胡小玉，劉國輝

(武漢郵電科學(xué)研究院研究生院光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

在MSAP(多業(yè)務(wù)接入平臺(tái))系統(tǒng)中，要對(duì)位于基站中的設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，就必須安排工程人員去現(xiàn)場(chǎng)，這種升級(jí)方式浪費(fèi)了大量的人力和物力，增加了后期的設(shè)備維護(hù)成本。

單片機(jī)(In Application Programming，IAP)技術(shù)的出現(xiàn)，有效地簡化了應(yīng)用程序的升級(jí)過程，降低了后期維護(hù)的成本。本文根據(jù)IAP原理，研究并給出了該方案在嵌入式微控制器SST89E516RD2中的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)和程序流程。該實(shí)現(xiàn)技術(shù)在SSDX公司的MSAP系統(tǒng)嵌入式程序的修改和升級(jí)中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證，具有簡單、便捷、可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 SST微控制器介紹

SST89E516RD2芯片是基于51內(nèi)核的8位單片機(jī)，它包含1 kbyte的片內(nèi)RAM和72 kbyte的片內(nèi)ROM［1］。片內(nèi)ROM分為2個(gè)存儲(chǔ)塊，主存儲(chǔ)塊Block 0占用64 kbyte，次存儲(chǔ)塊Block 1占用8 kbyte。整個(gè)內(nèi)部程序空間被限制為64 kbyte，SFCF［1∶0］用于控制存儲(chǔ)塊的切換，如圖1 所示。

圖1 SST89E516RD2片內(nèi)ROM空間配置圖

SST89E516RD2允許駐留于某一個(gè)存儲(chǔ)塊中的IAP程序?qū)α硪粔K存儲(chǔ)塊進(jìn)行重編程操作，而絕不允許對(duì)同一個(gè)存儲(chǔ)塊中的任意地址進(jìn)行重編程操作。要實(shí)現(xiàn)在線升級(jí)的功能，必須用支持在線升級(jí)的IAP程序替換原來的ISP程序，用來引導(dǎo)在線升級(jí)程序。

2 MSAP升級(jí)系統(tǒng)

2.1 MSAP升級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

升級(jí)系統(tǒng)主要組成部分是網(wǎng)管中心、傳輸網(wǎng)絡(luò)和MSAP設(shè)備。傳輸網(wǎng)絡(luò)可以是PSTN(公共電話交換網(wǎng))、互聯(lián)網(wǎng)等傳輸網(wǎng)絡(luò)，用來承載中心機(jī)房到設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。MSAP系統(tǒng)由網(wǎng)管設(shè)備和終端設(shè)備構(gòu)成，網(wǎng)管設(shè)備用于接收網(wǎng)管中心發(fā)送來的升級(jí)程序，終端設(shè)備即為要升級(jí)程序的對(duì)象，升級(jí)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)框圖

2.2 單片機(jī)與片外Flash的連接方式

SST89E516RD2單片機(jī)自帶高速異步串行口，支持IAP下的并行操作，所以本系統(tǒng)硬件組成較簡單。除單片機(jī)之外，只需要擴(kuò)展1片F(xiàn)lash用來存儲(chǔ)升級(jí)的程序文件，單片機(jī)其他外圍電路按照設(shè)備功能需求設(shè)計(jì)，單片機(jī)與片外Flash的連接方式如圖3所示。片外Flash采用SST25VF080B芯片［2］，它的存儲(chǔ)空間為1 Mbyte，最小擦除塊的容量為4 kbyte。單片機(jī)與片外Flash采用SPI總線進(jìn)行通信，對(duì)片外Flash的讀寫、擦除等操作只需要使用相應(yīng)的命令字即可，SST25VF080B常用功能表如圖4所示。

圖3 連接圖

圖4 SST25VF080B常用功能表

片外Flash首地址00000H～01000H存儲(chǔ)升級(jí)保護(hù)標(biāo)志。地址01000H～5F000H分配給出廠時(shí)的配置和用戶最近一次的配置。隔離區(qū)用于保證存儲(chǔ)文件的獨(dú)立性。地址60000H～80000H分配給應(yīng)用程序文件存儲(chǔ)區(qū)，其中程序文件A存儲(chǔ)出廠程序，程序文件B存儲(chǔ)接收到的升級(jí)程序［3-4］。根據(jù)以上分析，將外部Flash做如圖5所示的邏輯劃分。

圖5 SST25VF080B內(nèi)存分配

2.3 MSAP系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級(jí)程序設(shè)計(jì)

2.3.1 遠(yuǎn)程升級(jí)流程

PC網(wǎng)管軟件選擇一個(gè)子業(yè)務(wù)卡進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)，通過FTP協(xié)議發(fā)送升級(jí)數(shù)據(jù)包給網(wǎng)管盤，網(wǎng)管盤將接收到的升級(jí)數(shù)據(jù)包校驗(yàn)OK后存儲(chǔ)至ARM的Flash中。網(wǎng)管盤發(fā)送復(fù)位指令將子業(yè)務(wù)卡的MCU復(fù)位，單片機(jī)復(fù)位啟動(dòng)后進(jìn)入IAP引導(dǎo)程序模式，準(zhǔn)備進(jìn)行升級(jí)。

2.3.2 單片機(jī)IAP程序流程

1)單片機(jī)IAP程序主循環(huán)處理流程

單片機(jī)復(fù)位后，從Block 1中運(yùn)行IAP程序。當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行IAP程序時(shí)，先判斷保護(hù)標(biāo)志是否有效，如果該標(biāo)志有效，表示上一次升級(jí)過程中遇到故障(斷電等異常情況)，則單片機(jī)自動(dòng)將程序恢復(fù)至出廠程序。否則單片機(jī)主程序待機(jī)15 s，等待單片機(jī)處理串口中斷接收到的數(shù)據(jù)，判斷是否有升級(jí)任務(wù)。如果有升級(jí)任務(wù)，則將單片機(jī)升級(jí)標(biāo)志置為有效，如果該標(biāo)志有效，則單片機(jī)IAP主程序待機(jī)15 min，等待在線升級(jí)完成。升級(jí)完成后，開啟看門狗等待單片機(jī)復(fù)位。單片機(jī)IAP程序主循環(huán)運(yùn)行如圖6所示。

2)單片機(jī)IAP程序中斷處理流程

圖6 單片機(jī)IAP程序流程圖

網(wǎng)管盤收到文件傳輸命令后，發(fā)送一幀文件傳輸開始的指令，將待升級(jí)的應(yīng)用程序包分解成適合本系統(tǒng)私有協(xié)議傳輸?shù)男《?，按照文件塊序號(hào)逐段發(fā)送給子業(yè)務(wù)卡，子業(yè)務(wù)卡收到數(shù)據(jù)包，CRC校驗(yàn)無誤后將單片機(jī)升級(jí)標(biāo)志置為有效，并開始擦除片外Flash文件B部分的塊。程序文件傳輸中，MCU開始接收數(shù)據(jù)，此時(shí)單片機(jī)將接收到的程序文件寫入片外Flash從文件B部分的塊;程序傳輸結(jié)束時(shí)，MCU將升級(jí)文件的文件名、文件長度和文件CRC16的校驗(yàn)和寫入片外Flash從7FFFFH～80000H部分的扇區(qū)，共4 kbyte，單片機(jī)對(duì)接收到的文件整體校驗(yàn)，發(fā)送應(yīng)答幀通知網(wǎng)管盤校驗(yàn)結(jié)果。

網(wǎng)管盤收到執(zhí)行升級(jí)命令后，通知子業(yè)務(wù)卡準(zhǔn)備執(zhí)行升級(jí)。單片機(jī)會(huì)先運(yùn)行Block 1的IAP程序，校驗(yàn)升級(jí)的應(yīng)用程序文件，如果校驗(yàn)通過，將保護(hù)標(biāo)志置為有效。然后開始擦除單片機(jī)片內(nèi)ROM整個(gè)Block 0的塊，當(dāng)SFST寄存器的標(biāo)志位置位后，表示擦除完成。接著，單片機(jī)將片外Flash存儲(chǔ)區(qū)B中的升級(jí)文件讀出并寫入到單片機(jī)片內(nèi)ROM的Block 0塊中，開啟看門狗，等待單片機(jī)復(fù)位，整個(gè)升級(jí)程序完成。

當(dāng)開門狗溢出后，單片機(jī)復(fù)位令升級(jí)標(biāo)志也復(fù)位，單片機(jī)程序跳轉(zhuǎn)到Block 0起始位置運(yùn)行。單片機(jī)程序正常運(yùn)行后將保護(hù)標(biāo)志復(fù)位。執(zhí)行程序升級(jí)模塊如圖7所示。

圖7 單片機(jī)IAP程序中斷處理流程

2.3.3 網(wǎng)管盤與子業(yè)務(wù)卡的通信設(shè)計(jì)

網(wǎng)管盤與子業(yè)務(wù)卡之間的SPI通信采用SSDX私有協(xié)議，該協(xié)議具有一定的糾錯(cuò)機(jī)制和異常處理機(jī)制。在網(wǎng)管盤ARM與子業(yè)務(wù)卡MCU通信中采用發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，確認(rèn)一幀數(shù)據(jù)，收到錯(cuò)幀，請(qǐng)求重發(fā)的通信形式［5］。SSDX私有協(xié)議設(shè)計(jì)的SPI通信幀最大幀長不超過500 byte，接收程序可以通過文件塊序號(hào)n在終端進(jìn)行文件整理組合，單片機(jī)發(fā)送應(yīng)答幀給網(wǎng)管盤通知文件塊n接收OK，否則網(wǎng)管盤重傳文件塊5次，如果5次以內(nèi)傳送失敗，則標(biāo)志此次升級(jí)失敗。SSDX私有協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式如圖8所示。

圖8 SSDX私有協(xié)議幀格式

幀頭:表示數(shù)據(jù)包的開始，固定為0xFE，0xFA 2個(gè)字節(jié)。

子卡地址:表示子卡在1個(gè)MSAP網(wǎng)元中的位置。

命令字:文件傳輸命令還是執(zhí)行升級(jí)命令。

指令值:命令字的子命令。如果命令字是文件傳輸命令，則指令值有傳輸開始、傳輸中、傳輸結(jié)束3個(gè)指令;如果命令字是升級(jí)命令，則指令值就是執(zhí)行在線升級(jí)指令。

文件塊序號(hào):表示升級(jí)程序所分割的報(bào)文所處的序號(hào)。

文件塊內(nèi)容:程序內(nèi)容字節(jié)。

CRC16校驗(yàn)和:一幀數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和，采用CRC16校驗(yàn)。

2.3.4 單片機(jī)IAP主要函數(shù)代碼

單片機(jī)在進(jìn)行升級(jí)過程中，對(duì)片內(nèi)ROM主要進(jìn)行塊擦除和字節(jié)編程操作，該操作的程序代碼如下所示:

//單片機(jī)片內(nèi)ROM塊擦除函數(shù)

Void block Erase(void)

{

SFCF|=0x40; //IAP功能使能

SFAH=0x00; //擦除的塊為Block 0

SFDT=0x55;

SFCM=0x0D;

SFCF=SFCF& ～0x40;//IAP功能禁止

}

//單片機(jī)片內(nèi)ROM字節(jié)編程函數(shù)

Void SST_byte_program(unsigned short dataAddr，

unsigned char dataByte)

{

SFCF=SFCF|0x40;//IAP功能使能

SFAH=dataAddr＞ ＞8;

SFAL=dataAddr;//裝入地址SFDT=dataByte;//填入數(shù)據(jù)

SFCM=0x0D; //填入字節(jié)編程命令

while(SFST&0x40){;}

SFCF=SFCF& ～0x40;//IAP功能禁止

return;

}

單片機(jī)對(duì)片外Flash的操作主要用到擦除片外Flash塊函數(shù)和讀片外Flash數(shù)據(jù)函數(shù)［6］，通過單片機(jī)與片外Flash的SPI讀指令(spi_SendByte)和寫指令(spi_Read-Byte)向SST25VF080B發(fā)送相應(yīng)的命令字，各常用功能命令字如圖3所示。它們的程序源代碼如下所示:

//擦除以Dst為起始地址大小為64 k的塊

void FlashBlock_Erase(unsigned long Dst)

{

spi_SendByte(0xD8);//一次擦除64 k的塊

spi_SendByte(((Dst&0xFFFFFF)＞＞16));

spi_SendByte(((Dst&0xFFFF)＞＞8));

spi_SendByte(Dst&0xFF);

Wait_Busy();

}

//讀取地址Dst的數(shù)據(jù)

unsigned char FlashRead(unsigned long Dst)

{

spi_SendByte(0x03);//讀命令

spi_SendByte(((Dst&0xFFFFFF)＞＞16));

spi_SendByte(((Dst&0xFFFF)＞＞8));

spi_SendByte(Dst&0xFF);

return(Spi_ReadByte());//返回值

}

3 測(cè)試結(jié)果

按照上述的升級(jí)系統(tǒng)搭建好測(cè)試環(huán)境后，將MCU的IAP程序下載到Block 1中，通過PC網(wǎng)管對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)。測(cè)試結(jié)果證明子業(yè)務(wù)卡的軟件版本能夠成功地進(jìn)行更新，如圖9所示。在遇到異常情況時(shí)，如升級(jí)的過程中出現(xiàn)斷電故障，子業(yè)務(wù)卡能自動(dòng)恢復(fù)到出廠程序運(yùn)行，等待再次響應(yīng)網(wǎng)管中心下達(dá)升級(jí)命令，直至升級(jí)成功。

圖9 升級(jí)前后版本對(duì)比圖(截圖)

4 結(jié)論

本方案以SST89E516RD2芯片的IAP功能為基礎(chǔ)，利用擴(kuò)展的Flash存儲(chǔ)分區(qū)，提供了一種MSAP系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線升級(jí)的方法，有效地降低了后期設(shè)備的維護(hù)成本。本方案在SSDX的MSAP系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中得到了用戶很高的評(píng)價(jià)，大大增加了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］SST89E516RD2［EB/OL］.［2012-05-25］.http://wenku.baidu.com/view/d542fc0cf12d 2af90242e6ba.html.

［2］SST25VF080B［EB/OL］.［2012-05-25］.http://wenku.baidu.com/view/e5b7a579168884868762d6aa.html.

［3］趙炯，賈培源，李中山，等.嵌入式設(shè)備遠(yuǎn)程在線升級(jí)技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2010，36(12):262-264.

［4］曾浩，呂華，王銘偉.IPTV機(jī)頂盒升級(jí)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，2010，34(5):54-56.

［5］鄧中亮，孫靜.嵌入式設(shè)備在線系統(tǒng)升級(jí)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30(13):3085-3087.

［6］邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.