器件与应用 PARTS ＆ APPLICATIONS ］ 【本文献信息】方冲，任海兰，王成丽 . 基于 MCU 的嵌入式在线升级系统的设计与实现［ ． 电视技术， J 2012 ( ， 36 ) 5 ． 基于 MCU 的嵌入式在线升级系统的设计与实现 ( 武汉邮电科学研究院研究生院 光纤通信技术和网络国家重点实验室，湖北 武汉 430074) 方 冲，任海兰，王成丽 【摘 要】在基于 MCU 的嵌入式应用中，应用程序一般是通过仿真器烧写到片内存储器中的，该方式的缺点是应用程序的更新 和升级必须依赖仿真器，而且程序一旦更新不成功，会破坏原有的程序。为了解决此问题，在 Xmodem 通信协议的基础上，设计 了一种基于 MCU 的嵌入式在线升级系统，并给出了该系统的详细设计流程。 【关键词】MCU 【中图分类号】TP316 Xmodem 协议; 软件架构 【文献标识码】A ; 在线升级; Bootloader ; Design and Realization of Embedded Online－upgrade System Based on MCU ( SKL of OCTN FANG Chong ， REN Hailan ， WANG Chengli ， Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications ， Wuhan 30074 ) ， China 【Abstract】In the embedded application system based on MCU ， the application program is commonly written to internal memory by emulator ， in which the update and upgrade of the application program must rely on emulator ， and once there is a failure of program update ， the old program will be de- stroyed． To resolve the problem mentioned above ， on the basis of Xmodem protocol ， a online－upgrade system based on MCU is designed ， and the design process of this system is discussed in detail in this paper． 【Key words】MCU ; online－upgrade ; Bootloader ; Xmodem protocol ; software framework 在嵌入式系统投入实际环境运行后，一旦用户有新的需 求或者原有系统出现问题时，就需要嵌入式系统在不断电或 保持系统正常运行的情况下，能够通过外围接口( 口，网 口或串口) 实现对自身程序的更新，完成系统的在线升级 JTAG 。 1－2 。 1b 所示 双系统 ］，如图 Bootloader 1a 结构［ 3－4 随着在线升级越来越多的应用到嵌入式系统中，一 些在线升级方案逐渐被提出，当前嵌入式在线升级的方案 主要有两种典型的软件架构: 一是在 中嵌入通 信模块，对应用程序运行区直接进行更新［ 所 示; 二是用两个应用程序进行切换，即 ］， 如图 其中第一种软件架构的特点是结构简单 、 易于实现但可靠性不高，第二种软件架构的特点是可靠性 高，但实现起来较为复杂，所占资源较多 结合这两种解 决方案的特点及其适用范围，本文在第一种软件架构的基 础上提出了一种可靠性好 灵活度高的在线升级解决方 、 案，并给出了其具体的实现 1 在线升级系统的整体设计 ” “ 。 。 为了适应对可靠性 灵活性要求较高的嵌入式应用 、 系统，设计了一种改进的方案，其软件架构由 Bootloader 工程和应用程序工程构成，如图 的主 要区别如下: 一是增加了应用程序的备份区，每次升级时 首先拷贝至备份区，而不直接覆盖运行区程序，这样 通 信 其与图 所示 。 1a 2 基金项目: 国家 863 计划项目( 2007AA01Z229) 22 《电视技术》第 36 卷第 5 期( 总第 380 期) |投稿网址 http: www．VideoE．cn 图 1 升级系统典型的软件架构 过程中出现错误不会导致破坏原有程序，提高了升级的可 靠性; 二是将升级过程划分为两个阶段，第一阶段将应用程 序拷贝至备份区，第二阶段完成备份区到运行区的拷贝，以 便用户灵活的控制升级传输与完成升级的时机，提高了升 级的灵活性; 三是将 划分为不同的功能模块，这 样只需要根据不同的硬件平台完成相关的驱动及系统初 始化模块即可完成此系统的移植，提高了的通用性 Bootloader 。 此系统的主要工作流程为: ) 1 Bootloader 通过仿真器 

器件与应用 PARTS ＆ APPLICATIONS ) ，为了方便升级，在此设计了二级中断向量，完成系 根据以上分 FFFF 统中断向量到自定义二级中断向量的映射 析，可对 作如下分割( 逻辑划分) : 。 Flash MYM8000－ MYMC000 ; kbyte MYM8000－ MYMC000 ; kbyte ( ( Page E0 － E3 ) 应 用 程 序 运 行 区，共 Code Page E4 － E7 ) 应 用 程 序 备 份 区，共 Code 64 64 MYM8000－MYMA000 ( Page FC ) 应用程序 ) 应用程序 Page FC 运行区，共 备份区，共 ; 8 kbyte ; 8 kbyte Lib Lib MYMA000－MYMC000 MYM8000－MYMC000 ; kbyte ( ( ( MYM8000－MYMC000 ( MYM8000－MYM9800 Page F8 － F9 ) Bootloader Code 运 行 区，共 32 Page FA－FB ) Bootloader Code 备份区， 32 kbyte ; ) Page FE Bootloader Lib 运行区，共 ; 6 kbyte ; 6 kbyte MYM9800－MYMB000 ( ) Page FE MYMB000－MYMB800 ( ) Page FE Bootloader Lib 运行区，共 Isr 备份区，共 ; 2 kbyte MYMB800－MYMC000 其中中断向量是两个工程所共用的，分配其存储区 Page FE 2 kbyte Isr ( ) 备份区，共 ; 。 时只需要划分一组 3 Bootloader 的设计与实现 3． 1 Bootloader 程序设计流程 3 4 划分为 Bootloader 通信模块 在此系统中， 升级控制模块 、 所示 。 串口的初始化 、 个模块，系统初始化 命令行模块，其 模块 、Xmodem 、 系统初始化模块主要完成时钟的初 流程图如图 中断的初始化以及定时器的初始化， 始化 、 为其他模块的运行准备条件; 升级控制模块主要完成应用 程序备份区到运行区拷贝的操作，以及应用程序的引导， 或者升级第二阶段拷贝失败时， 当系统中只有 会保持在 通信模块 实现了系统同上位机的通信; 命令行模块提供给用户灵活 控制升级的接口，下面详细介绍 通信模块及命令 行模块的实现 3． 2 Xmodem 通信模块的实现 的主循环中运行; Bootloader Bootloader Xmodem Xmodem 。 。 协议是一种串口通信中广泛用到的异步文 两种，前 分为标准 ， Xmodem 件传输协议 者以 1 kbyte 并且每个块都使用一个校验和过程来进行错误检测 为帧头( 1k－Xmodem 字节块的形式传输数据，后者字节块为 协议的格式如图 其中， Xmodem 所示 128 和 。 Xmodem 。 字节) ; 信息包序号为当前信息包号( 4 SOH 字节) ，范围为 1 ; 信息包序号的补码为当前信息包号的补码( 255 数据区段为数据区段的长度固定为 则为 字节) ; 算术校验和为 Xmodem 验和，只对数据区段计算后对 1 024 取模( 如果是 256 1k－Xmo- 1 128 0 ～ 字节) ; 1 字节( 如果是 1k－ 字节的算术校 1 MCU 图 2 在线升级系统的软件架构 中，其作用是完成应用程序的升级及其引导; 烧写到 ) 新的应用程序在用户启动升级后，通过 或原应 2 Bootloader ) 对系 用程序中的通信协议模块拷贝到应用程序的备份区; 3 统进行复位( 跳转到 中 的升级模块实现新应用程序对原应用程序的替换，并跳转到 应用程序执行区的起始地址，完成了应用程序的升级 2 系统的软硬件平台及存储分配 2． 1 系统的硬件平台 的起始地址) ，由 Bootloader Bootloader 。 该系统的设计及实现是基于 ［ Freescale MC9S12XD256 ］ 7－8 芯片，该芯片以 的片内 4 kbyte S12 CPU E2PROM 划分为 个 16 Page 为内核，带有 ， 的 14 kbyte ，每个 Page 256 kbyte ，其中 RAM 为 16 kbyte 的片内 ， Flash 的 256 kbyte ，其逻辑地 Flash 址为: MYM4000－MYM8000 ( ) ; Page FD MYM8000－MYMC000 ( Page E0－E7 ， F8－FC ， FE ) ; 。 寄存器，其寻址方式是 Page 寄存器( 相当于偏移地址) ，完 ( ) MYMC000－MYMFFFF Page FF 的 S12 CPU 有一个 Page 寄存器( 相当于基址) 成逻辑地址到物理地址的映射 2． 2 系统的软件平台 + PC 。 该系统的软件环境为 开发工具，采用 CodeWarrior 编译出来的 CodeWarrior 编码的 C 程序文 为了方便下位 。 文件，并自定义 校验部分以保证传输的正确性，关于此 语言进行开发，经过 件，其格式为 ASCII 机进行解析，可以把 其格式，加入 部分细节，请读者查阅相关的文献，在此不作详细阐述 2． 3 存储分配 S－record 文件转化为 格式 CRC ． bin S19 S19 。 经过 CodeWarrior 编译出来的代码，其地址是不连续 文 件，可 将 生 成 的 代 码 分 为 代 码 段 ) ，其中系 ) 的，经过 分 析 ( 中断向量段( 、 Code 统自带的中断向量段地址是不变的( S19 库函数段( 、 Lib ) 2nd ISR MYMFF00 －MYM- dem 则为 校验) 。 CRC 投稿网址 http: www．VideoE．cn |《电视技术》第 36 卷第 5 期( 总第 380 期) 23 

器件与应用 PARTS ＆ APPLICATIONS } ucCurtState ; ucStateChange ; U8 U8 / * / * 当前状态 ． * / 状态改变标志 ． * / ; XMD_STM_ST 根据 Xmodem 的状态机，用 switch 程，并完成每个状态下的处理函数，即可完成 议的接受端 3． 3 命令行模块的实现 。 结构实现其主流 协 Xmodem 命令行模块是升级系统与用户之间的接口，方便用 ) 启 ) 提供对系统进行复位 完成升级文件到 户灵活地控制升级时机，其至少需要提供两个接口: 动 的接口 应用程序备份区的拷贝，第二个接口是系统跳转到 进行文件传输的接口; 其中第一个接口配合 Xmodem Xmodem 。 1 2 Boot- loader 起始地址，完成程序的更新 。 命令行可以实现为，通过匹配命令接口，然后调用其 对应的回调方式，其数据结构定义如下: typedef unsigned char 函数类型 * / ( * prCmdProc ) ( ) ; void / * 定义命令处理回调 typedef struct CLI_CMD_ITEM_st { const char * pcKeyword prCmdProc } CLI_CMD_ITEM_ST prCmdProcRutn ; ; ; 在此系统中，通过一个状态机实现了 提供的超级终端， Xmodem Xmodem 协议的 状态机 接收端，发送端可用 如图 所示 5 。 PC 图 5 Xmodem 状态机 其数据结构定义如下: typedef enum { XMD_STM_START = 0 XMD_STM_WAIT ， XMD_STM_MSGPROC XMD_STM_QUIT ， XMD_STM_CNT } XMD_STM_EN ; typedef struct XMD_STM_st ， { ， / * 开始状态 ． * / 等待及校验状态 ． * / 数据处理状态 ． * / 退出状态 ． * / / * / * / * 24 《电视技术》第 36 卷第 5 期( 总第 380 期) |投稿网址 http: www．VideoE．cn const CLI_CMD_ITEM_ST m_astCmdList { { " fwdl" ， CLI_ProcFWDL } ， ［］ = / * 定义启动 Xmodem 命 { " swrst" ， CLI _ ProcBOOT } 定 义 重 启 系 统 命 令 接 / * 令接口 * / 口 * / } ; 通过实现命令处理函数 CLI_ProcFWDL VOID ( ) ， CLI_ ) 即可完成命令行模块的设计 。 ( ProcSWRST VOID 4 测试结果 1． 0 境后，将 的应用程序通过 PC 升级到运行区，如图 ) 功能性测试 版本升级到 从 般不需要升级 1． 0 1 按照前面所述的硬件结构和软件实现搭建好测试环 版本 Bootloader 机提供的超级终端下载至备份区并 版本的 烧写到 Flash ，将 1． 0 6 。 。 所示 由图 6 版本， 可知，应用程序能够成功的 版本在必要时( 一 2 。 。 1． 1 1． 1 版本 Bootloader ) 稳定性测试 Bootloader ) 也能够升级到 在通信的过程中断电或者取消 的传输，升级标志位不会被置，系统均能够保持 Xmodem 在应用程序的当前版本运行; 在从备份区拷贝至执行区的 过程中断电，当前版本的应用程序被破坏，但系统能够维 ) 循环中运行，由于此过程所 持在 while 需时间很少( 级) ，此种情况发生的概率很小，而且 一旦出现，系统能够通过再次升级，恢复至原应用程序 Bootloader 100 ms 中的 1 ( 。 

3 。 ) 灵活性测试 在此系统中用户可以灵活地控制下 载新程序，以及升级到新程序的时机，在新程序成功下载 到备份区之后，只要用户不发 命令或遇到异常重启， 系统均不会更新至新版本，而保持在当前版本运行 Boot 。 图 6 在线升级系统测试结果 5 结束语 本文结合嵌入式产品的在线升级的需求，对比了两 种升级方案的实现，提出了一种改进的在线升级方案，由 测试结果可以看出，该方案可靠性好 通用性 、 强，设计达到了预期效果 该系统已成功应用于基于 系列单片机的嵌入式系统中，对实际 灵活度高 、 。 Freescale MC9S12XD 的嵌入式应用有一定的参考意义 。 器件与应用 PARTS ＆ APPLICATIONS 处理器 Bootloader 的设计与实现［ ］ ． J 微处理 嵌入式设备在线系统升级的设计与实现［ ］ J ． ， 30 3085－3087． ) : 13 ( 计算机工 ］ 一种针对嵌入式远程升级安全的存储解决方案［ J ． 计 ． ARM7 103－106． 参考文献: ［ ］ 武国平，史仪凯 1 ) : 机， ( ， 31 2010 5 ］ 邓中亮，孙静 ［ 2 ． 程与设计， ］ 尹恒，严华 ［ 3 ． 算机应用， 2009 ( ， 31 ) : 992－994． 4 ］ 王恒，王颋，王泉，等 ［ 4 ． 2011 基于 ］ 制［ J ． 微计算机信息， Bootloader ， 20 : 2007 ［ ］ 聂章龙，王宜怀 5 ． Freescale HC08 计算机工程与设计， ］ 技术［ J ． 57－59． 系列 ， 31 2010 MCU ( ) : 3 ］ 马学文，朱名日，程小辉 ［ 6 ， 31 计算机工程， ［ ］ ． J 2005 ． ( 嵌入式系统中 ) : 7 96－97． 的可靠嵌入式软件远程更新机 集成开发系统的若干关键 518－520． Bootloader 的设计与实现 ［ ］ 孙同景，陈桂友 7 ． Freescale 9S12 十六位单片机原理及嵌入式开发技 术［ M ］ ． ［ ］ 邵贝贝 ． 8 版社， 2004． 北京: 机械工业出版社， 单片机嵌入式应用的在线开发方法［ M 2008． ］ ． 北京: 机械工业出 ? 作者简介: 方 冲( 1987 － ) ，硕士生，主研光纤通信及嵌入式软件; 任海兰( 1970 － ) ，女，博士、研究生导师，主研光纤通信与光电子 技术; 王成丽( 1987 － ) ，女，硕士生，主研光纤通信及嵌入式软件。 责任编辑: 时 雯 收稿日期: 2011－08－16 17 页)  ( 上接第 频序列的运动类型进行划分，并结合原点预测 模板替换 、 和提前终止，从四个方面对 算法进行改进和 仿真结果表明，新改进的算法在维持图像质量基本 优化 不变甚至略有改善的情形下，较大幅度地减少了搜索点 ，能够更好地 数，使得运动估计的时间节省了 满足许多实时场合( 如实时视频监控 物联网) 、 的应用要求，具有较强的实用价值 ， HSIEH H J. Multi－direction search algorithm for block ， 中国图象图形学报， ［ ］ 申舟，李正明，潘天红 7 ］ 基于方向自适应的运动估计混合模板搜索算法［ J . 动估计［ ］ J . ， LIN Y . H. 264 / AVC 中国图象图形学报， 中基于搜索区域划分及评估的运 ［ ］ 丁鑫，樊慧津 6 motion estimation in H. 264 / AVC 可视电话 、 . IEEE Trans. Image Processing ］ 的快速运动估计算法［ J . UMHexagonS 10% ～ 23% 计算机工程 ［ ］ J 242－246. ［ ］ 8 LIN C C 14－20. 88－99. ， 15 ， 16 ， ( 3 2010 2009 2011 。 ) : ) : ) : 1 2 2 ( ( . 。 参考文献: ［ ］ 毕厚杰，王健 1 . 邮电出版社， ［ ］ 2 CHEN Zhibo 新一代视频压缩编码标 H. 264 / AVC ［ M ］ . 北京: 人民 motion estimation for JVT 2009. ， ， HE Yun. Fast integer pel and fractional pel ZHOU Peng ］ ［ C ， 2002. 基于快速运动估计算法 / / Proc ISO / IEC MPEG ＆ ITU －T VCEG 研究 JVT S. l. ［ ］: ］ 的改进和优化［ J . UMHexagonS 6th Meeting. ［ ］ 罗哲 3 . 与开发， 2011 ［ ］ 熊承义，白云 4 ( ) : 3 29－31. ］ 基于方向信息的快速整像素运动估计优化［ J . . 中南 民族大学学报， 2010 ， 29 ［ ］ 杨晓珍，吴延海，王锋 5 . ( ) : 62－67. 1 基于块运动类型的自适应菱形运动估计搜索 ］ 算法［ J . 计算机工程， 2007 ( ， 33 23 ) : 220－222. . ( ［ H. 264 与应用， 基于 ) : 2011 ］ 卢政，卢俊 ］ 杨晓琴，季晓勇 ［ 9 ， 47 4 基于 . ， ( ) : 7 ， FERNANDO W A C SHI Zhiru 技术， 174－175. UMHexagonS 29－31. 2011 ［ ］ 11 10 35 ］ 的快速运动估计算法优化［ J . 电视 ， DE SILVA D V S X. A motion estima- ［ ］ 12 ［ ］ C AVC WU Xiaomin ［ ］ C for H. 264 tion algorithm based on predictive intensive direction search for H. 264 / / / Proc. 2010 ICME. ， ZHU Nanhao. A fast motion estimation algorithm ， XU Weizhang IEEE Press 667－672. S. l. ［ ］: ， 2010 : / / Proc. 2010 ICSAP. ［ S. l. ］: IEEE Press ， : 2010 112－116. ? 作者简介: 杨 齐( 1987 － ) ，硕士生，主要研究方向为视频编解码技术; 李子印( 1978 － ) ，博士，硕士生导师，主要研究方向视频压缩与通 信、图像处理技术。 责任编辑: 时 雯 收稿日期: 2011－10－26 投稿网址 http: www．VideoE．cn |《电视技术》第 36 卷第 5 期( 总第 380 期) 25