

一种基于串口通讯的固件更新方法及系统

技术领域

本发明涉及固件更新技术领域，尤其涉及一种基于串口通讯的固件更新方法及系统。

背景技术

目前，随着嵌入式器件的高速发展和普及，伺服设备日趋小型化、智能化，更新换代频繁，尤其其中的固件如果存在问题或漏洞，或对功能性能进行提升，都需要固件更新才能解决。

常用的固件更新方法主要有两种：通过JTAG(Joint TestAction Group，联合测试工作组)等专用调试口下载和通过引导程序BootLoader更新固件。其中前者主要用于调试，需要专用的高速接口，不能进行远程升级，要更新固件需要拆卸设备，连接JTAG等接口才能进行，操作繁琐；后者一般由两部分组成：引导程序Bootloader和用户固件，引导程序通常不变，通过JTAG等专用接口预先下载进入嵌入式器件，之后就可以通过各种外接通信手段：串口、USB、无线网络、蓝牙等，将用户固件远程下载至嵌入式设备，过程方便简单。

但是现有通过BootLoader更新固件的方法，还存在不少缺点：1)固件更新操作合法性认证不足，很容易造成现有固件误擦除或恶意破坏；2)不能在多种情况下自动进行用户固件的更新。例如，当上电后进入用户固件的认证正常，即可以正常进入用户固件，但由于用户固件存在缺陷，无法与上位机通信，不能通过命令跳入引导程序时，就不能自动进行用户固件更新了。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于串口通讯的固件更新方法及系统，用以解决现有固件更新的合法性校验不足及用户固件出现异常时无法自动更新的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种基于串口通讯的固件更新方法，通过串口控制引导程序将用户固件更新至嵌入式器件中，引导程序中的固件更新流程包括以下步骤：

S11、根据上位机周期性发送的指定信息，识别出串口通讯的波特率，并根据波特率初始化嵌入式器件的串口设备；

S12、基于握手协议，嵌入式器件在预置时间内与上位机进行握手，得到握手结果，如果握手成功，则根据接收到的固件文件进行固件更新；如果握手失败，则进行固件有效性校验，当固件有效性校验通过时运行用户固件，监听上位机下发的命令且当用户固件接收到固件更新命令时，返回至步骤S11；当校验不通过时监听上位机下发的命令，当引导程序接收到固件更新命令且接收到固件更新命令的次数小于阈值时，重新执行步骤S12，否则，退出固件更新流程。

基于上述方法的进一步改进，进行固件更新，包括：当固件更新成功时，引导程序获取固件信息写入Flash存储器预置地址中；当固件更新失败时，引导程序通过串口通知上位机更新失败，退出固件更新流程，当重新上电后，重新执行引导程序中的固件更新流程。

基于上述方法的进一步改进，当运行用户固件时，初始化嵌入式器件的串口设备，以便监听上位机下发的命令；当用户固件接收到固件更新命令时，重启嵌入式器件。

基于上述方法的进一步改进，根据上位机周期性发送的指定信息，识别出串口通讯的波特率，并根据波特率初始化嵌入式器件的串口设备，包括：

嵌入式器件的串口模块依次采用不同的波特率测试能否稳定接收到指定信息，如果能稳定接收，则将当前波特率设置给嵌入式器件；嵌入式器件给上位机返回相同的指定信息，当上位机接收到返回的指定信息后，停止周期性发送指定信息，并发送波特率识别成功消息给嵌入式器件。

基于上述方法的进一步改进，握手协议包括：帧头、数据类型、数据长度、数据内容和校验字，每帧数据以十六进制表示，数据内容中包括协商好的数值和固件更新key值。

基于上述方法的进一步改进，基于握手协议，嵌入式器件在预置时间内与上位机进行握手，得到握手结果，包括：

嵌入式器件接收到波特率识别成功消息后，开始握手计时并发送请求握手的消息给上位机，上位机接收后发送协商好的第一数值给嵌入式器件，嵌入式器件接收到第一数值后，发送协商好的第二数值给上位机，当上位机接收到第二数值后，发送固件更新key值给嵌入式器件，嵌入式器件接收到一致的固件更新key值，结束握手计时，得到握手时间；当握手时间小于预置时间时，握手结果是握手成功，否则握手结果是握手失败。

基于上述方法的进一步改进，上位机采用YMODEM协议，基于串口将Intel HEX格式的固件文件传输给嵌入式器件，写入Flash存储器预置地址中。

基于上述方法的进一步改进，获取固件信息，包括：

根据固件文件获取固件大小、固件入口地址、固件版本号和固件编译时间，采用CRC32校验算法对固件文件计算出检验码，通过上位机获取更新时间。

基于上述方法的进一步改进，固件有效性校验包括：

引导程序读取Flash存储器预置地址中写入的固件文件，采用CRC32校验算法计算出实际校验码；

引导程序读取Flash存储器预置地址中写入的固件信息中的校验码，得到待比对校验码，如果实际校验码与待比对校验码一致，则固件有效性校验通过，否则固件有效性校验不通过。

另一方面，本发明实施例提供了一种基于串口通讯的固件更新系统，包括：通过串口连接的上位机和嵌入式器件，嵌入式器件的Flash存储器中烧录有引导程序，引导程序实现上述任一项的固件更新方法将用户固件更新至嵌入式器件中。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、在引导程序中通过设置等待时间且在这段时间内与上位机握手成功，就能正常更新用户固件，即使握手失败，不管固件有效性校验是否通过，均提供了自动更新用户固件的机会，解决了用户固件出现异常时无法自动进行用户固件更新的问题，提高了固件更新的安全性、快速性和便捷性，简化了用户操作；

2、通过优化的更新流程及设置方法，定制握手过程，从而提高了认证的保密性和安全性，适用于高安全要求的系统；

3、整个固件更新流程只需要一个对外通信串口，不需要其它硬件接口，简化了硬件设计。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1中一种基于串口通讯的固件更新方法流程图；

图2为本发明实施例1中控制引导程序更新固件的细化流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于串口通讯的固件更新方法，通过串口控制引导程序将用户固件更新至嵌入式器件中，引导程序中的固件更新流程如图1所示，包括以下步骤：

S11、根据上位机周期性发送的指定信息，识别出串口通讯的波特率，并根据波特率初始化嵌入式器件的串口设备；

S12、基于握手协议，嵌入式器件在预置时间内与上位机进行握手，得到握手结果，如果握手成功，则根据接收到的固件文件进行固件更新；如果握手失败，则进行固件有效性校验，当固件有效性校验通过时跳转至用户固件，监听上位机下发的命令且当用户固件接收到固件更新命令时，返回至步骤S11；当校验不通过时监听上位机下发的命令，当引导程序接收到固件更新命令且接收到固件更新命令的次数小于阈值时，重新执行步骤S12，否则，退出固件更新流程。

需要说明的是，在更新固件前，引导程序烧录在嵌入式器件中，通过串口连接好上位机与嵌入式器件，此时并不限定固件是否被烧录在嵌入式器件中。也就是说，本实施例的固件更新方法既可以用于首次安装固件，也可以用于固件安装后的更新。

在步骤S11中通过嵌入式器件的串口模块识别出串口通讯的波特率，由引导程序设置好嵌入式器件的波特率，初始化串口模块硬件设备，这样嵌入式设备就可以通过串口模块接收到上位机的命令了。在步骤S12中预置时间相当于等待时间，在这段时间内嵌入式器件与上位机握手成功，则直接进行固件更新，当握手失败，则对固件有效性进行校验，当校验通过时表示用户固件安全有效，运行用户固件并监听上位机下发的命令，当用户固件接收到上位机下发的固件更新命令时，有机会再次更新固件；当校验不通过时表示用户固件存在缺陷或不存在，引导程序监听上位机下发的命令，进入等待命令状态，当引导程序接收到上位机下发的固件更新命令且接收到固件更新命令的次数小于阈值时，仍有机会再次更新固件；否则，表示相关硬件存在异常，退出固件更新流程。

图2是本实施例控制引导程序更新固件的细化流程。接下来结合图1和图2详细说明各个步骤中的技术方案。

具体来说，嵌入式器件上电后进入引导程序，步骤S11中根据上位机周期性发送的指定信息，识别出串口通讯的波特率，并根据波特率初始化嵌入式器件的串口设备，包括：

嵌入式器件的串口模块依次采用不同的波特率测试能否稳定接收到指定信息，如果能稳定接收，则将当前波特率设置给嵌入式器件；嵌入式器件给上位机返回相同的指定信息，当上位机接收到返回的指定信息后，停止周期性发送指定信息，并发送波特率识别成功消息给嵌入式器件。

需要说明的是，上位机的串口波特率选定任意标准值，比如115200bps，19200bps，周期性发送的指定信息是上位机与嵌入式器件协商好的信息，比如字符“A”。引导程序将识别出来的波特率设置给嵌入式器件，初始化嵌入式器件的串口设备，并发送相同的指定信息给上位机。当上位机接收到返回的指定信息后，已知嵌入式器件的串口设备完成了初始化，因此，停止周期性发送指定信息，并发送波特率识别成功消息给嵌入式器件，比如“OK”，以进入步骤S12。

在步骤S12中，为了保证通信安全性和认证的严格性，握手过程中数据的交互遵循特定的协议，在起到保密作用的同时，进一步增加认证的安全性，有效防止用户固件被恶意擦除或非法更新。本实施例中的握手协议包括：帧头、数据类型、数据长度、数据内容和校验字，每帧数据以十六进制表示。

具体来说，帧头由固定内容的两个字节组成，此两个字节为非ASCII码值；数据类型由一个字节组成，用于表示是嵌入式器件给上位机发消息，还是上位机给嵌入式器件发消息，比如，用0x01表示嵌入式器件到上位机的上行数据，用0x02表示上位机到嵌入式器件的下行数据；数据长度由一个字节组成，表示本帧数据内容的字节数量；数据内容表示交互过程中的信息内容，包括协商好的数值和固件更新key值；此内容中的字节数量要与数据长度一致；校验字由两个字节组成，表示所有帧数据的CRC校验码。

进一步地，基于握手协议，嵌入式器件在预置时间内与上位机进行握手，得到握手结果，包括：

嵌入式器件接收到波特率识别成功消息后，开始握手计时并发送请求握手的消息给上位机，上位机接收后发送协商好的第一数值给嵌入式器件，嵌入式器件接收到第一数值后，发送协商好的第二数值给上位机，当上位机接收到第二数值后，发送固件更新key值给嵌入式器件，嵌入式器件接收到一致的固件更新key值，结束握手计时，得到握手时间；当握手时间小于预置时间时，握手结果是握手成功，否则握手结果是握手失败。

需要说明的是，预置时间是在最小波特率情况下调试出来的稳定经验值，该时间越短用户固件启动时间就越短。借助这个预置时间，在上位机和引导程序运行正常的情况下都可以进行固件更新。示例性地，预置时间为50ms。

(1)如果握手成功，上位机采用YMODEM协议，基于串口将Intel HEX格式的固件文件传输给嵌入式器件，嵌入式器件根据接收到的固件文件进行固件更新，并将固件文件写入Flash存储器预置地址中。即握手成功后，不需要跳转至用户固件中，不论用户固件是否存在缺陷，都不影响在引导程序中进行用户固件更新。

Flash存储器即Flash Memory，全称Flash EEPROM Memory，是一种长寿命的非易失性的存储器，在断电情况下仍能保持所存储的数据信息。

①当固件更新成功时，引导程序获取固件信息写入Flash存储器预置地址中，引导程序通过串口通知上位机更新成功，完成固件更新流程。

获取固件信息包括：根据固件文件获取固件大小、固件入口地址、固件版本号和固件编译时间，采用CRC32校验算法对固件文件计算出检验码，通过上位机获取更新时间。由此看出，本实施例获取的固件信息都是在引导程序中自动获取，不需要人工提供，增强了适应性。

②当固件更新失败时，引导程序通过串口通知上位机更新失败，退出固件更新流程。当重新上电后，重新执行引导程序中的固件更新流程。

(2)如果握手失败，引导程序对固件有效性进行校验。

示例性地，当嵌入式器件上电后，上位机还未打开时，握手可能就会失败。握手失败后引导程序对固件有效性进行校验，根据校验结果提供新的固件更新机会。

具体来说，固件有效性校验包括：

引导程序读取Flash存储器预置地址中写入的固件文件，采用CRC32校验算法计算出实际校验码；引导程序读取Flash存储器预置地址中写入的固件信息中的校验码，得到待比对校验码，如果实际校验码与待比对校验码一致，则固件有效性校验通过，否则固件有效性校验不通过。

需要说明的是，本实施例引导程序每次都重新根据上次更新时写入的固件文件计算固件的校验码，进行严格的固件有效性校验，克服现有合法性校验不足的问题。如果固件损坏计算得到的固件校验码与待比对校验码就会不一致，从而校验失败，虽然增加了固件上电时间，但极大地提高了安全性。

①当固件有效性校验通过时，运行用户固件，监听上位机下发的命令且当用户固件接收到固件更新命令时，返回至步骤S11。

需要说明的是，当固件有效性校验通过时，引导程序根据固件入口跳转至用户固件，运行用户固件并初始化嵌入式器件的串口设备，便于与上位机通信。在用户固件运行过程中，用户固件监听上位机下发的命令，当接收到固件更新命令时，重启嵌入式器件，自动进入引导程序，从步骤S11开始执行引导程序中的固件更新流程。即本实施例在嵌入式器件运行用户固件时(用户固件正常时)也提供了更新固件的机会。

需要说明的是，上位机会给引导程序和用户固件下发多种命令来控制引导程序和用户固件执行相关操作，或者查询相关信息。固件更新命令是上位机下发的命令中一种。

②当固件有效性校验不通过时，引导程序监听上位机是否下发固件更新命令；当引导程序接收到固件更新命令且接收到固件更新命令的次数小于阈值时，重新执行步骤S12，否则，退出固件更新流程。

需要说明的是，固件有效性校验不通过存在多种原因，比如包括：初始用户固件不存在，或者，用户固件存在缺陷，或者，上位机、嵌入式器件或串口设备的硬件出现异常。

如果因为初始用户固件不存在或者用户固件存在缺陷导致固件有效性校验不通过的情况下，引导程序等待上位机下发固件更新命令，当接收到固件更新命令，重新执行步骤S12，引导程序再次尝试与上位机握手，通常都会握手成功，完成固件更新。

如果是因为相关硬件出现异常，在接收到固件更新命令重新执行步骤S12，引导程序与上位机再次握手仍然会失败，再次进行固件有效性校验也仍然会不通过，将一直处于等待接收固件更新命令，接收固件更新命令后握手失败，固件有效性校验不通过的循环中。为了避免出现这种情况，当固件有效性校验不通过且引导程序第一次接收到固件更新命令时，开始记录接收到固件更新命令的次数为1，重新执行步骤S12，如果再次握手成功，次数清零，否则，当再次接收到固件更新命令时次数递增一次，如果次数小于阈值，重新执行步骤S12，如果次数大于等于阈值，则通过串口提醒上位机检查硬件，退出此次固件更新流程。

示例性地，阈值设置为3次，上位机收到提醒消息：连续握手失败已达3次，请检查相关硬件是否正常。待相关人员解决了硬件问题后，再通过本方法完成固件的自动更新。

本实施例在用户固件存在缺陷时也提供了再次自动更新用户固件的机会，无需拆出用户固件后再通过JTAG专用调试口下载用户固件，提升了用户固件更新的速度，解决了现有用户固件存在缺陷无法再次自动进行用户固件更新的问题。

与现有技术相比，本实施例提供的一种基于串口通讯的固件更新方法在引导程序中通过设置等待时间且在这段时间内与上位机握手成功，就能正常更新用户固件，即使握手失败，不管固件有效性校验是否通过，均提供了自动更新用户固件的机会，解决了用户固件出现异常时无法自动进行用户固件更新的问题，提高了固件更新的安全性、快速性和便捷性，简化了用户操作；通过优化的更新流程及设置方法，定制握手过程，从而提高了认证的保密性和安全性，适用于高安全要求的系统；整个固件更新流程只需要一个对外通信串口，不需要其它硬件接口，简化了硬件设计。

实施例2

本发明的另一个实施例，公开了一种基于串口通讯的固件更新系统，从而实现实施例1中的一种基于串口通讯的固件更新方法。各模块的具体实现方式参照实施例1中的相应描述。该系统包括：

通过串口连接的上位机和嵌入式器件，嵌入式器件的Flash存储器中烧录有引导程序，引导程序实现实施例1的固件更新方法将用户固件更新至嵌入式器件中。

示例性地，嵌入式器件包括DSP和ARM等，自带Flash存储器。通过各自的入口地址分别进入引导程序和用户固件。

由于本实施例与前述一种基于串口通讯的固件更新方法相关之处可相互借鉴，此处为重复描述，故这里不再赘述。由于本系统实施例与上述方法实施例原理相同，所以本系统实施例也具有上述方法实施例相应的技术效果。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于串口通讯的固件更新方法，其特征在于，通过串口控制引导程序将用户固件更新至嵌入式器件中，所述引导程序中的固件更新流程包括以下步骤：

S11、根据上位机周期性发送的指定信息，识别出串口通讯的波特率，并根据波特率初始化所述嵌入式器件的串口设备；

S12、基于握手协议，所述嵌入式器件在预置时间内与所述上位机进行握手，得到握手结果，如果握手成功，则根据接收到的固件文件进行固件更新；如果握手失败，则进行固件有效性校验，当固件有效性校验通过时运行所述用户固件，监听所述上位机下发的命令且当所述用户固件接收到固件更新命令时，返回至步骤S11；当校验不通过时监听所述上位机下发的命令，当所述引导程序接收到固件更新命令且接收到固件更新命令的次数小于阈值时，重新执行步骤S12，否则，退出固件更新流程。

2.根据权利要求1所述的基于串口通讯的固件更新方法，其特征在于，所述进行固件更新，包括：当固件更新成功时，所述引导程序获取固件信息写入Flash存储器预置地址中；当固件更新失败时，所述引导程序通过串口通知所述上位机更新失败，退出固件更新流程，当重新上电后，重新执行所述引导程序中的固件更新流程。

3.根据权利要求2所述的基于串口通讯的固件更新方法，其特征在于，当运行用户固件时，初始化所述嵌入式器件的串口设备，以便监听上位机下发的命令；当所述用户固件接收到固件更新命令时，重启所述嵌入式器件。

4.根据权利要求1所述的基于串口通讯的固件更新方法，其特征在于，所述根据上位机周期性发送的指定信息，识别出串口通讯的波特率，并根据波特率初始化所述嵌入式器件的串口设备，包括：

所述嵌入式器件的串口模块依次采用不同的波特率测试能否稳定接收到指定信息，如果能稳定接收，则将当前波特率设置给所述嵌入式器件；所述嵌入式器件给所述上位机返回相同的指定信息，当所述上位机接收到返回的指定信息后，停止周期性发送指定信息，并发送波特率识别成功消息给所述嵌入式器件。

5.根据权利要求4所述的基于串口通讯的固件更新方法，其特征在于，所述握手协议包括：帧头、数据类型、数据长度、数据内容和校验字，每帧数据以十六进制表示，数据内容中包括协商好的数值和固件更新key值。

6.根据权利要求5所述的基于串口通讯的固件更新方法，其特征在于，所述基于握手协议，所述嵌入式器件在预置时间内与上位机进行握手，得到握手结果，包括：

所述嵌入式器件接收到波特率识别成功消息后，开始握手计时并发送请求握手的消息给所述上位机，所述上位机接收后发送协商好的第一数值给所述嵌入式器件，所述嵌入式器件接收到第一数值后，发送协商好的第二数值给所述上位机，当所述上位机接收到第二数值后，发送固件更新key值给所述嵌入式器件，所述嵌入式器件接收到一致的固件更新key值，结束握手计时，得到握手时间；当握手时间小于预置时间时，握手结果是握手成功，否则握手结果是握手失败。

7.根据权利要求2所述的基于串口通讯的固件更新方法，其特征在于，所述上位机采用YMODEM协议，基于串口将Intel HEX格式的固件文件传输给所述嵌入式器件，写入Flash存储器预置地址中。

8.根据权利要求7所述的基于串口通讯的固件更新方法，其特征在于，所述获取固件信息，包括：

根据固件文件获取固件大小、固件入口地址、固件版本号和固件编译时间，采用CRC32校验算法对固件文件计算出检验码，通过所述上位机获取更新时间。

9.根据权利要求8所述的基于串口通讯的固件更新方法，其特征在于，所述固件有效性校验包括：

所述引导程序读取Flash存储器预置地址中写入的固件文件，采用CRC32校验算法计算出实际校验码；

所述引导程序读取Flash存储器预置地址中写入的固件信息中的校验码，得到待比对校验码，如果实际校验码与待比对校验码一致，则固件有效性校验通过，否则固件有效性校验不通过。

10.一种基于串口通讯的固件更新系统，其特征在于，包括：通过串口连接的上位机和嵌入式器件，所述嵌入式器件的Flash存储器中烧录有引导程序，所述引导程序实现权利要求1至9任一项所述的固件更新方法将用户固件更新至所述嵌入式器件中。