嵌入式设备远程在线升级技术

第３６卷　第１２期　３６　・计算机工程　２０１０年６月　Ｊｕｎｅ　２０１Ｏ　Ｎｏ．１２　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　开发研究与设计技术・　文章缩号：１０００－－３４２８（２０１０）１２－　２６２－－－一－０３—　丽而　————　丽　嵌入式设备远程在线升级技术　赵炯，贾培源，李中山，林旺城　（同济大学机械工程学院，上海２０１８０４）　摘要：为了有效降低嵌入式系统的升级和维护成本，根据嵌入式设备存储结构和更新原理，提出一种通过Ｗｅｂ界面实现嵌入式设备软　件自动升级的方法，包括在升级更新前将内核映像文件和根文件系统打包的方法、设备收到打包数据文件后分析和写入存储单元的技术以　及用户与嵌入式设备进行远程通信的方式。　关胡：嵌入式设备；在线升级；远程通信；Ｗｅｂ服务器　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｏｎｌｉｎｅ　Ｕｐｄａｔｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ　ＺＨＡＯ　Ｊｉｏｎｇ，ＪＩＡ　Ｐｅｉ－ｙｕａｎ，ＬＩ　Ｚｈｏｎｇ－ｓｈａｎ，ＬＩＮ　Ｗａｎｇ－ｃｈｅｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１ｇ０４）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔｓ　ｏｆ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｐｄａｔｅ　ａｎｄ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　Ｗｅｂ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｔＯ　ａｃｈｉｅｖｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｕｐｄａｔｅ　ｆｏｒ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ＳｔＯｒｅ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ａｎｄ　ｕｐｄａｔｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　ｐａｃｋｉｎｇ　ｋｅｒｎｅｌ　ｉｍａｇｅ　ｎｄ　ａｒｏｏｔ　ｉｌｆｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｅｆｏｒｅ　ｕｐｄａｔｅ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｕｎｐａｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　ｗｒｉｔｉｎｇ　ｉｔ　ｉｎｔｏ同ａｓｈ　ａｆｔｅｒ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｐａｃｋｅｔ．ａｎｄ　ｈｅ　ｔｗａｙ　ｏｆ　ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｌｉｅｎｔ　ｎｄ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ａｄｅｖｉｃｅ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ；ｏｎｌｉｎｅ　ｕｐｄａｔｅ；ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；Ｗｅｂ　ｓｅｒｖｅｒ　１概述　当嵌入式设备系统加电启动时，处理器会把ＦｌａｓｈＲＯＭ　中的程序引导到内存中运行。为了对系统软件功能进行升级　或修正其中的错误，可以对ＦｌａｓｈＲＯＭ中的程序进行更新，　即重新刷写。通常是把设备取回，通过引导程序把ＦｌａｓｈＲＯＭ　中原有程序删除，再将新的程序写入其中。对于使用量不多　并且设备比较容易取回的工作环境，这种方法是可行的。但　是在设备使用数量比较多、使用位置分散的环境下，对此类　设备软件升级或维护工作的成本就会大大增加。为了克服这　个问题，对于连接在网络上的嵌入式设备，可以通过网络远　序是一个内核模块，称为ｒｅｄｂｏｏｔ．Ｏ。ＲｅｄＢｏｏｔ对Ｆｌａｓｈ进行分　区的基本结构如图１所示。Ｆｌａｓｈ的大小为１６　ＭＢ，从起始地　址处依次存放ＲｅｄＢｏｏｔ、ｚｌｍａｇｅ、ｒａｍｄｉｓｋ、ＲｅｄＢｏｏｔ　ｃｏｎｆｉｇ　和Ｆ１Ｓ　ｄｉｒｅｃｔｏｒｙ。　０ｘ０００００００　ＲｅｄＢｏｏｔ　０ｘ０００４０００　ｚｔｍａｇｅ　０ｘ００１２０００　ｒａｍｄｉｓｋ　０ｘ００９６０００　＂ｏｎａｌｌｏｃａｔｅｄ　０ｘ００ＦＣ０００　ＲｃｄＢｏｏｔ　ｃｏｎｆｉｇ　０ｘＯ０ＦＥ０００　ＦＩＳ　ｄｉｒｅｃｔｏｒｙ　ＯｘＯ∞Ｏ０ｏ０　００００，２５６ＫＢ　］Ｉ。ｘＥ０００ｏ，ｓ　娜　程更新ＦｌａｓｈＲＯＭ中的程序和数据，由此减小维护成本，提　高工作效率。　）０ｘ８４００００，８４４８　ＫＢ　空闲　２固件更新原理　为实现固件更新，须明确嵌入式设备的工作原理，其中　最重要的就是内核使用ＭＴＤ（Ｍｅｍｏｒｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｖｉｃｅ）技　）０ｘ２００００，１２８　ＫＢ　）呲。　Ｋａ　术访问ＦｌａｓｈＲＯＭ的技术。下面首先介绍嵌入式设备中　ＦｌａｓｈＲＯＭ相关的基本工作原理和ＭＴＤ技术，然后说明嵌入　式设备中使用的引导程序ＲｅｄＢｏｏｔ。该引导程序可以直接管　理和控制ＦｌａｓｈＲＯＭ的分区数量和大小。　圈１　Ｆｌａｓｈ分区锖相　２．２基于ＲｅｄＢｏｏ的疆件更新　更新固件最普通的方法是通过ＲｅｄＢｏｏｔ进行操作。在进　行实际操作之前，要确保已使用串行电缆将设备连接到主机　上，同时网络连线也已经连好。其中，主机作为ＴＩ　Ｐ服务　器。并且在／ｔｌｆｐｂｏｏｆｆ目录下已经存放好需要下载到设备Ｆｌａｓｈ　２．１　ＭＴＤ设备和引导程序　ＭＴＤ设备驱动程序提供了有关Ｆｌａｓｈ设备的特殊信息，　主要包括设备类型、缓冲区大小、分区大小以及Ｆｌａｓｈ文件　系统擦除区域等”】。ＭＴＤ的一个重要特性是具有识别多种设　中的内核映像文件和ＲＡＭ文件系统映像文件。　在ＲｅｄＢｏｏｔ命令行上直接执行ｌｏａｄ命令，把主机上的内　核映像文件ｚｌｍａｇｅ加载到设备内存中；然后使用ｆｉｓ命令把　该映像文件内容从内存写入Ｆｌａｓｈ中　Ｊ。　作者筒介：赵炯（１９６３一），男，高级工程师、博士，主研方向：嵌　入式系统开发；贾培源、李中山、林旺城，硕士研究生　收稿日期：２００９—１２—１０　Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｚｈｏｎｇｓｈａｎ３５７＠１６３．ｔｏｍ　备的能力，目前存在多种不同Ｆｌａｓｈ类型需要文件系统支持。　在嵌入式系统中，整个系统的加载启动任务通常由　ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ引导程序完成。本文以ＲｅｄＢｏｏｔ为例说明引导程　序的工作原理。ＲｅｄＢｏｏｔ是一个ＲＯＭ监视器和引导启动程　序。它通过在ＦｌａｓｈＲＯＭ器件的最后一个可删除块中放置一　张表来管理Ｆｌａｓｈ中存储的多个ｉｍａｇｅ映像文件。该驱动程　一２６２一　３　固件创建原理及程序设计　把欲传输和写入目标嵌入式设备Ｆｌａｓｈ中各个ＭＴＤ分区　的映像文件组合在一个文件中，同时将相关信息写到这个文　件中。这个组合文件被称为固件（ｆｉｒｍｗａｒｅ）文件。其中包含的　相关信息有原各映像文件名、长度、欲写入的特定分区、要　写入分区的开始偏移位置等信息。为了能够检测出固件文件　在传输或下载过程中可能造成的损坏，从而保证不把错误的　固件写入ＦｌａｓｈＲＯＭ中，需要在创建固件文件时计算ＣＲＣ校　验信息，并将其同时写入固件文件中　。　３．１固件文件结构　一个固件文件头部结构分２个部分：（１）整个固件的相关　信息，称之为公共信息；（２）每个包含在固件文件中的映像文　件各自的信息。整个固件头部占用２５６　Ｂｙｔｅ，共能保存５个　映像文件的相关信息。这可以满足大多数固件结构的要求。　本文编制的固件创建程序名为ｐａｃｋｉｍａｇｅ。ｐａｃｋｉｍａｇｅ程序头　部中公共结构中具体的数据结构信息如下：　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＰＡＫＭＡＧＩＣ　０ｘ４１４３５３５８　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＭＡＸ—　ＰＡＫＩＭＡＧＥＳ　５　ｓｔｒｕｃｔ　ｐａｋ　ｈｅａｄｅｒ｛　ｕｉｎｔ３２ｔ　ｍａｇｉｃ；　ｕｉｎｔ３２ｔ　ｌｅｎ；　ｕｉｎｔ３２一ｔ　ｃｒｃ３２；　ｕｉｎｔ３２ｔ　ｉｃｏｕｎｔ；　ｓｔｒｕｃｔ　ｉｍｇｈｅａｄｅｒ　ｉｍｇ［ＭＡＸ—ＰＡＫ—ＩＭＡＧＥＳ］；　｝；　其中，字段ｍａｇｉｃ为魔数，用于判别文件是否是正确的固件　文件类型，Ｆｌａｓｈ写入程序通过判断这个魔数是否正确可以知　道下载得到的是否是正确的固件类型文件；ｌｅｎ字段用于存放　包含本头部结构信息的固件文件的长度；ｃｒｃ３２字段用于存放　ＣＲＣ３２校验码，生成校验码所使用的数据是从ｉｃｏｎｔ字段开　始到文件末尾的所有数据；最后一个字段定义了一个具有　５个结构项的数组，其中，每个结构项中保存着一个映像文　件的具体信息。数据项数据结构定义如下：　＃ｄｅｆｉｎｅ　ＭＡＸＮＡＭＥＬＥＮ　１　５　ｓｔｒｕｃｔ　ｉｍｇｈｅａｄｅｒ　ｆ　ｕｉｎｔ３２一ｔ　ｏｆｆｓｅｔ；　ｕｉｎｔ３２ｔ　ｌｅｎ；　ｕｉｎｔ３２ｔ　ｍｔｄｏｆｓ；　ｕｉｎｔ３２ｔ　ｍｔｄｎｏ；　ｃｈａｒ　ｍｔｄｎａｍｅ［ＭＡＸ—ＮＡＭＥ—ＬＥＮ＋Ｉ】；　ｃｈａｒ　ｆｉｌｅｎａｍｅ［ＭＡＸ—ＮＡＭＥ—ＬＥＮ＋１】；　）ｉｍｇ—ｈｅａｄｅｒ＿ｔ；　其中，字段ｏｆｆｓｅｔ指明本映像文件存放在固件文件中的偏移　位置，若该项值为一１，表示本结构项未使用，固件中已没有　其他映像文件；ｌｅｎ字段指明本映像文件的长度；ｍｔｄｎｏ字段　指明本映像文件欲被写入目标机ｍｔｄ的分区号；ｍｔｄｏｆｓ字段　指明本映像文件内容将被写入目标机指定ｍｔｄ分区中开始的　偏移位置；ｆｉｌｅｎａｍｅ字段中保存本映像文件的名称，用于Ｆｌａｓｈ　写入程序从固件文件中抽取和恢复各个独立的映像文件。　３．２同件倒蔗程序设计　固件的创建过程是把内核引导程序、内核映像文件和根　文件系统组合成一个文件以便传输到嵌入式设备中，具体的　打包过程如图２所示。为了确保数据的正确性，新固件文件　生成程序中计算ＣＲＣ３２校验码的程序使用了公共域Ｃ代码　程序。该程序采用与普通通信协议相同的帧校验序列计算　方法　。　申请一块缓存作为　文件读写缓冲区　二二工二　打开要生成的目标文件　添加ｐａｃｋ的魔数　二二　二　为每个映像文件添加　相应的头部信息　获取命令行参数　进行ＣＲＣ校验并　打开要写入的映像文件　添加到ｐａｃｋ结构体中　读取要写入的映像文件　到缓冲区相应位置　把缓冲区内容　写入目标文件中　ｌ　兰竺　竺兰竺　ｌ　关闭目标文件夹　墨　返回　图２固件创建程序漉程　４　Ｆｌａｓｈ写入程序设计　Ｆｌａｓｈ写入程序的主要功能是把已传输到目标机上的固　件文件写入ＦｌａｓｈＲＯＭ中，因此，Ｆｌａｓｈ写入程序应该存在嵌　入式设备中。固件中的数据具体写入哪个ＭＴＤ分区以及从　分区的什么位置开始写入等信息都将由固件文件自身提供给　写入程序。固件文件所能提供的这些信息均保存在固件头部　分中。　保存在嵌入式设备中的Ｆｌａｓｈ写入程序命名为　ｆｌａｓｈｉｍａｇｅ。ｆｌａｓｈｉｍａｇｅ会智能地根据／ｐｒｏｃ／ｍｔｄ中的信息和设　备目录中相关的设备文件判断出／ｐｒｏｃ／ｍｔｄ每个分区实际对应　的设备文件。这为其将固件文件中的数据正确地写入Ｆｌａｓｈ　分区奠定了基础。　ｌｆａｓｈｉｍａｇｅ所进行的基本处理工作是先读取设备上的　／ｐｒｏｃ／ｍｔｄ文件，判断并列出每个ｍｔｄ分区所使用的设备文件　名。然后将固件文件头部结构信息读入内存中，检查其中的　魔数以验证是否是需要的固件文件类型。再根据头部结构中　的ＣＲＣ值对整个固件文件进行校验，若都正确，则根据头部　结构中每个映像文件的具体信息把映像文件写入指定的ｍｔｄ　分区中。其中计算ＣＲＣ的算法与ｐａｃｋｉｍａｇｅ程序中所采用的　代码相同。　ｌｆａｓｈｉｍａｇｅ程序中的写入操作也是通过访问设备目录中　的ｍｔｄ设备文件进行的。执行写入操作是一个循环解锁、擦　除和写入过程，对应的逻辑代码如下　Ｊ：　ｌｓｅｅｋ（ｆｄ，ｍｔｄｏｆｓ，０）：／／寻址到分区指定位置处　ｌｓｅｅｋ（ｉｍｇｆｄ，ｏｆｆｓｅｔ，０）；／／寻址到指定映像文件　ｒｄ＝Ｏ：　ｗｒ＝ｅｒ＝ｍｔｄｏｆｓ；　／１分区内写入开始位置　ｒｎ＝（ｍｔｄｌｅｎ＞ｓｉｚｅｏｆ（ｂｕｆ））？ｓｉｚｅｏｆｆｂｕｆ）：ｍｔｄｌｅｎ；　ｗｈｉｌｅ（ｍｔｄｌｅｎ＞０）（　ｒｄ＝ｒｅａｄ（ｉｍｇｆｄ，ｂｕｆ，ｒｎ）　ｗｒ＋＝ｒｄ：　ｗｈｉｌｅ（ｗｒ＞ｅｒ）｛　ｍｔｄＥｒａｓｅｌｎｆｏ．ｓｔａｒｔ＝ｅｒ；　ｍｔｄＥｒａｓｅＩｎｆｏ．１ｅｎｇｔｈ＝ｍｔｄｌｎｆｏ．ｅｒａｓｅｓｉｚｅ；　ｉｏｃｔｌ（ｆｄ，ＭＥＭＥＲＡＳＥ，＆ｍｔｄＥｒａｓｅｌｎｆｏ）；／／擦除　ｅｒ＋＝ｍｔｄＩｎｆｏ．ｅｒａｓｅｓｉｚｅ；　１　ｒｅｓ＝ｗｒｉｔｅ（ｆｄ，ｂｕＬｒｎ）；　／，执行写操作　ｍｔｄｌｅｎ一＝ｒｎ；　ｒｎ＝（ｍｔｄｌｅｎ＞ｓｉｚｅｏｆｆｂｕｆ））？ｓｉｚｅｏｆ（ｂｕｆ）：ｍｔｄｌｅｎ　｝　一２６３—　ｌｆａｓｈｉｍａｇｅ的执行过程如图３所示。　获取命令行参数　对ｍｔｄ解锁　显示Ｆｌａｓｈ　ＭＴＤ分区信息　并对应到相应设备上　文件名是＼否　否与ｍｔｄ：＞一　Ｉ是　判断命令行参数的命令　动作井配置相应参数　执￣－ｍｔｄ写操作　是　是否完成？　是写操作？　文件校验失败　返回　是　，　是＜／／＼　是否重启？　否　执行其他操作　—重新启动】　（　返回　图３文件传输程序漉程　ｌｆａｓｈｉｍａｇｅ程序既可以由工作人员登入设备时手工执行，　也可以由Ｗｅｂ界面管理程序自动调用执行。若手工执行，在　固件文件传输到目标设备后，只需执行以下简单命令即可：　一＃ｆｌａｓｈｉｍａｇｅ　ｗｒｉｔｅ　ｆｉｒｍｗａｒｅ．ｂｉｎ　５通过ｗｅｂ远程传输并刷新固件程序设计　固件的远程传输是通过配置Ｗｅｂ服务器实现的　。为了　完成Ｗｅｂ服务设计，需要研究Ｗｅｂ服务器端ＣＧＩ的工作原　理。ＣＧＩ是应用程序与Ｗｅｂ服务器交互的一种标准。ＣＧＩ程　序读取从Ｗｅｂ服务器传递来的各种信息，处理后返回给Ｗｅｂ　服务器。ＣＧＩ为服务器定义了一套标准方法用于把客户输入　传送给应用程序，还定义了应用程序如何返回输出结果给　用户。　通过Ｗｅｂ服务器传输固件的过程如图４所示。　‘　ｃ　ｚｌｍ　０　ａ出ａ　ｇｅ１￣　ｇｅ　　『］调用　ｌ　ｍ　ｓｉ。ｋ　１　Ｉ０　　罚　，ｐａｃ　ｋｉ　ｍ’　…Ｉ　。ｉｒｒＰ　．，　．　．浏览器　ｈｔｔｐ请求　ｈｔｔｐ响应　通过以太　７　Ｈｔｔｐｄ服务器　ｌ，…　ｍ…　ｌ　▲　ｌ　～…‘一　……‘Ｉ　Ｊ◆　…　朋住　Ｉ　ｆｌａｓｈｉｍａｇｅ　ｗｒｉｔｅ　＼／　（嵌入式设备）　…　存觯　Ｉ　图４基于Ｗｅｂ服务器昀固件传输漉程　２６４一　其工作过程如下：在客户端，通过调用ｐａｃｋｉｍａｇｅ程序　把编译好的引导程序、内核映像和根文件系统打包成一个文　件（名为ｆｉｒｍ—ｃｕｒｒｅｎｔ．ｂｉｎ）。然后在浏览器界面访问嵌入式设　备。在服务器端，软件的守护程序始终在ＨＴＴＰ端Ｅｌ　８０守候　客户的连接请求，当客户端向服务器发起一个连接请求后，　客户和服务器之问经过三步握手建立连接。守护程序在收到　客户端ＨＴＴＰ请求消息后，对其进行解析。如果客户端的请　求是ＣＧＩ应用程序，那么服务器将执行ＣＧＩ应用程序进程，　接着由此进程接管服务器需完成的相关操作的控制。在本例　中，ＣＧＩ应用程序会把客户端的ｆｉｒｍ—ｃｕｒｒｅｎｔ．ｂｉｎ传输到嵌入　式设备的Ｆｌａｓｈ中，暂时保存在ｖａｒ／ｔｍｐ中，然后ＣＧＩ应用程　序调用ｆｌａｓｈｉｍａｇｅ程序把传输过来的固件文件解开，并按固　件文件的头部信息依次写入ＭＴＤ设备中，最后重启嵌入式　设备即可运行新的系统。　Ｗｅｂ界面示例如图５所示。　图５　Ｗｅｂ界面示倒　６结束语　本文研究了一种嵌入式设备的远程固件更新技术，并提　出一种能够在嵌入式设备网络化后对其远程固件更新的方　法，使设备的维护更方便、更有效，同时可以较大程度地降　低成本。今后的工作重点是对固件程序的创建过程进行优化　和提高文件传输效率。　参考文献　ｆ】】Ｊｉｍ　Ｚｅｕｓ．１ｉｎｕｘＭＴＤ源代码分析［ｚ］．［２００９—０２—１ｌ】．ＷＷＷ．ｃｎｄｚｚ．　ｃｏｒｎ／ｄｏｗｎ／ｓｏｆｔ／４６８０８．ｈｔｍ．　［２］黄　健，陈荣征，李代平，等．基于ＡＲＭ嵌入式系统的　ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ启动分析与移植【ＪＪ．现代计算机，２００７，２５（７）：８５—８８．　［３］马丰玺，杨斌，卫洪春．非易失存储器ＮＡＮＤＨａｓｈ及其在嵌　入式系统中的应用［Ｊ１．计算机技术与发展，２００７，１７（１）：２０３—２０６．　［４］赵炯．Ｌｉｎｕｘ内核完全剖析［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００６．　［５］陈莉君，康华．Ｌｉｎｕｘ操作系统原理与应用［Ｍ］．北京：清华大　学出版社，２００６．　［６］范海燕，宋加磊，管磊．客户端设备远程管理的方案及实现…　信息技术，２００７，３３（６）：１　３７—１４０．　编辑张帆