TS201的嵌入式系统软件远程更新方法

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基于DSP的远程程序更新方法很多[12]，但在烧写的时候均要求系统不能断电，否则将造成整个系统软件崩溃，只能人工通过JTAG口调试烧写才能恢复。如何有效提高系统维护的可靠性成为一个重要的问题。本文创新地提出基于多DSP的程序分片、数据分段的高可靠性远程更新软件设计，并列举了多个增强可靠性的应用方法。本文以某型号无线远程监控系统为例，具体描述该设计的实际应用。
       
        1　系统结构
       
        　　本系统处理数据多，计算量大，又有很强的实时性要求，选用ADI公司的高速处理芯片TigerSharc201s。Flash选用JS28F128，容量为256 Mb。系统设计采用两片ADSP并行的模式。系统结构如图1所示，TS201A为主DSP，TS201B为从DSP。主DSP经Flash采用EPROM加载方式，再通过Link口引导加载从DSP。本处理系统支持多种工作模式，监控中心通过内部协议远程管控处理系统。从DSP实现信号处理计算，把处理计算结果传递给主DSP；主DSP实现管控模块，通过外围芯片FPGA的串口协议发送给无线传输设备，通过CDMA模块用无线网络的形式，发送到监控中心软件。监控中心通过协议对其可实现远程管理，包括数据库文件更新、程序更新和状态模式转换。
       
        图1　系统结构
       
        2　远程更新原理及实现
       
        2.1　设计原理
       
        　　Flash内部分为256个block，可以擦写任意位置的block段，没有擦写的block数据不会丢失。根据这一特性，把两片DSP软件程序和分段的数据库的烧写位置分开。Flash空间地址分配如图2所示。
       
        图2　Flash空间地址分配示意图
       
        　　监控中心按照内部协议把数据库或程序文件分包，通过无线网络下发到以TS201为核心的信号处理机。处理机接收完数据后，通过自身的烧写功能，把新数据自动写入Flash中。重新启动后，DSP重载实现远程分片更新程序的功能。程序的初始化设置中，每次会自动读回Flash中的数据，完成更新数据库参数的功能。
       
        　　为了增加远程更新的可靠性，把两片DSP程序分开位置烧写。由于主DSP只涉及管理控制功能，所以把主DSP程序作为整个系统的“壳”，一般不作更新。用从DSP实现其主要的性能计算，它的加载通过主DSP的Link口引导。这样，大部分的在线维护和算法程序升级通过更新从DSP就能完成。在更新的过程中，主DSP程序不会受影响，增强了系统的可靠性，也不必担心突然掉电会导致系统软件的崩溃。
       
        2.2　基于TS201的远程更新过程
       
        　　本系统制定内部协议，实现远程更新的指令交互。信号处理机接收指令，按照协议决定远程更新的内容，分为软件更新或者数据库更新。若为软件更新再区分主、从DSP软件更新；若为数据库更新，根据数据库信息决定更新的位置和段数。
       
        　　本系统的数据库文件为30K×4字节，分为6段。根据无线传输设备的发送能力，把数据按照每包198字节分包，每包包括报头、总包数、包号和校验位等信息，数据协议具体格式如下：
       
        　　报头：SOH；
        　　报文长度：本包数据的长度，包括报头，固定为198；
        　　总包数：此次程序或者数据库文件分成的总包数；
        　　包号：本包的编号；
        　　数据：需要更新的数据；
        　　校验位：占3个字节，包括1个字节的奇偶校验位、2个字节的CRC校验位。
       
        　　发送更新文件时，系统采用握手协议。信号处理机每接收到1包数据，将发回馈信息给监控中心，监控中心接收到成功回馈信息后，再发下1包数据。否则将进入等待模式，10 s后自动重发此包数据。若连续重发3次仍然不成功，才放弃此次更新。信号处理机软件机制和监控中心一样，发送回馈后进入等待模式，10 s后自动重新发送回馈信息，最多重发3次，才放弃更新，重新回到工作状态，直到接收到新的下发指令。
       
        　　信号处理机接收完全部的数据包后，还要进行包号核对，确认无误后，用协议通知监控中心即将进入烧写模式。按照Flash特定的读写指令，把RAM中的数据由Flash的第20个block起始位置开始写入。如果是数据库，按照协议解读数据段号，把烧写起始位置改为相应block的地址。烧写完成后，将烧写成功与否的信息回馈给监控中心。在不断电的情况下，系统此时仍然是按照旧的软件版本运行。系统设计了远程的硬重启，通过指令控制继电器。继电器连接电源模块，实现短暂的断电功能，从而实现DSP的重新加载，完成程序或者数据库更新。详细的远程更新流程如图3所示。
       
        图3　远程更新流程
       
        2.2.1　FPGA程序实现
       
        　　FPGA负责片选串口信号，TS201为高速设备。为了不频繁打断TS201的进程，在FPGA中设计9个字节的FIFO。FIFO满即向TS201发送IRQ外部中断信号，通知TS201读取数据，FPGA接收1个读信号清空FIFO中的1个数据。
       
        2.2.2　TS201中断程序实现
       
        　　串口采用中断的方式接收，具体的ISR部分实现如下：
        interrupt(SIGIRQ1, isr_uart2);//设置串口中断地址
        interrupt(SIGTIMER1LP,TIMER1_ISR);  //设置定时器中断地址
        void isr_uart2() {
        int i;
        int buf_uart[9]；
        for(i=0;i<9;i++){
        buf_uart=*UART_ADD_2;//读取数据线上的数据
        buf_uart =buf_uart & 0xff; //避免数据线串扰，只取数据线上的低8位
        }
        ……
        }
       
        ② 定时器程序设计。TS201有Timer0和Timer1两个定时器，每个定时器又分为高位和低位两个寄存器。本系统采用Timer1的低位寄存器做10 s定时。
        void TIMER1_ISR( ){
        int i,tempp;//关闭定时器
        tempp=__builtin_sysreg_read(__INTCTL);
        tempp=tempp & (0xFFFFFFFF ^INTCTL_TMR1RN);
        __builtin_sysreg_write(__INTCTL, tempp);
        NumberTimer++;
        if(NumberTimer==3) { //如果已经重发3次
        Variable_Init( );//初始化变量
        }
        else{
        SendCopyData( ); //重发之前的信息
        __builtin_sysreg_write(__TMRIN1H, 0x0); //高位的初始化是必需的
        __builtin_sysreg_write(__TMRIN1L, CK10); //配置Timer1低位寄存器，并定时10 s重新开启定时器
        tempp=__builtin_sysreg_read(__INTCTL);
        tempp=tempp | INTCTL_TMR1RN;
        __builtin_sysreg_write(__INTCTL, tempp);
        }
        }
       
        　　其中，定时器的计数周期是CCLK/2，所以，CK10=CCLK/2×10；
       
        2.2.3　Flash程序实现
       
        　　TS201对于外部设备Flash的读写操作只能通过DMA进行，本系统设计采用DMA0。其核心代码如下：
       
        void dma0_ISR( ){
        return;
        }
        void WriteFlash( int Offset, int nValue ){//向Flash的Offset位置写数nValue
        int temp=nValue;
        TCB_temp.DI=&temp;
        TCB_temp.DX=0x00010001;
        TCB_temp.DY=0;
        TCB_temp.DP=0x43000000;
        q=__builtin_compose_128((long long)TCB_temp.DI | (long long)TCB_temp.DX﹤﹤32, (long long)(TCB_temp.DY | (long long)TCB_temp.DP﹤﹤32));
        __builtin_sysreg_write4(__DCS0, q);
        TCB_temp.DI=(int*)(Offset);
        TCB_temp.DX=0x00010001;
        TCB_temp.DY=0;
        TCB_temp.DP=0xc3000000;
        q=__builtin_compose_128((long long)TCB_temp.DI | (long long)TCB_temp.DX﹤﹤32, (long long)(TCB_temp.DY | (long long)TCB_temp.DP﹤﹤32));
        __builtin_sysreg_write4(__DCD0, q);
        asm("nop;;");
        asm("nop;;");
        }
        int ReadFlash( int Offset){ //从Flash的Offset位置读取数据temp并返回
        int temp;
        TCB_temp.DI=(int*)(Offset);
        TCB_temp.DX=0x00010001;
        TCB_temp.DY=0;
        TCB_temp.DP=0xc3000000;
        q=__builtin_compose_128((long long)TCB_temp.DI | (long long)TCB_temp.DX﹤﹤32, (long long)(TCB_temp.DY | (long long)TCB_temp.DP﹤﹤32));
        __builtin_sysreg_write4(__DCS0, q);
        TCB_temp.DI=&temp;
        TCB_temp.DX=0x00010001;
        TCB_temp.DY=0;
        TCB_temp.DP=0x43000000;
        q=__builtin_compose_128((long long)TCB_temp.DI | (long long)TCB_temp.DX﹤﹤32, (long long)(TCB_temp.DY | (long long)TCB_temp.DP﹤﹤32));
        __builtin_sysreg_write4(__DCD0, q);
        asm("nop;;");
        asm("nop;;");
        return temp;
        }
       
        2.3　可靠性设计
       
        　　主DSP是采用Eprom加载，必须从Flash的0x00地址开始；从DSP的程序位置放在Flash的第20个block段；数据库信息位置放在第50个block段。为了增加远程更新的可靠性，采用了以下方法：
       
        ① 把大量的数据分包，每1小包添加报头和校验位。信号处理机和监控中心采用握手的方式，信号处理机每接收到1小包的数据即进行校验，并回馈信息给监控中心，监控中心根据接收的信息判断是继续发送下1包还是重发本包。
       
        ② 奇偶校验和CRC校验相结合。单一的奇偶校验出错的概率还是很高的，本系统在奇偶校验的基础上，又加上了CRC校验，增强数据的可靠性。
       
        ③ 网络堵塞、断开或者串口的误码都会造成数据错误，而造成更新不成功，为了节省资源和增加更新的成功率，设计软件支持断点续传。信号处理机软件在接收数据包的过程中，如果遇到突发情况，只要在不断电的情况下，软件将自动保存所有已经接收完成的数据包，当重新接收远程更新命令时，通过协议要求中心软件发送的数据包号，实现断点续传。当然，协议中制定了监控中心可以停止远程更新，要求信号处理机重新开始新一次的远程更新。
       
        ④ 数据库分段，让更新时数据库文件大小可调整，每次只更新需要的部分，尽量节省资源。全部的数据库信息比较大，往往只需要更新其中的部分或者小部分，所以根据内容和经验，本系统把数据库分为了6段，分别把6段数据文件放在Flash的6个block中，这样远程更新就更具灵活性，远程传送的数据量也得到了控制，增强了远程更新成功的可靠性。
       
        ⑤ 从DSP用Link口加载，可以实现可靠的多次更新。即使更新过程中遇到突发情况导致更新不成功，主DSP仍然工作正常，可以再次接收更新指令，重新更新从DSP，直至更新成功。
       
        2.4　测试和结果
       
        　　本系统设计的远程更新包括两个类型：数据库和程序。更新文件大小均可改变。对于数据库文件测试，从1包到800包均进行了大量的测试。结果显示，在网络正常的情况下，基本均能更新成功；在网络繁忙的时段，500包以下的数据文件，更新成功率大于95%，500包以上的更新成功率也大于90%。测试结果显示此远程更新的设计能满足实际应用的需求。
       
        结论
       
        　　本文详细地描述了远程更新嵌入式软件和数据库的方法，提出了程序分片更新、数据库部分更新的新方法。有一点需要注意，在主片程序更新过程中，还是有不能断电的要求。所以设计时，把需要在线维护和程序升级的软件部分放在从DSP，在实际应用中主要进行从DSP的更新。这样，整个嵌入式系统的远程更新功能的可靠性得到了很大的提高。
       
        　　此应用设计已经成功应用在某型号研制的设计中，在实际的测试和应用试验中，远程的数据库更新和程序更新成功率均达到90%以上，完全满足应用需求。