嵌入式操作系統(tǒng)自更新機(jī)制的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

　　隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,必不可少的維護(hù)工作變得日益繁重。如移動(dòng)電話在用戶(hù)使用過(guò)程中，部分未能在軟件研發(fā)階段發(fā)現(xiàn)的缺陷會(huì)逐漸暴露,不可避免地增加了維護(hù)成本。又如在設(shè)備運(yùn)行期間,用戶(hù)往往會(huì)基于原有軟硬件對(duì)產(chǎn)品提出新功能或更高的性能要求，這對(duì)軟件重用性提出了挑戰(zhàn)。在移動(dòng)設(shè)備數(shù)量較多, 而且使用地點(diǎn)無(wú)法預(yù)知的情況下, 采用傳統(tǒng)的人工更新方式會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力。自更新技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中分為兩個(gè)相互聯(lián)系又相互獨(dú)立的階段：首先是將更新包下載至本地移動(dòng)設(shè)備中，然后在本地移動(dòng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)自更新。

　　將自更新技術(shù)嵌入RTOS中的關(guān)鍵在于自更新后系統(tǒng)啟動(dòng)的穩(wěn)定性。嵌入式移動(dòng)系統(tǒng)一般都有獨(dú)立的bootloader對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化并引導(dǎo)加載內(nèi)核。這種啟動(dòng)基于bootloader，該自更新機(jī)制決定了bootloader不僅僅起到加載內(nèi)核鏡像這一基本功能，而是被看作是一個(gè)虛擬系統(tǒng)。

　　1 自更新機(jī)制的架構(gòu)

　　支持自更新功能的嵌入式系統(tǒng)由服務(wù)器端和客戶(hù)端兩部分組成。服務(wù)器端通過(guò)OMA協(xié)議，與客戶(hù)端建立無(wú)線連接?？蛻?hù)端采用基于ARM9的微處理器,配有8MB的RAM和32 MB的NOR Flash存儲(chǔ)器,及其他相關(guān)外圍設(shè)備，具有相對(duì)可見(jiàn)的bootloader程序。自更新機(jī)制架構(gòu)如圖1所示。

圖1 自更新機(jī)制架構(gòu)圖

　　自更新機(jī)制總體流程如下： a. 設(shè)備廠商根據(jù)需求，生成包括升級(jí)到新版本或返回到舊版本的多個(gè)更新包。b. 這些更新包將被送至無(wú)線服務(wù)提供商處進(jìn)行統(tǒng)一管理，并最終將更新包提供給用戶(hù)。c. 在更新包提供給用戶(hù)前，每個(gè)單獨(dú)的移動(dòng)設(shè)備將會(huì)選擇最優(yōu)方案（即網(wǎng)絡(luò)提供商）。d. 服務(wù)器端通過(guò)傳輸機(jī)制(如OMADL 1.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)或網(wǎng)絡(luò)提供商標(biāo)準(zhǔn))與客戶(hù)端建立會(huì)話連接，客戶(hù)端將下載并存儲(chǔ)更新包。e. 更新應(yīng)用程序?qū)⑴c用戶(hù)交互以獲得更新權(quán)限并進(jìn)入更新進(jìn)程。整個(gè)更新過(guò)程由bootloader完全控制，直到更新成功。f. 更新后的目標(biāo)設(shè)備重啟，并將更新結(jié)果發(fā)送至服務(wù)器端。

　　2 更新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　2.1 Flash 存儲(chǔ)器的布局

　　原有嵌入式系統(tǒng)Flash存儲(chǔ)器的布局如圖2(a)所示。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)從Flash的首地址開(kāi)始執(zhí)行，而bootloader和RTOS都位于code區(qū)，也就是bootloader并不獨(dú)立于內(nèi)核。將原本與代碼區(qū)相鄰的文件系統(tǒng)區(qū)后移，用于存儲(chǔ)更新包。這種布局也是很多嵌入式系統(tǒng)所采用的，尤其是許多商業(yè)系統(tǒng)。系統(tǒng)在更新過(guò)程中根據(jù)自更新算法與原有代碼區(qū)進(jìn)行比對(duì)，燒寫(xiě)到Flash中。這種Flash部署方法有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，就是沒(méi)有考慮到更新過(guò)程中可能遇到的突發(fā)事件。比如，在更新過(guò)程中因?yàn)椴豢深A(yù)料的掉電使得燒寫(xiě)錯(cuò)誤,完全可能導(dǎo)致軟件更新后系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng),出現(xiàn)這種情況后必須人工重新燒寫(xiě)原有軟件。

圖2 存儲(chǔ)器布局

　　為了在原有基礎(chǔ)上使系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性與擴(kuò)展性,需要對(duì)Flash進(jìn)行重新布局, 如圖2(b)所示。將代碼區(qū)劃分為兩個(gè)區(qū)域：bootloader區(qū)，這個(gè)區(qū)域不可被擦寫(xiě)更新；RTOS區(qū)域，存放內(nèi)核及應(yīng)用程序。將更新包存儲(chǔ)區(qū)設(shè)計(jì)為4部分。其中一個(gè)用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)啟動(dòng)和更新過(guò)程的標(biāo)識(shí)參數(shù)，這些數(shù)據(jù)極為重要，掉電后仍需保存于Flash中。另一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)用于存放更新時(shí)用到的更新包, 稱(chēng)為更新包區(qū)。第三個(gè)區(qū)域存儲(chǔ)下載的更新包,稱(chēng)為更新包備份區(qū)。最后一個(gè)區(qū)域存放設(shè)備出廠時(shí)的軟件版本。bootloader固定在第一個(gè)分區(qū),這樣的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，涵蓋了更新算法。為了使人機(jī)接口更人性化，此區(qū)域包括LCD及其控制器的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序，使更新過(guò)程對(duì)用戶(hù)可見(jiàn)。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)設(shè)置異常向量表，初始化內(nèi)存、堆棧指針寄存器、I/O器件、系統(tǒng)需求的RAM變量，使能中斷,然后根據(jù)啟動(dòng)地址和更新標(biāo)識(shí)這兩個(gè)參數(shù)跳轉(zhuǎn)執(zhí)行相應(yīng)代碼，每次更新都不改變bootloader區(qū)域的內(nèi)容。其中，啟動(dòng)地址指向bootloader要執(zhí)行的代碼,更新標(biāo)識(shí)用于記錄更新階段。

　　2.2 更新進(jìn)程的設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)每次啟動(dòng)后, 服務(wù)器端主動(dòng)報(bào)告當(dāng)前有無(wú)可更新的軟件包。如果客戶(hù)端響應(yīng)并發(fā)起會(huì)話，則隨后檢查Flash上的更新包備份區(qū),存儲(chǔ)下載的更新包，并更新標(biāo)識(shí)。為了增強(qiáng)傳輸過(guò)程的安全性, 在應(yīng)用層設(shè)計(jì)一套具有校驗(yàn)、確認(rèn)和斷點(diǎn)續(xù)傳功能的收發(fā)協(xié)議, 以保證數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地通過(guò)移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸?shù)娇蛻?hù)端。

　　當(dāng)更新包下載完畢后, 先將更新包由備份區(qū)拷貝至更新包區(qū)，更新進(jìn)程根據(jù)已經(jīng)設(shè)定的代碼區(qū)在Flash中的地址,調(diào)用Flash的讀寫(xiě)函數(shù)通過(guò)比對(duì)算法將更新包寫(xiě)入代碼區(qū)。更新結(jié)束后設(shè)置標(biāo)識(shí),如果由于某種原因沒(méi)有更新成功則標(biāo)識(shí)位不變,系統(tǒng)復(fù)位后繼續(xù)更新直到更新成功?？蓞⒖既缦麓a：

　　更新進(jìn)程的程序流程如圖3 所示。

圖3 更新進(jìn)程流程

2.3 更新后的啟動(dòng)流程

　　通過(guò)以上更新流程,系統(tǒng)完成了一次軟件版本的升級(jí)。重新部署Flash后，客戶(hù)端具有相對(duì)獨(dú)立的bootloader,并固化在Flash的低地址處,能夠保證系統(tǒng)啟動(dòng)后總是先進(jìn)入bootloader。bootloader通過(guò)讀取對(duì)比標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)區(qū)的啟動(dòng)地址參數(shù)來(lái)跳轉(zhuǎn)執(zhí)行代碼。在正常情況下, 啟動(dòng)地址總是指向RTOS。當(dāng)更新完成重新啟動(dòng)客戶(hù)端后, bootloader便會(huì)引導(dǎo)新的鏡像文件。

　　為了確保軟件更新后系統(tǒng)啟動(dòng)的穩(wěn)定性,通過(guò)設(shè)計(jì)異常處理程序來(lái)加載代碼備份存儲(chǔ)區(qū)的文件防止系統(tǒng)癱瘓。當(dāng)bootloader引導(dǎo)更新后的鏡像文件失敗后, 系統(tǒng)進(jìn)入異常處理函數(shù), 在此函數(shù)中將啟動(dòng)地址指向代碼備份區(qū),并設(shè)置標(biāo)識(shí)位。代碼備份區(qū)保存的是設(shè)備出廠時(shí)最初版本的image文件，具有非常高的穩(wěn)定性，這樣就保證系統(tǒng)功能正常運(yùn)行,并確保服務(wù)器端與客戶(hù)端正常通信。異常處理流程如圖4所示。

圖4 異常處理流程圖

　　當(dāng)軟件更新過(guò)程中遇到致命異常時(shí)，通過(guò)異常處理程序,系統(tǒng)能夠重新啟動(dòng)備份的軟件版本, 有效地提高了嵌入式系統(tǒng)自更新機(jī)制的安全性, 避免了系統(tǒng)徹底崩潰。

　　3 測(cè)試

　　為了評(píng)估自更新機(jī)制的穩(wěn)定性和安全性，確保其適用于真實(shí)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試應(yīng)盡可能覆蓋現(xiàn)實(shí)情況中可能遇到的情況。用戶(hù)能看到的升級(jí)性能主要有更新包下載時(shí)間和自更新時(shí)間。設(shè)備廠商關(guān)注的是高穩(wěn)定性和安全性，以及更新包所占Flash的比例。測(cè)試中應(yīng)考慮到各種版本，制作測(cè)試矩陣，然后按順序測(cè)試，包括回退更新。

　　在一個(gè)實(shí)際運(yùn)行的移動(dòng)設(shè)備中驗(yàn)證和測(cè)試更新機(jī)制的性能。首先測(cè)試更新進(jìn)程的通信狀況。結(jié)果表明, 每次均能正確地與服務(wù)器端建立會(huì)話，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；更新包均能通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確下載并存儲(chǔ)至客戶(hù)端。測(cè)試的重點(diǎn)是系統(tǒng)更新結(jié)束后新程序啟動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性。對(duì)軟件更新過(guò)程進(jìn)行干擾,以測(cè)試bootloader能否正確啟動(dòng)。測(cè)試中模擬了兩大類(lèi)情況:一類(lèi)是更新包隨機(jī)挑選版本的相互升級(jí),另一類(lèi)是人為設(shè)置導(dǎo)致更新包出現(xiàn)不能啟動(dòng)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù),然后進(jìn)行升級(jí)。設(shè)計(jì)三種具體方案進(jìn)行測(cè)試, 每個(gè)方案測(cè)試30 次,查看系統(tǒng)能否按預(yù)期結(jié)果啟動(dòng)程序。測(cè)試方案及結(jié)果如表1所列。

表1 啟動(dòng)可靠性測(cè)試結(jié)果

　　從測(cè)試結(jié)果看出, 系統(tǒng)更新后,每次均能正確啟動(dòng)程序；此外,更新機(jī)制對(duì)代碼區(qū)具有較強(qiáng)的修復(fù)能力,防止了由于數(shù)據(jù)異常而導(dǎo)致的無(wú)法啟動(dòng)。本更新機(jī)制能有效地提高嵌入式軟件更新后重新啟動(dòng)的穩(wěn)定性和可靠性。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文提出了一種具有較高穩(wěn)定性和安全性、基于bootloader的嵌入式軟件自動(dòng)更新機(jī)制。該更新機(jī)制同時(shí)保存了3個(gè)文件, 需要較多的Flash存儲(chǔ)空間，但同時(shí)降低了維護(hù)成本。其創(chuàng)新點(diǎn)在于設(shè)置1個(gè)標(biāo)識(shí)區(qū)、3個(gè)程序存儲(chǔ)區(qū)并設(shè)計(jì)了異常機(jī)制,提高了嵌入式系統(tǒng)更新過(guò)程的穩(wěn)定性,尤其能夠有效地防止軟件更新后系統(tǒng)啟動(dòng)失敗的情況,具有較高的實(shí)用價(jià)值。